专利名称：超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于材料测试领域，具体地，涉及一种超低温环境下钢筋力学性能试验装置，特别是涉及一种用于超低温下钢筋静力拉伸试验、超低温下钢筋接头的抗拉性能试验以及超低温下预应力钢筋的应力松弛而产生的应力损失试验的试验装置。
背景技术：
超低温储罐(如液化天然气储罐)是近年来我国开始建造的特种结构。储罐的外罐壁一般采用预应力混凝土结构，液化天然气存储的温度在_165°C左右，当内灌泄漏时，夕卜罐会遭受到压力荷载和_165°C的温度荷载，而且低温下钢筋的性能也会发生变化，进而影响钢筋混凝土的整体性能。目前，大型超低温储罐的设计只掌握在英美日等少数国家手中，我国还处于起步和探索阶段，相关的标准规范尚没有跟上建设的步伐，有待在消化吸收国外先进技术规范和国内发展建设实践及研究的基础上逐步建立和完善一套我们国家自己的相关规范和标准。国内对于超低温(-100°C以下)钢筋性能的研究较少，清华大学王元清等在20°C、-20°C、_60°C三个温度点分别对BCT3c Π (相当于我国Q235)、09 Γ 2C (相当于我国Q345)和热调质钢BCT3c Π -T2三种钢材做过系列试验，同济大学和天津大学做过超低温下钢筋的静力拉伸试验，但限于试验条件，试验存在误差且结论不够完整。因此，对于完善我国在该领域的相关规范和标准还需做大量试验而且要求试验更加精确。对于超低温下钢筋的性能，国外的试验研究有了一定的基础，对我们有借鉴意义，但国外的试验结果不能简单地在我国直接应用。因此，钢筋在超低温环境下的性能有待进一步深入研究，以期建立一套比较完整的我国独立的标准体系。国内对于超低温下预应力钢筋的应力损失试验还没有做过相关研究，而超低温下预应力钢筋的应力损失对于超低温储罐的设计至关重要。
发明内容
为克服现有设备不足，本发明提供一种操作方便且能够准确快捷地完成超低温下钢筋静力拉伸试验、超低温下钢筋接头的抗拉性能试验以及超低温下预应力钢筋由于应力松弛而产生的应力损失试验的试验装置。为实现上述目的，本发明采用如下方案:超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，包括万能拉力试验机、悬挂轨道式小车、超低温试验箱、液氮罐、电控箱和外部测量设备；悬挂轨道式小车悬挂于万能拉力试验机上端，超低温试验箱放置于悬挂轨道式小车上，液氮罐通过液氮管与超低温试验箱上的控制器相连，电控箱通过电控线与超低温试验箱上的控制器相连，外部测量设备通过连接线与超低温试验箱上的外接线头相连进而读取内部测量设备测得的数据。优选的，上述悬挂轨 道式小车包括小车和两条悬挂轨道，两条悬挂轨道平行；每条悬挂轨道包括横梁、锚具、可伸缩式悬吊杆、纵向斜拉杆、横向斜拉杆和轨道；横梁通过两端的锚具固定在万能拉力试验机上端，通过连接螺栓将锚具与横梁锚固紧形成一个整体，锚具上的固定螺栓进而将形成的整体与万能拉力试验机上端固定。优选的，横梁两端分别悬挂有可伸缩式悬吊杆，横梁与可伸缩式悬吊杆可采用螺栓连接固定；四根可伸缩式悬吊杆在两个方向上分别设有交叉横向斜拉杆和纵向斜拉杆以增强结构整体性，横向斜拉杆和纵向斜拉杆与可伸缩式悬吊杆采用螺栓连接固定。优选的，可伸缩式悬吊杆由两根直径不同的钢管嵌套构成，小直径钢管伸入大直径钢管内，大直径钢管管壁嵌有紧固螺栓，当小直径钢管于大直径钢管内伸缩达到所需高度时将紧固螺栓拧紧挤压小直径钢管。优选的，小车包括小车底板、四个车轮和四根刚性杆件，每条轨道中有两个车轮，每个车轮通过一根刚性杆与小车底板的四个角连接，车轮可自由进出轨道并于轨道内滑行，刚性杆件与小车底板采用螺栓连接固定。小车底板具有一定的刚度与强度且中间留孔。优选的，小车底板选用钢板或者胶合板。