一种检测构件力学性能的试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种在深冷环境下测试温度对材料或构件的力学性质影响的试验装置，特别涉及超低温下进行钢筋混凝土试件的力学性能测试的试验装置。

背景技术：

大型气体存储设施需要在低温环境运行工作。例如存储乙烯需在-103.7℃环境，存储LNG(液化天然气)需在-165℃环境。外太空的探索也涉及超低温的环境，例如月球表面最低温度达零下183℃。南北极极寒地区也是低温环境，最低温度达-80℃。随着人类社会的发展，对能源及其他材料的需求增加，如可燃冰的开采需要大量的存储设施；对外太空及极地的探索活动也不断的增加，因此对超低温环境下运行的材料需求也越来越多。

钢筋混凝土材料是常用的廉价的材料之一，在大型低温储罐中经常使用。温度对钢筋混凝土性能的影响及在超低温环境中钢筋混凝土的性能如何是我们建造超低温运行设施必须考虑的问题。为了解像钢筋混凝土这类材料在极端低温环境下的特性，需要在超低温环境下测试其力学性能，以及测试温度变化对材料或试件的力学性能影响。目前，针对极端温度环境下试件性能试验的装置，一般都由研究单位自行研制或委托有关工厂设计、制造。由于各单位确定研究的温度范围，试验内容和方法，以及试件的形状和尺寸等方面的差别，已有试验设备的配置和构造大相径庭，且在性能方面仍有不足。现具体总结如下：

Materials and Design发表的《Mechanical properties of normal strength mild steel and high strength steel S690in low temperature relevant to Arctic environment》以及《低温建筑技术》发表的《超低温环境下钢筋力学性能测试装置研制》，可以实现在温度箱内直接对试件加载试验。但受到温度箱体积及加载装置条件等方面限制，此类设备多用于对钢筋或钢绞线等的材料性能试验研究，难以针对钢筋混凝土等大型结构试件开展超低温环境下力学性能研究。

《低温建筑技术》发表的《超低温混凝土降温回温曲线的试验研究》中，提出了一套超低温加载环境系统，其中通过在超低温加载试验箱的上下面设置圆形加压口，使用自行设计制作的加压头传递外部力学试验机荷载，将试块放在箱内与压头接触进行压力试验。中国专利“一种用于力学试验的高低温装置” (专利号201410531129.5)，提出将高低温试验箱与力学试验机结合，将夹具与力学试验机相连，通过把耐高低温夹具连同所夹试件移入上下带口的高低温试验箱，由此实现高低温环境下试件的力学试验。这类装置虽然理论上可以实现对大型钢筋混凝土试件在低温环境下进行力学加载试验，但其存在的问题体现在：由于加压头或夹具直接与力学试验机相连，导致试验箱中温度变化时，加压头或夹具会将温度通过试件传递给力学试验机。尤其是针对超低温环境的模拟，从试验箱内部导出的超低温不但对力学试验机造成损害，还会降低试验箱内降温效率，导致通氮量增加，降温成本大幅度提高。

此外，上述已有设备还存在的问题为：极端温度与力同时调整作用下试件的应变值无法准确获知。由于通常材料的变形(应变)传感器无法在极端低温环境下工作，因此多采用间接方式测量极端温度作用下试件的应变值。比如在试件两端受力压头上各安装伸出试验箱的外伸臂，由此将试件的变形转移至温度箱外。这种间接测量方式，难以获得钢筋及混凝土最直观应变数据，给温度和力相互独立调整作用下钢筋混凝土截面应力重分布情况的精确研究造成障碍。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，提供一种用于极端低温度(可达-180℃)环境测试钢筋混凝土构件的力学性能和测试温度变化对钢筋混凝土构件力学性能影响的试验装置，用于解决了机械荷载加载和热荷载加载之间的相互耦合影响。

为达上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种检测构件力学性能的试验装置，包括：

工作舱，用于安置试验构件，所述工作舱内能够产生极端低温环境；

热加载系统，设置在位于所述工作舱一侧，用于对所述工作舱进行热载荷的加载；

内部机械荷载加载系统，设置在所述工作舱内部，与所述试验构件相连，用于向所述试验构件施加机械载荷；

外部机械荷载加载系统，与所述内部机械荷载加载系统，用于向所述内部机械荷载加载系统施加机械载荷；

温度控制系统，与所述工作舱相连，用于控制所述工作舱中的温度升降及保证温度的均匀度；

测试系统，与所述试验构件相连，用于测试所述试验构件的力学性能。

根据本实用新型提出的一种检测构件力学性能的试验装置，其中，所述热加载系统包括蒸发器、加热管和风轮，设置在所述工作舱一侧的混气舱的墙壁上，所述加热管用于提供所需的热量，所述蒸发器用于对工作舱内产生的水分进行蒸发，所述风轮在电机的带动下旋转以均匀分散热量。

