一种模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，由冲击振动作动器、试件支座与支撑系统等构成，试件支座7处于所述作动器系统的下方，所述的试件支座7上设有与所述的作动器下端（加载作动压头4）对正的试件盒5。本发明是一种对混凝土的动态力学性能进行试验测试评价，具有简单、实用和有效的特点，能较好地实现对冲击、振动动载重复作用条件下铁路轨道/公路路面材料抗力的模拟试验。
【专利说明】一种模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种试验装置，特别是涉及一种混凝土类材料经受冲击、振动动载重复作用性能的试验测试方法与评价技术的装置。
【背景技术】
[0002]混凝土具有原料丰富、价格低廉、生产工艺简单、耐久性好等特，是当今世界上最大宗的土木工程材料之一。然而，混凝土类材料也存在显著的缺陷，如脆性大、易开裂、吸能减震性能差等。
[0003]随着现代经济社会发展，混凝土基础设施以及各类大型复杂建筑结构日益增多，人类活动日益频繁，地震等自然灾害也时有发生，各类混凝土结构遭受振动等动荷载作用的情形越来越多，如我国大规模的高速公路、高速铁路、桥梁、机场以及工厂等结构构件均在服役过程中不同程度地承受周期重复的动荷载作用，而一些新型结构如高层建筑、重力式海洋平台、核电站混凝土保护层等还将承受地震荷载、风荷载、波浪荷载等的作用。除了这些外加荷载的作用外，环境的变化(如温度的变化，冻融循环)都会在材料或结构内部产生交变的应力，使其承受重复荷载的作用。在这些重复荷载作用下，混凝土结构(或结构构件)的各部位将承受重复应力和应变，很容易导致其过早失效，从而造成重大损失。因此，不少相关研究者在如何减少混凝土脆性、改善混凝土抵抗动载重复作用性能等方面做了不少工作[1-3]。
[0004]试验测试与评价手段是发展包括水泥混凝土在内的新材料的重要前提，国内外为此做了很多工作，也取得了不少成果。我国在结构试验和加载检测技术的发展经历了几个阶段[4]。就水泥混凝土材料而言，已初步形成了对混凝土材料基本性能的试验方法标准体系。然而，对于混凝土动态性能的试验测试方法还比较缺乏，特别是一些能模拟不同作用频率下的重复动载作用的试验测试设备不多见。目前，已有的一些动载测试方法主要限于较低频率下的疲劳试验、霍普金森压杆高速冲击试验、落锤试验以及采用CT扫描的动载测试等[5-7]，霍普金森压杆试验、落锤试验基本都是测试评价试样的抗高速冲击动荷载的性能，而已有的疲劳试验机限于在较低频率的重复动载作用，难以试验模拟在如高速列车运行过程对钢轨以及轨下混凝土结构的冲击、振动作用，因此有必要研制一种简单实用和有效模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，从而为有效测试评价材料(构件)抵抗上述作用条件下的性能提供手段。
[0005]鉴于上述，本发明拟结合我国已建和将建大规模高速铁路建设发展的重大需求，针对闻速铁路基础结构关键材料遭受:闻速列车重复动载的实际情况，研发一种能够有效的模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，以实现对遭受上述动载重复作用的材料(结构构件)的抗力进行试验测试评估，从而实现合理选材，确保结构服役安全和耐久。参考文献:
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[0009][4]李炳生，汤海林，张其林.结构试验与加载检测技术的发展及其应用[J].结构工程师，2011,27 (SI):69-74。
[0010][5]代仁平，郭学彬，宫全美，等.隧道围岩爆破损伤防护的霍普金森压杆试验[J].岩石力学，2011，32 (1):77-83。
[0011][6]马建坡，方亮，吉嘉龙.落锤试验试样厚度尺寸效应对TNDT的影响[J].材料开发与应用，2004，19 (I):5-8。