优选的，超低温试验箱为圆筒形结构，在箱体底部对称的设有四个360度旋转轮，超低温试验箱的箱壁由内而外分为内部保护层、保温层、外部保护层，内部保护层可由铝合金或超低温06Ni9钢制成，保温层可采用聚氨酯板制成，外部保护层可采用普通钢板制成；箱体分上盖与箱体下部两部分，上盖与箱体下部采用企口连接，并设有上密封垫片和下密封垫片，上密封垫片和下密封垫片采用三氟垫材材质；上盖密封开关可选择普通螺栓连接、强力电磁铁开关连接，上下两部分分别设有把手以方便箱体取放；超低温试验箱的箱壁横跨有固定式接线，固定式接线有内接线头和外接线头，内接线头和外接线头分别通过连接线与内部测量设备、外部测量设备相连，内部测量设备为超低温应变片、超低温温度感应器等，外部测量设备为各个参数的显示设备；超低温试验箱下部设有控制器，控制器用于调节单位时间内液氮的蒸发量从而控制箱体内部的温度，控制器通过电控线和液氮管分别于电控箱和液氮罐相连，进而形成温度的自动调节机制。优选的，箱体上下两端对称的设有开口，两端开口均内大外小呈锥形，两端开口处设有密封塞。在锥形孔的外端面有由外部保护层向孔内收缩形成的环箍，环箍用来限制密封塞的位移；锥形孔的内端面外侧形成箱体凸起，箱体凸起同样为箱体结构部分，箱体凸起外侧面为螺纹套丝，箱体凸起底面设有环形凸起；密封塞为锥形且大头端部形成钉帽，密封塞采用三氟垫材制成，密封塞通过碗形螺帽固定在箱体凸起上。优选的，碗型螺帽为超低温06Ni9钢制成，其中碗型螺帽的内侧面做成螺纹套丝，以便与箱体凸起通过螺纹连接；碗型螺帽的内部底面设有环形凸起；碗形螺帽端面设有碗形螺帽留孔。本发明与现有技术相比具有如下优势:(I)、本发明所述超低温试验箱与悬挂轨道式小车为相互独立的装置，支撑小车轨道的刚性悬吊杆顶部设有临时锚固装置，可将轨道临时固定于拉力试验机上，超低温试验箱置于小车底板上。临时固定轨道并进行横向定位以便后续试验快速定位，减小了实验操作周期。(2)、本实验装置的密封塞材质为优质耐超低温三氟垫材，可用于超低温状态下的密封材料，适用温度为_200°C至150°C。
(3)、超低温试验箱两端密封塞的固定采用前阻和后拉结合，即环箍的阻挡以及碗型螺帽的挤压，避免因为密封塞移位过大而对钢筋产生过大的挤压力而影响实验结果的准确性。(4)、超低温试验箱上盖与箱体下部的连接采用企口连接，并设有优质耐超低温三氟垫材制成的超低温垫片做到进一步密封。(5)、超低温试验箱箱壁嵌有固定式接线，两端留有接线头，以便连接箱内与箱外的测量装置及仪表。
图1为本发明的超低温试验装置主视示意图；图2为本发明的超低温试验装置侧视示意图；图3为悬挂轨道式小车主视示意图；图4为悬挂轨道式小车侧视示意图；图5为用于固定悬挂轨道式小车的锚具主视示意图；图6为用于固定悬挂轨道式小车的锚具侧视示意图；图7为悬挂轨道式小车有车轮时轨道的剖面示意图；图8为悬挂轨道式小车无车轮时轨道的立体示意图；图9为超低温试验箱构造示意图；图10为超低温试验箱密封塞构造示意图；图11为固定端部密封塞的碗型螺帽构造示意图。图中:1、万能拉力试验机；2、悬挂轨道式小车；3、超低温试验箱；4、液氮罐；5、电控箱；6、外部测量设备；7、小车；8、悬挂轨道；9、液氮管；10、电控线；11、支撑悬挂轨道横梁；12、锚具；13、大直径钢管；14、可伸缩式悬吊杆；15、紧固螺栓；16、小直径钢管；17、纵向斜拉杆；18、轨道；19、小车车轮；20、用于选吊小车底板的刚性杆；21、小车底板；、22横向斜拉杆；23、连接螺栓；24、固定螺栓；25、密封塞；26、碗型螺帽；27、上密封垫片；28、下密封垫片；29、上盖密封开关；30、内部保护层；31、保温板；32、外部保护层；33、横跨接线；34、外接线头；35、内接线头；36、试件；37、上盖把手；38、箱体下部把手；39、控制器；40、360度旋转轮；41、内部测量设备；42、超低温工作室；43、箱体凸起与碗型螺帽螺纹连接处；44、箱体凸起；45、环箍；46、碗型螺帽内壁螺纹处理；47、碗型螺帽底部环形凸起；48、碗型螺帽留孔；49、环形凸起。