根据本实用新型提出的一种检测构件力学性能的试验装置，其中，所述内部机械载荷加载系统包括：

加载夹具，用于夹持在所述试验构件的中间部位；

内部支撑，设置在所述试验构件的下方，所述内部支撑的两端分别向上设置有支座，用于支承所述试验构件的两端部位；所述内部支撑的两端还向下延伸出两支承柱，所述两支承柱穿出所述工作舱的外壳固定在两橡胶支座上；

内部传力装置，其通过一套杆与所述加载夹具相连，向所述加载夹具传递荷载。

根据本实用新型提出的一种检测构件力学性能的试验装置，其中，所述外部机械载荷加载系统包括与所述内部传力装置相连的外部传力装置，所述外部传力装置受到外部加载的机械荷载，从而向所述内部传力装置传递荷载。

根据本实用新型提出的一种检测构件力学性能的试验装置，其中，所述外部加载的机械荷载通过液压系统或者砝码实现。

根据本实用新型提出的一种检测构件力学性能的试验装置，其中，所述工作舱的底部外层设置有保温层。

根据本实用新型提出的一种检测构件力学性能的试验装置，其中，所述加载夹具为井字形夹具，其上侧为可转动的滚轴套杆，所述试验构件通过所述滚轴套杆支撑在所述内部支撑上。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型解决了以前类似的试验装置无法同时或单独调整热荷载和机械荷载问题。类似的试验装置在温度荷载对机械荷载有较大的影响。本实用新型的试验装置在热荷载施加时影响机械荷载，机械荷载施加时不影响热荷载，因此热荷载和机械荷载相互独立，没有耦合。类似的试验装置热荷载和机械荷载间有耦合效应。

2、本实用新型试验装置在试验过程中，在施加热荷载或施加机械荷载时不必移动试验构件或试验构件的环境，保证了试验结果的准确性。

3、类似的试验装置主要是进行试件试验，本实用新型的试验装置可进行构件试验。构件的尺寸远远大于试件的尺寸。在尺度上与实际构件在同一量级。

4、测试系统可以测试在极端温度环境下温度和机械荷载改变过程中，构件上的一些力学响应的过程曲线。便于研究极端温度环境下构件的力学性能及温度对构件的力学性能的影响。

附图说明

图1是对受弯试件加载及测试的超低温试验装置的结构示意图；

图2是对轴拉试件加载及测试的超低温试验装置的结构示意图；

图3(a)和(b)分别为受弯加载夹具与内部传力装置上端头的连接结构平视图和侧视图；

图4(a)和(b)分别为轴拉加载夹具与内部传力装置上端头的连接结构平视图和侧视图；

图5(a)和(b)分别为内部传力装置的平视图和侧视图；

图6(a)和(b)分别为外部传力装置的平视图和侧视图；

图7是内部传力装置与外部传力装置的连接剖视图；

图8是内部支撑柱脚与外部支撑装置之间的支承连接剖视图。

附图标记说明：

1-工作舱；2-加载夹具；3-试件；4-内部支撑；5-内部传力装置；6-保温层；7-外部传力装置；8-橡胶支座；9-应变计；10-测试电缆；11-数据量测和记录装置；12-配重砝码；13-数据采集系统支撑；14-外部支撑；15-内部传力装置穿出孔洞；16-内部支撑柱穿出孔洞；17-测试电缆穿出孔洞；18-搅拌电机；19-特制蒸发器；20-加热管；21-搅拌风轮；22-混气舱；23-大地；24-内部反力架。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1至图8。本实用新型提出的检测构件力学性能的试验装置由极端低温环境的工作舱、热荷载加载系统、温度控制系统、内部机械荷载加载系统、外部机械荷载加载系统和测试系统等几部分组成。工作舱是供试验构件进行安装和测试的部位，热荷载加载系统用于对试验构件进行热荷载加载，温度控制系统用于对工作舱内温度进行控制，进一步地，机械加载系统用于对试验构件进行机械荷载加载。从而实现对试验构件在极端低温环境力学性能试验和温度变化对试验构件的力学性能的影响试验。