[0012][8] 丁卫华，陈厚群，尹小涛，等。类岩石材料CT动载试验装置的关键技术研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28 (8):1620-1627。
【发明内容】
[0013]本发明所要解决的技术问题是提供一种对混凝土的动态力学性能进行试验测试评价，并能较好模拟冲击、振动动载重复作用的模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置。
[0014]为了解决上述技术问题，本发明提供的模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，由冲击振动作动器系统、试件支座与支撑系统构成，所述的试件支座处于所述的冲击振动作动器系统的下方，所述的试件支座上设有与所述的冲击振动作动器系统的下端对正的试件盒。
[0015]所述的冲击振动作动器系统由两台荷载可调变频振动电机、加载作动压头、稳定限位杆和钢板组成，所述的荷载可调变频振动电机对称安装固定在所述的钢板上，所述的加载作动压头设置在所述钢板的底部，所述的稳定限位杆固定安装在所述的支撑系统上对所述的加载作动压头进行稳定限位，所述的钢板滑动安装在所述的支撑系统上。
[0016]所述的试件盒由尺寸为长X宽X高为520mmX 155mmX 155mm的无盖长方体高强度钢质板材加工制成，并在两侧板上设置限位隔板，保证试件放置与固定。
[0017]所述的支撑系统上设有启动计时系统，所述的启动计时系统与所述的荷载可调变频振动电机电相连。
[0018]所述的支撑系统上设有卷扬机，所述的卷扬机的钢索与所述的钢板连接。
[0019]所述的支撑系统上设有启动计时系统，所述的启动计时系统与所述的振动电机电相连。
[0020]所述的支撑系统由门形支架和底座组成，所述的门形支架包括两个竖向杆、安装在所述的竖向杆上的横梁。
[0021]所述的钢板两端以虎口的形式嵌套于所述的竖向杆上。
[0022]采用上述技术方案的模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，为有效实现对实际铁路、公路类结构(构件)在机械冲击、振动和水温等耦合作用下所经受的重复拉压破坏应力作用的模拟，采用IOOmmX IOOmmX 400mm的抗折试件作为标准试件进行试验,试件底部支座跨距为300mm，并将跨距平均分为3等份，加载压头作用面积为IOOmmX 100mm，压头作用于跨中部分，在跨中IOOmm长度范围形成均布荷载作用；试件底部支座和试件均置于试件箱中，试件箱可密封并且不透水，便于进行饱水试件和动载耦合作用下的加载试验。加载压头与作动系统的钢板底部中央连接，保证作动系统动载作用力的有效传递。
[0023]本发明试验装置的启动计时系统用于控制该试验装置的工作时间，计时系统与外部电源、作动系统等直接相连，计时系统开启，作动系统即开始工作，并开始计时。便于研究不同动载重复作用时间条件下材料试件的性能变化规律。
[0024]通过上述试验装置，可容易测试得到材料试件经受不同频率、不同次数冲击、振动动载重复作用条件，并通过比较作用前后材料试件性能的变化，可判断和评价材料试件抗动载重复作用性能，实现合理选材之目的。
[0025]综上所述，本发明是一种对混凝土的动态力学性能进行试验测试评价，能较好模拟冲击、振动动载重复作用(或动载与水等环境耦合作用)的模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0028]参见图1，支撑系统由门形支架8和底座11组成，门形支架包括两个竖向杆13、安装在竖向杆13上的横梁12，钢板3两端以虎口的形式滑动嵌套于竖向杆13上。两个相同荷载的荷载可调变频振动电机2并列安装固定在钢板3上，钢板3的底部设有加载作动压头4，作动压头4由安装在支撑系统竖向杆上的稳定限位杆6进行稳定限位，一个试件支座7处于钢板3的下方，试件支座7上设有与加载压头4对正的试件盒5，支撑系统上设有卷扬机1，卷扬机I的钢索9与钢板3连接，支撑系统上设有启动计时系统10，启动计时系统10与荷载可调变频振动电机2电相连。
