混凝土单轴拉伸应力-应变全曲线试验方法及装置

1/1混凝土单轴拉伸应力_应变全曲线试验方法及装置IndustrialConstructionVol139,Supplement,2009

工业建筑2009年第39卷增刊混凝土单轴拉伸应力2应变全曲线

试验方法及装置

杨吴生1薛明霞2

(11广州市第二市政工程有限公司,广州510060;21中原油田测井公司数控测井中心,河南濮阳457001)

摘要:采用双钢板粘贴夹持方式,研究一种混凝土单轴拉伸应力2应变全曲线试验新方法。研究表明,它是混凝土直接拉伸试验的一种简单、可靠、实用的方法。

关键词:混凝土;单轴拉伸;应力2应变全曲线;试验方法

TESTMETHODANDEQUIPMENTOFSTRESS2STRAINCURVES

OFCONCRETEINDIRECTTENSION

YangWusheng1XueMingxia2

(11TheSecondMunicipalEngineeringCo1,Ltd1,Guangzhou510060,China;

21WellLoggingCompany,ZhongyuanPetroleumEaxialtension;stress2straincurve;testmethod

第一:杨吴生,男,1971年出生,硕士。收稿日期:2008-12-05

在混凝土性能研究中,单轴直接拉伸性能的研究较少,不同研究者采用的试验方法各不相同且都

存在一定缺陷[1-5],如试件普遍带缺口、反馈控制信号不合理、试验装置的响应速度慢及控制精度低、试件内部应力分布不均匀等,从而导致拉伸全曲线试验方法复杂、试验误差大、成功率低。为此,本文采用闭环伺服试验机设计了一种“无缺口混凝土试件单轴直接拉伸全曲线试验方法”。1受拉试件的处理

本试验采用在拉伸试件端部粘贴双钢板(粘贴钢板和传力钢板),并通过球铰传递试验机拉伸荷载。在棱柱体试件端部采用粘贴钢板和传力钢板来共同传递应力,比只在试件端部粘贴一块一定厚度的钢板,试件中的应力传递更均匀[6]。

试件处理如下:混凝土试件在达到测试龄期的前2d,从养护地点取出,用切割机去除混凝土两个端面2mm的表面疏松层并磨平,于室内自然干燥1d,用无水酒精清洁两端面并用高强环氧树脂结构胶各粘贴一块厚40mm,截面尺寸为100mm×100mm(与混凝土试件截面尺寸相同)的钢板,于室温

固化12～24h,粘贴钢板上有8个深20mm、直径8mm均匀分布的螺孔并有一个定位孔,分别与传力

钢板上相应位置对应,传力钢板厚20mm,截面尺寸与粘贴钢板完全相同,顶面与拉伸球铰相连,球铰顶面加工有一直径25mm螺杆用于连接力传感器。将传力钢板与粘贴钢板用螺栓连接后,通过球铰与试验机连接。2试验装置211加载及控制系统

试验采用WAW-E600C型微机控制电液伺服万能试验机。用计算机进行闭环控制,电液控制阀根据外部反馈回来的控制信号变化,作出快速准确的反应,迅速调整试验机油缸的进、出油量,从而实现试验机根据所设定的控制参数而精确动作。在开始施加荷载时,由于试件的夹持及连接部位存在着间隙,同时也有可能存在用于反馈信号的位移传感器安装不妥等问题,因此,试件开始拉伸时采用恒荷

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载控制模式,稳定拉伸后再转换为变形控制模式直至试验结束,这样可以避免试件意外断裂。拉伸试验装置如图1

。

图1直接拉伸试验装置

212数据采集系统

混凝土变形测量及采集采用DH5935应变测试系统和YYU-5010电子引伸仪。3电子引伸仪的夹持方式

混凝土拉伸全曲线试验中,反馈控制信号的选择和量测是试验成功的一个重要因素。对于不带缺口的试件,变形反馈控制信号的选择要困难的多,它应满足以下条件:

1)因为试件断裂位置在整个试件长度上是随机的,因此变形的测量范围应包括整个试件长度;否则,当主裂缝不在测量标距范围内时,试件将会突然断裂,试验成功率降低。

2)测量范围内的试件变形量在整个断裂过程中应稳定增加。

3)拉伸试件在主裂缝形成前,在试件各边所量测到的变形值并无多大差别;但在主裂缝形成过程中,靠近主裂缝位置所量测到的变形值较大且增长较快,而远离开裂位置所量测到的变形相对较小且有可能减小。当靠近主裂缝开展位置的变形量用作控制信号时,可控制试件稳定拉伸断裂,若选择裂缝次大位移的引伸仪作为反馈控制信号时,也可得到峰值荷载后曲线的部分或完整下降段,但不够稳定,图2中采用裂缝次大位移的传感器作为反馈控制信号时所量测的应力2应变全曲线,在曲线F点出现裂缝不稳定开展,荷载急速下降。因此,选择正确的反馈控制信号是试验成功的关键