具体实施例方式如图1-2所示，超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，包括万能拉力试验机I，悬挂轨道式小车2,超低温试验箱3,液氮罐4,电控箱5和外部测量设备6 ;悬挂轨道式小车2悬挂于万能拉力试验机I上端，超低温试验箱3放置于悬挂轨道式小车2上以方便进出万能拉力试验机1，液氮罐4通过液氮管9与超低温试验箱3上的控制器39相连，电控箱5通过电控线10与超低温试验箱3上的控制器39相连，外部测量设备6通过连接线与超低温试验箱3上的外接线头34相连进而读取内部测量设备41测得的数据；万能拉力试验机I用于对试件加载，悬挂轨道式小车2用于承托超低温试验箱3,超低温试验箱3用于提供实验所需的超低温环境，液氮罐4用于盛放制冷剂液氮，电控箱5用于智能控制超低温试验箱3内的温度，外部测量设备6用于读取实验数据。如图1-8所示，悬挂轨道式小车2包括小车7和两条悬挂轨道8 ;两条悬挂轨道平行。每条悬挂轨道8包括横梁11、锚具12、可伸缩式悬吊杆14、纵向斜拉杆17、横向斜拉杆22和轨道18 ;横梁11通过两端的锚具12固定在万能拉力试验机I上端，通过连接螺栓23将锚具12与横梁11锚固紧形成一个整体，锚具12上的固定螺栓24进而将形成的整体与万能拉力试验机上端固定，从而达到固定横梁的目的。横梁11两端分别悬挂有可伸缩式悬吊杆14，横梁11与可伸缩式悬吊杆14可采用螺栓连接固定。四根可伸缩式悬吊杆14在两个方向上分别设有交叉横向斜拉杆22和纵向斜拉杆17以增强结构整体性，横向斜拉杆22和纵向斜拉杆17与可伸缩式悬吊杆14采用螺栓连接固定。可伸缩式悬吊杆14由两根直径不同的钢管嵌套构成，小直径钢管16伸入大直径钢管13内，大直径钢管13管壁嵌有紧固螺栓15，当小直径钢管16于大直径钢管13内伸缩达到所需高度时将紧固螺栓15拧紧挤压小直径钢管以固定可伸缩式悬吊杆14的长度。小车7包括四个车轮19、四根刚性杆件20和小车底板21，每条轨道18中有两个车轮19，每个车轮19通过一根刚性杆20与小车底板的四个角连接，车轮19可自由进出轨道18并于轨道18内滑行，刚性杆件20与小车底板21采用螺栓连接固定。小车底板21具有一定的刚度与强度且中间留孔，小车底板21可选用钢板也可选用胶合板。如图1-3，9所示，超低温试验箱3为圆筒形结构，在箱体底部对称的设有四个360度旋转轮40，以方便箱体的平行移动。超低温试验箱3的箱壁由内而外分为内部保护层30、保温层31、外部保护层32，内部保护层30可由铝合金或超低温06Ni9钢制成，保温层31可采用聚氨酯板制成，外部保护层32可采用普通钢板制成。箱体分上盖与箱体下部两部分，上盖与箱体下部采用企口连接，并设有上密封垫片27和下密封垫片28以做到有效密封，上密封垫片27和下密封垫片28采用三氟垫材材质。上盖密封开关29可选择普通螺栓连接、强力电磁铁开关连接，上下两部分分别设有把手37和把手38以方便箱体取放。超低温试验箱3的箱壁横跨有固定式接线33，固定式接线33有内接线头35和外接线头34，内接线头35和外接线头34分别通过连接线与内部测量设备41、外部测量设备6相连，内部测量设备41为超低温应变片、超低温温度感应器等，外部测量设备6为各个参数的显示设备，内部测量设备41、外部测量设备6均属本领域现有设备。超低温试验箱3下部设有控制器39，控制器39用于调节单位时间内液氮的蒸发量从而控制箱体内部的温度，控制器39通过电控线10和液氮管9分别于电控箱5和液氮罐4相连，进而形成温度的自动调节机制，控制器39和电控箱5均属现有设备。如图9-11所示，箱体上下两端对称的设有开口，两端开口均内大外小呈锥形，两端开口处设有密封塞25。