[0029]参见图1，由两个相同的荷载可调变频振动电机2、钢板3、加载作动压头4和稳定限位杆6组成冲击振动作动器系统，荷载可调变频振动电机2通过高强螺栓并列安装固定在钢板3上，钢板3两端端以虎口的形式嵌套于两竖向杆13上，从而保持作动系统的稳定性。开始工作时，两个荷载可调变频振动电机2形成一定振幅的竖向连续的激振荷载，带动与钢板3固定连接的加载压头4对试样进行周期性的竖向冲击、振动作用，通过调整荷载可调变频振动电机2的频率，可以控制冲击、振动荷载的作用频率。
[0030]将试件置于安装在试件支座7上的试件盒5内，并安装好限位隔板对试件进行限位固定。为有效实现对实际铁路、公路类结构(构件)在机械冲击、振动等动载作用下所经受的重复拉压破坏应力作用的模拟，采用IOOmmX IOOmmX 400mm的抗折试件作为标准试件进行试验，试件底部支座跨距为300mm，并将跨距平均分为3等份，加载压头4作用面积为IOOmmX 100mm，加载压头4作用于跨中部分，在跨中IOOmm长度范围形成均布荷载作用；试件底部支座和试件均置于试件箱5中，试件箱5可密封并且不透水，便于进行饱水试件和动载耦合作用下的加载试验。加载压头4与钢板4底部中央连接，保证动载作用力的有效传递。
[0031]本发明装置的门形支架8的两个竖向杆13通过地脚螺栓安装在固定地面上，门形支架8确保整个装置的稳定，卷扬机I的钢索9与钢板3连接，用于起吊钢板3，便于钢板3的位置调整等，钢质底座11安装于坚实平整地面上，置于门形支架8中央，钢质底座11上安装尺寸为600mmX400mmX500mm钢筋混凝土结构做为试件支座7，试件支座7上表面平整，并镶嵌15mm厚的钢板(长X宽为500mmX 400mm),用于支撑试件盒5。
[0032]本发明试验装置的启动计时系统10用于控制该试验装置的工作时间，启动计时系统10与外部电源、荷载可调变频振动电机2等直接相连，启动计时系统10开启，荷载可调变频振动电机2即开始工作,并开始计时。
[0033]通过上述试验装置，可容易测试得到材料试件经受不同频率、不同次数冲击、振动动载重复作用条件，并通过比较作用前后材料试件性能的变化，可判断和评价材料试件抗动载重复作用性能，实现合理选材之目的。
[0034]测试装置的科学性、有效性及其与现有测试方法的比较:
[0035]本试验装置是基于大规模交通基础设施经受交通机械冲击、振动等动载重复作用的实际和研究实践成果而设计提出的，未见有相似的试验装置。本装置的作动系统采用两个荷载可调变频振动电机2，产生一定频率和振幅的竖向连续作用力，联合加载系统达到对材料试件实施压重复拉应力作用，很好地模拟了基础设施如高速铁路轨道(公路路面)在交通荷载下的受力行为，从而实现对不同频率、不同作用次数动载重复作用条件下材料性能的测试与评价，同时加载系统还可以保证饱水条件试件的测试，因而本试验装置具有科学性、合理性和独特性。
[0036]测试装置的敏感性:
[0037]实践表明，本试验测试装置的敏感性高。试验通过改加载次数、加载荷载大小及速率等参数，可以测试得到不同材料试件的抗冲击、振动等动载重复作用的性能。对于脆性较高的混凝土材料均可以采用本实验装置进行测试，并且得出可靠的实验数据，避免了现有试验方法中对脆性较高的混凝土材料测试结果不敏感或对韧性较高的混凝土材料测试时间过长的不利影响。
[0038]A、发明的优点和积极效果。本发明结合实际，研发一种可以较好地模拟大规模基础设施结构材料经受冲击、振动动载重复作用的试验测试装置，达到合理选材，确保结构满足设计服役寿命要求的目的，填补了相关试验设备空白，满足了迫切需求，具有重要的科学价值和现实意义。
[0039]B、本发明试验装置设计具有科学性和独特性，通过两台振动电机产生的一定振幅的竖向冲击、振动作用力，联合加载系统达到给试验试件施加重复拉压应力的作用，有效模拟了实际基础设施如铁路轨道(公路路面)在交通机械动荷载作用下承受的拉压破坏应力作用，真实反映材料试件实际的受力状况，从而使结果更具科学性和有效性。
