一种混凝土试件双轴受压加载装置及其操作方法

技术领域

本发明属于混凝土试件性能研究与测试技术领域，涉及一种混凝土试件双轴受压加载装置及其操作方法，具体地说，涉及一种用于持荷-环境耦合作用下混凝土试件双轴受压加载装置及测试方法。

背景技术

由于混凝土结构在取材、成本、维护方面的优势，一直在土建工程中占有主导地位,在重大土木工程(大型建筑工程、桥梁工程、水工与港工工程)中有着非常广泛的应用，随着我国基础设施建设的不断推进，有着大量已修建的混凝土基建工程和大量正在修建和未修建的混凝土基建工程，而混凝土的破坏大部分是由于多轴高压荷载与碳化、渗透、冻融、锈蚀等各种环境因素长时间共同作用影响的，因此，研究高压、双轴持荷-复杂环境耦合状态下混凝土试件的性能与试验方法是目前混凝土结构领域研究的热点与难点。

目前国内外高压持荷加载试验装置多为大型和超大型试验装备，体型庞大、价格昂贵，无法实现复杂、恶劣、不同环境下相关试件的耐久性、抗疲劳性、粘结性等性能的研究。中国专利申请公布号CN106841577A、申请公布日是2017年6月13号，名称为“可适于荷载-环境耦合作用下混凝土加载装置及方法”的发明申请专利中利用到了在荷载与环境耦合作用下混凝土构件的加载，该装置主要用于混凝土构件(大尺寸)的受力性能测试，与本发明专利所提及的混凝土试件(小尺寸)的受力性能测试有很大的不同。中国专利申请公布号CN211292318、申请公布日是2020年8月18号，名称为“用于混凝土双向受压试验的榫卯式加载板装置”，上述装置与目前国内的其他有关于混凝土压应力的加载装置都存在以下缺陷：体积庞大，结构安装复杂，移动不方便，所需实验受限于实验室，无法适应不同复杂环境，主要通过千斤顶加载，扳手拧螺帽等方式加载，不够精确，所施加荷载精度太小。

试验研究是理论研究深入的辅助手段，而试验技术决定了试验研究的准确性。可见，找到一种试验效果好、可靠度高、成本低能有效模拟真实混凝土试件受力状态下双轴高压持荷与复杂环境耦合的混凝土双轴加压装置和方法，对研究混凝土性能的不断研究至关重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种混凝土试件双轴受压加载装置及其操作方法，利用高精度板式双液压油缸-双反力单元系统与4个球铰的动态平衡工作模式来保持长时间、大荷载与环境因素共同作用影响下的持荷平衡，利用双液压油缸对混凝土试件施加双向压力，单向荷载可达200kN，实验时实时监控并调控所施加荷载的大小，装置小巧、可拆卸、便于移动用于恶劣复杂环境下的试验。

其技术方案如下：

一种混凝土试件双轴受压加载装置，包括压力单元、液压油缸、反力单元、反力架、球铰、预应力固定螺栓、混凝土试件，所述反力架四个侧面设置有2个反力单元和两个液压油缸，所述反力架内侧壁设置有4个球铰，4个球铰分别与液压油缸和反力单元相连，所述反力架中间部分设置混凝土试件，通过反力架与混凝土试件中间的球铰来调整由于混凝土试件表面不平整、不光滑引起的加压误差。

进一步，所述反力架的4个侧面分别对反力单元、液压油缸、预应力固定螺栓设置有预留孔。

进一步，所述液压油缸与反力单元分别穿过所述反力架预留孔，所述反力单元与液压油缸布置在同一条直线上。

进一步，所述每一个液压油缸与反力单元外部边缘均匀设置有12个预应力固定螺栓，所述每个预应力固定螺栓通过所述反力架上的预留孔将所述液压油缸与反力单元固定在反力架上。

进一步，所述压力单元上表面设置有一注油孔。

进一步，所述每一压力单元内置一液压油缸，通过注油孔对液压油缸注油产生压力，进而推动液压油缸对球铰和混凝土试件施加荷载。

进一步，4个球铰设置在混凝土试件所需持荷方向，所述球铰与混凝土试件接触面在横向与纵向分别均匀设置有7个半圆型凹槽，通过凹槽外部环境因素可以快速、均匀地渗透、影响混凝土试件。

进一步，所述球铰、反力架、反力单元、液压油缸与预应力固定螺栓均为不锈钢材质。

进一步，所述反力单元为整体部件，所述液压油缸中心位置可通过向注油孔注油沿着持荷方向直线移动，向混凝土试件施加荷载。

本发明所述混凝土试件双轴受压加载装置的操作方法，

包括以下步骤：

(1)将试件放置于反力架内部，所需持荷方向贴合球铰下侧；

(2)通过泵站节流阀缓慢向液压缸内供油，使铰板贴合试件，并通过放置试件形状、大小及时调整球铰所需偏心角度；

(3)通过注油孔向液压油缸内继续供压力油，全程检测油压表的压力示数；

(4)待压力数值达到目标数值时，停止注油；

(5)将试验装置放置于环境提供设备，并时刻监控油压表示数，动态调整油压。

(6)做完实验，打开卸压开关，油缸收回，取下试件。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件双轴受压加载装置，其中反力架、反力单元、球铰、液压油缸均为高强度耐蚀不锈钢材，所采用的预应力固定螺栓为高强度螺栓，可对各种高强混凝土机构进行施加持荷，最大可承载200kN，满足目前实验室内所有混凝土强度等级的测试范围。