在锥形孔的外端面有由外部保护层32向孔内收缩形成的环箍45，环箍45用来限制密封塞25的位移；锥形孔的内端面外侧形成箱体凸起44，箱体凸起44同样为箱体结构部分，箱体凸起44外侧面43为螺纹套丝，箱体凸起44底面设有环形凸起49。密封塞25为锥形且大头端部形成钉帽，密封塞25采用三氟垫材制成，密封塞25通过碗形螺帽26固定在箱体凸起44上。碗型螺帽26为超低温06Ni9钢制成，能够满足超低温下的性能要求，其中碗型螺帽26的内侧面46做成螺纹套丝，以便与箱体凸起44通过螺纹43连接；碗型螺帽26的内部底面设有环形凸起47，目的是与环形凸起49相对应增强对密封塞25的挤压力，当密封塞25向外位移过大时能够对密封塞25起到拉铆作用；碗形螺帽26端面设有碗形螺帽留孔48。实验操作流程如下:试验时先将轨道18悬挂并临时固定于万能拉力试验机的上端,做好横向定位,然后将小车悬挂置于轨道18上。通过调整伸缩杆件14使轨道以及小车底板尽量达到水平，并且通过参照已知的超低温试验箱的高度预留上部净高，以满足上部夹具正好夹住钢筋的要求。将超低温试验箱置于小车底板21上，连接好液氮输入装置、外部测量装置6、电控箱5等。打开超低温试验箱3安放好密封塞25，再用碗型螺帽26固定压紧密封塞25，将试件36粘结好应变片等内部测量设备41，将试件36放入超低温试验箱3并将内部测量设备41的接线端与固定式内接线头35相连，盖好超低温试验箱，用开关29将上盖与箱体下部锚固密封。将小车沿轨道18推入万能拉力试验机，此时通过之前轨道的横向定位和高度计算后预留的空间使得上端夹具正好可以夹住钢筋，然后将下端夹具向上移动达到可以夹住钢筋的高度。通过电控箱5设定好实验所需温度，检查各个仪表、开始液氮输送进行降温，达到所需试验温度后两端夹具夹紧钢筋进行拉伸，拉伸过程中注意外接仪表的读数，做好实验数据的记录。—个试件拉伸结束后，停止液氮循环夹持端放开，将小车沿轨道18拉出，打开超低温试验箱3更换试件36，重复上诉流程完成各个试件的拉伸试验。
权利要求
1.低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，包括万能拉力试验机、悬挂轨道式小车、超低温试验箱、液氮罐、电控箱和外部测量设备；其特征在于:悬挂轨道式小车悬挂于万能拉力试验机上端，超低温试验箱放置于悬挂轨道式小车上，液氮罐通过液氮管与超低温试验箱上的控制器相连，电控箱通过电控线与超低温试验箱上的控制器相连，外部测量设备通过连接线与超低温试验箱上的外接线头相连进而读取内部测量设备测得的数据。
2.根据权利要求1所述的超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，其特征在于:上述悬挂轨道式小车包括小车和两条悬挂轨道，两条悬挂轨道平行；每条悬挂轨道包括横梁、锚具、可伸缩式悬吊杆、纵向斜拉杆、横向斜拉杆和轨道；横梁通过两端的锚具固定在万能拉力试验机上端，通过连接螺栓将锚具与横梁锚固紧形成一个整体，锚具上的固定螺栓进而将形成的整体与万能拉力试验机上端固定。
3.根据权利要求1-2所述的超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，其特征在于:横梁两端分别悬挂有可伸缩式悬吊杆，横梁与可伸缩式悬吊杆可采用螺栓连接固定；四根可伸缩式悬吊杆在两个方向上分别设有交叉横向斜拉杆和纵向斜拉杆以增强结构整体性，横向斜拉杆和纵向斜拉杆与可 伸缩式悬吊杆采用螺栓连接固定。
4.根据权利要求1-3所述的超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，其特征在于:可伸缩式悬吊杆由两根直径不同的钢管嵌套构成，小直径钢管伸入大直径钢管内，大直径钢管管壁嵌有紧固螺栓，当小直径钢管于大直径钢管内伸缩达到所需高度时将紧固螺栓拧紧挤压小直径钢管。