。

图2由裂缝次大位移的引伸仪作为

反馈控制信号测得的曲线

为使试验操作更加可靠方便并提高试验成功率,本试验在试件上安装4个相同的电子引伸仪,通

过计算机与试验机连接,由软件来自动判别和选择反馈控制信号(变形增加速度最大的通道),完全实现计算机全自动控制,避免人为中断试验来调整反馈控制信号位置。

为了得到稳定的数据,电子引伸仪的安装必须

进行合理的设计,它们必须确保安装在各自的中轴线上,且在试验过程中不能产生任何滑动,试验过程中的滑动或不稳定将会导致不稳定的开裂。在测量架安装到试件上之前,用四根导向钢棒固定测量架并调整好测量标距。为确保破坏面在引伸仪测量范围内,试验中将变形测量架固定在粘结钢板上,调整各边距离,保证测量架的中轴线与试件中轴线一致,然后取出导向钢棒,换成引伸仪固定棒,装上引伸仪。这样,可以确保引伸仪量测到变形准确、稳定、可靠。4试验步骤

在试验之前对电子引伸仪进行标定,设置好伺服机和应变采集仪的各种参数,然后按以下步骤进行:

1)按上述方法粘贴钢板,用螺栓连接传力钢板,

并安装应变测量架和引伸仪。

2)安装试件两端的球铰及螺杆后,将试件安装在上下夹具中固定。

3)将伺服机设置成荷载控制模式,对试件加载,加载速度为100N/s,加载到试件抗拉强度值的50%。在加载过程中,观察动态应变采集仪采集的混凝土试件每个侧面引伸仪的变形值,比较引伸仪测量到的混凝土四侧的变形值的大小,最后将混凝土变形值最大的一侧的引伸仪连接带伺服机上,由闭环伺服试验机控制主裂缝的变形。

4)安装防倾铁棒[7]。

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5)将试件卸载后对试件重新加载,开始采用荷

载控制模式,加载速度为100N/s,加载到抗拉强度的50%时,改为引伸仪控制模式,加载速度为01002mm/min,直至试件破坏。图3为正在做拉伸曲线

的试件

。

图3试验中的试件

5数据处理

试验结束后,引伸仪采集到的数据自动按时间

和对应的荷载、变形被保存到电脑中,伺服试验机的数据采集频率为1Hz,应变采集仪的采集频率为10Hz,按时间对应关系求出四个方向的平均值得出试件在该时间点的轴心受拉变形。由于随机误差、电信号波动等,试验过程中采集到的数据必须进行处理才能用于计算。

本文采用的数据处理方法如下:

1)将拉伸荷载换算成试件中的拉伸应力,即将荷载除以试件的横截面积。

2)将拉伸位移变形量换算成拉伸应变量,即将安装在试件四个不同面上的引伸仪的变形量取算术平均,然后除以测试标距。

3)应力2应变全曲线光滑处理(移动平均处理)。将已进行上述两个步骤处理的应力、应变数据直接绘制在混凝土应力2应变全曲线图上,将会发现,当曲线的X轴间距较大时,也可以得到光滑的应力2应变全曲线;但是只要将曲线放大,即取较小的X轴间距,就会发现原本看似光滑的曲线,其实呈“锯齿”状,如图4a中图,当用此数据进行弹性模量、初裂点、断裂能的计算时,将导致很大误差,必须进行光滑处理。本文中,我们采用移动平均的方法对曲线进行光滑处理,根据控制混凝土变形的引伸仪的变化值来对混凝土的应力求一次平均,即当引伸仪读数每变化01001mm时,对该时间段内混凝土的受力荷载求取平均值,以此获得一组新的数据。图4b为移动平均处理后的应力2应变曲线。可以发现,经移动平均处理后,曲线的“锯齿”消除了,更趋光滑,且曲线的形状没有改变,经移动平均处理后的数据即可用于试验计算

。

a-数据处理前;

b-经数据处理后

图4混凝土受拉应力2应变全曲线

6结论

1)采用粘贴钢板和传力钢板组合的“双钢板”粘

贴抗拉试件,试件的制备和夹持更为简单方便,同时也使受拉试件的应力更趋均匀。