2、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件双轴受压加载装置，体积小、结构简单、易于操作、移动方便、各个部件可以拆卸，可以将装置放置人工气候模拟实验箱、腐蚀性溶液池等多种环境耦合下混凝土机构的试验性能研究，相比大型持荷装置可以灵活满足不同环境下混凝土机构的加载测试。

3、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件双轴受压加载装置，提供4球铰动态调平系统，球铰遇偏心力会转动，可以对不同材质、种类、形状、大小的试件进行加载测试，球铰表面设置有凹槽，增大混凝土机构与外部环境因素的接触面积，使混凝土机构六个面能均匀、快速地与外部环境进行耦合。

4、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件双轴受压加载装置，提供预应力固定螺栓，避免压力施加后混凝土徐变、位移、固定螺栓的变形所引起的应力松弛，和装置在不同环境因素下带来的应力损失。

5、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件双轴受压加载装置，采用外加液压压力表的方式对所施加压力进行监测，实时调整，减少实验误差。

6、本发明提供的一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件双轴受压加载装置，演示时将混凝土试件放置在反力架中间，调整混凝土试件位置，使所需持荷方向与球铰贴合，通过注油孔对液压油缸进行注油，液压油缸内产生压力推动球铰对混凝土试件施加荷载，通过注油时的油压表可知此时施加的荷载大小。无操作安全，演示环境灵活，数值精确，演示省时省力。

附图说明

图1是本发明混凝土试件双轴受压加载装置的结构示意图。

图2是本发明混凝土试件双轴受压加载装置的沿图1的A-A截面剖视图。

图3是本发明混凝土试件双轴受压加载装置的侧视图。

图4是本发明混凝土试件双轴受压加载装置的俯视图。

图5是本发明混凝土试件双轴受压加载装置的立面图。

图6是反力架的结构示意图。

图7是球铰的结构示意图。

图8是反力单元的界都示意图。

图9是液压油缸的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

本发明包括反力架、反力单元、压力单元、预应力固定螺栓、混凝土试件、球铰、液压油缸。不需要采用单独的荷载传感器，外置注油器兼做压力表，装置各部件可拆卸、并根据实际实验需求定制、替换，大大简化了试验装置，降低了不同试验要求、恶劣环境长期持荷的成本问题。本发明通过四球铰动态调平系统，对不同大小、形状、材料的试件进行双向持续施加荷载，施荷装置采用双液压油缸通过，可满足全级配混凝土的强度要求，通过预应力固定螺栓的紧固作用抵消装置在安装、运输、使用过程中的应力松弛。本发明提供一种用于持荷-环境耦合作用下混凝土试件双轴受压加载装置操作简单，结构灵活，能提供稳定、有效的持续荷载。

如图1-图5所示，一种持荷-环境耦合作用下混凝土试件单轴受压加载装置，其结构包括压力单元2、预应力固定螺栓3、反力架4、球铰5、混凝土试件6、反力单元7、液压油缸8。

如图5-图9所示，所述反力单元7与压力单元2穿过反力架4上的预留孔套在反力架4上，并通过预应力固定螺栓3固定在反力架4上面，所述反力单元7与压力单元4有2个，所述预应力固定螺栓3有32根，所述每个反力单元7与压力单元2下侧都与一个球铰5相连。

所述球铰5与混凝土机构6的接触面在横向和纵向分别均匀设置有7个半圆型凹槽。

所述反力架4上的压力单元2的预留孔直径与反力单元7的预留孔直径相等，所述预应力固定螺栓3预留孔直径小于反力单元7的预留孔直径。

所述反力单元7为整体结构，压力单元2内置液压油缸8，外部设置有注油孔1。

所述液压油缸8可沿持荷方向上下移动，以此来对混凝土试件施加荷载。

将上述的加载装置设于各类恶劣复杂环境中，如人工气候模拟实验箱、腐蚀性溶液池等以实现各类作业环境下混凝土机构不同状态的模拟。

本发明提供的另一个实施例是：一种混凝土试件双轴受压加载装置的操作方法：

本发明提供的一种混凝土试件双轴受压加载装置，实验时将混凝土试件6所需持荷方向贴合球铰5放置，根据试件的材质、种类、形状、大小调节下球铰5的偏心角度，并通过注油孔向液压油缸内注油，使油缸内产生压力推动球铰5对混凝土试件施加荷载，通过外加注油器上的压力表可知所施加荷载大小，并实时监测、调整。

本发明装置的特点如下：

1.混凝土试件在高压强受力状态下与复杂环境耦合的性能测试

实验装置中反力架、反力单元、压力单元、球铰均采用高厚度、高强度的耐蚀不锈钢材制成，预应力固定螺栓为精轧螺纹螺栓，实验装置最高可对试件施加200kN的压力。实验装置体积小、可拆卸，可放置于人工气候模拟实验箱、腐蚀性溶液池等复杂恶劣环境条件下，研究混凝土试件受高压同环境因素共同作用下的性能。

2.长时间持荷状态下试件受力稳定问题

实验装置中采用预应力精轧螺栓固定系统，通过对固定螺栓施加预应力，能抵消装置在安装、运输和持荷过程中因环境因素、时间影响、试件的自身形变引起的应力松弛，使试件所受压力为定值，减少实验误差。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。