[0040]C、本发明试验装置的试验方法操作简单、工作效率高、试验过程规范、试验结果可靠性高、试验数据离散性小，避免了以往方法的弊端，节约了人力、物力。
[0041]实施例:
[0042]见图1所示，具体试验测试实例如下:
[0043](I)准备好待测试件，检查试验装置是否正常；
[0044](2)开启卷扬机1，将作动系统起吊至一定高度，以便于试验试件的安装；
[0045](3)将待测的试验试件安置在试件支座上的试件盒5中，并根据待测试件尺寸安装好限位隔板；并重新启动卷扬机1，将作动系统的钢板3的底面中央与加载压头4重叠并作用于试件跨中部分，形成均布作用荷载。
[0046](4)若需做动载一水耦合作用试验，在试件盒5中注满水或进行试件饱水，其余与步骤(3 )相同；
[0047](5)打开启动计时系统10，进行动载重复作用测试；
[0048](6)根据试验工况，确认试验结束，并关闭启动计时系统10，记录试验时间；
[0049](7)取下试验试件，对经受动载重复作用的试件进行相应的性能测试，并与未经动载重复作用试件的相应性能进行对比，获得该试件材料经受动载重复作用后的性能衰减参数，从而可评判相应材料抵抗动载重复作用的性能。
【权利要求】
1.一种模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，由冲击振动作动器系统、试件支座(7)与支撑系统构成，其特征是:所述的试件支座(7)处于所述的冲击振动作动器系统的下方，所述的试件支座(7)上设有与所述的冲击振动作动器系统的下端对正的试件盒(5)。
2.根据权利要求1所述的模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，其特征是:所述的冲击振动作动器系统由两台荷载可调变频振动电机(2)、加载作动压头(4)、稳定限位杆(6)和钢板(3)组成，所述的荷载可调变频振动电机(2)对称安装固定在所述的钢板(3)上，所述的加载作动压头(4)设置在所述钢板(3)的底部，所述的稳定限位杆(6)固定安装在所述的支撑系统上对所述的加载作动压头(4)进行稳定限位，所述的钢板(3)滑动安装在所述的支撑系统上。
3.根据权利要求1或2所述的模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，其特征是:所述的试件盒(5)由尺寸为长X宽X高为520mmX 155mmX 155mm的无盖长方体高强度钢质板材加工制成，并在两侧板上设置限位隔板，保证试件放置与固定。
4.根据权利要求1或2所述的模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，其特征是:所述的支撑系统上设有启动计时系统(10)，所述的启动计时系统(10)与所述的荷载可调变频振动电机(2)电相连。
5.根据权利要求1或2所述的模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，其特征是:所述的支撑系统上设有卷扬机(I)，所述的卷扬机⑴的钢索(9)与所述的钢板(3)连接。
6.根据权利要求1或2所述的模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，其特征是:所述的支撑系统由门形支架(8)和底座(11)组成，所述的门形支架(8)包括两个竖向杆(13)、安装在所述的竖向杆(13)上的横梁(12)。
7.根据权利要求1或2所述的模拟冲击、振动动载重复作用的试验装置，其特征是:所述的钢板(3)两端以虎口的形式嵌套于所述的竖向杆(13)上。
【文档编号】G01N3/32GK103499500SQ201310499061
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】龙广成, 马昆林, 谢友均 申请人:中南大学