5.根据权利要求1-4所述的超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，其特征在于:小车包括小车底板、四个车轮和四根刚性杆件，每条轨道中有两个车轮，每个车轮通过一根刚性杆与小车底板的四个角连接，车轮可自由进出轨道并于轨道内滑行，刚性杆件与小车底板采用螺栓连接固定；小车底板具有一定的刚度与强度且中间留孔。
6.根据权利要求1-5所述的超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，其特征在于:小车底板选用钢板或者胶合板。
7.根据权利要求1-6所述的超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，其特征在于:超低温试验箱为圆筒形结构，在箱体底部对称的设有四个360度旋转轮，超低温试验箱的箱壁由内而外分为内部保护层、保温层、外部保护层，内部保护层可由铝合金或超低温06Ν 9钢制成，保温层可采用聚氨酯板制成，外部保护层可采用普通钢板制成；箱体分上盖与箱体下部两部分，上盖与箱体下部采用企口连接，并设有上密封垫片和下密封垫片，上密封垫片和下密封垫片采用三氟垫材材质；上盖密封开关可选择普通螺栓连接、强力电磁铁开关连接，上下两部分分别设有把手以方便箱体取放；超低温试验箱的箱壁横跨有固定式接线，固定式接线有内接线头和外接线头，内接线头和外接线头分别通过连接线与内部测量设备、外部测量设备相连，内部测量设备为超低温应变片、超低温温度感应器等，外部测量设备为各个参数的显示设备；超低温试验箱下部设有控制器，控制器用于调节单位时间内液氮的蒸发量从而控制箱体内部的温度，控制器通过电控线和液氮管分别于电控箱和液氮罐相连，进而形成温度的自动调节机制。
8.根据权利要求1-7所述的超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，其特征在于:箱体上下两端对称的设有开口，两端开口均内大外小呈锥形，两端开口处设有密封塞。
9.根据权利要求1-8所述的超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，其特征在于:在锥形孔的外端面有由外部保护层向孔内收缩形成的环箍，环箍用来限制密封塞的位移；锥形孔的内端面外侧形成箱体凸起，箱体凸起同样为箱体结构部分，箱体凸起外侧面为螺纹套丝，箱体凸起底面设有环形凸起；密封塞为锥形且大头端部形成钉帽，密封塞采用三氟垫材制成，密封塞通过碗形螺帽固定在箱体凸起上。
10.根据权利要求1-9所述的超低温环境下钢筋力学性能测试试验装置，其特征在于:碗型螺帽为超低温06Ni9钢制成，其中碗型螺帽的内侧面做成螺纹套丝，以便与箱体凸起通过螺纹连接；碗型螺帽的 内部底面设有环形凸起；碗形螺帽端面设有碗形螺帽留孔。
全文摘要
本发明涉及一种超低温环境下钢筋力学性能试验装置。试验装置包括万能拉力试验机、悬挂轨道式小车、超低温试验箱、液氮罐、电控箱和外部测量设备；悬挂轨道式小车悬挂于万能拉力试验机上端，超低温试验箱放置于悬挂轨道式小车上，液氮罐通过液氮管与超低温试验箱上的控制器相连，电控箱通过电控线与超低温试验箱上的控制器相连，外部测量设备通过连接线与超低温试验箱上的外接线头相连读取内部测量设备测得的数据。本发明试验箱与悬挂轨道式小车相互独立以便后续试验快速定位，减小操作周期；试验箱两端密封塞采用前阻和后拉结合固定，避免因为密封塞移位过大对钢筋产生过大的挤压力而影响实验结果；试验箱上盖与箱体下部采用企口连接进一步密封。
文档编号G01N3/18GK103091176SQ20121048309
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者程旭东, 李春宝, 李金玲, 孙连方, 彭文山 申请人:中国石油大学(华东)