具体而言，热加载系统由液氮罐(图中未示)，绝热管(图中未示)，蒸发器19、加热管20，搅拌电机18、搅拌风轮21等组成。为了防止对试验构件形成热冲击及低温过冲，将蒸发器19、加热管20布置在混气舱22内，通过搅拌电机18和搅拌风轮21对工作舱1进行热荷载加载。搅拌风轮21可以保证工作舱1内温度分布均匀，还能有效提高试验构件3的热交换效率。温控系统(图中未示)由控制程序、控制阀组，控制系统、热电偶等组成，由温控系统来保证工作舱1内的温度及降温或升温的速率及温度的均匀度。

内部机械荷载加载系统设置在工作舱1内，试验构件3安装在内部机械荷载加载系统上，并通过该系统对试验试件3施加机械荷载。内部机械荷载加载系统包括内部反力架24、内部支撑4，加载夹具2，内部传力装置5等。内部支撑4与外部支撑14之间设置隔热保温层6，以保证机械力的传递，避免发生热传递。内部传力装置5与外部传力装置7之间也设置隔热保温层6，以保证机械力的传递，避免发生热传递。计算表明，合理的设计内部支撑4与外部支撑14 及内部传力装置5与外部传力装置7之间的隔热保温层，可以有效的降低热交换，热交换功率可控制在几瓦范围内，并可以保证力载荷的传递。

由于极端低温环境对材料的性质有很大的影响，本实用新型采用内部机械荷载加载系统，可以减少特殊材料的使用量，减少液氮的使用量，保证加载系统不受温度的影响。内部机械荷载加载系统的不同布置可实现试验构件的弯曲，轴拉，和轴缩试验。弯曲试验时，受弯加载夹具2为井字形，将试件3穿入“井口”，井字形夹具上侧为可以转动的辊轴套杆，试件3两端通过辊轴支承在内部支撑4上。轴拉试验时，轴拉加载夹具设计为小型反力架与下拉夹头两部分，下拉夹头夹住试件下端并与内部传力装置5相连，反力架自带夹头夹住试件3 上端并整体支撑在内部支撑4上。

外部机械荷载加载系统通过保温层6与内加载系统连接并传力，可有效隔断温度的影响，外加载系统的各构件均在常温环境工作。工作舱1内的温度变化对外部机械荷载加载系统不产生影响，外部机械荷载的变化也不会对工作舱1 内的温度产生影响。在试验过程中对热荷载和机械荷载可以同时改变，也可单独改变。加载的机械荷载可由液压系统实现，也可由砝码系统实现。本发明装置中采用砝码12实现机械荷载加载。由于采用砝码12，可以实现机械荷载恒定状态下，温度变化对试验构件3的力学性质测试。

试验装置的测试系统由应变计9，热电偶(图中未示)，测试电缆10，测试孔17、电桥盒(图中未示)，数据采集仪11等组成。应变计9和热电偶布置在测试的试验构件3上，通过测试电缆10将测试信号与工作舱1外的数据测量和记录装置11以及数据采集系统支撑13相连。测试电缆10通过测试孔17 引出，测试孔17处设置硅橡胶封堵，以保证工作舱7的隔热性能。

以下是超低温环境下对试件3进行受弯加载试验的步骤：

(1)先将受弯试验构件3用加载夹具2套好，打开试验装置工作舱1，通过吊车将受弯试验构件3及加载夹具2安放于工作舱1内指定位置；(2)如图 4所示，将加载夹具2与内部传力装置5上端头通过套杆连接，关闭工作舱门； (3)在配重区加设一定数量的配重砝码12，此时试验构件3承受三点弯荷载作用，其中配重砝码12的自重通过外部传力装置7、内部传力装置5、夹具2传递给试验构件3形成跨中集中力；试验构件3两端支座反力则由内部支撑4提供，内部支撑柱通过工作舱外支承在橡胶支座8上，从而将支反力传递给外部支撑14，并最终传递给大地，参见图1。本实用新型的整个传力路径避开温度试验箱箱体，从而避免了施加配重荷载对超低温试验箱箱体的影响。(4)通过变温和温度控制系统调节工作舱1内的温度至指定温度，超低温工作舱内随之降温，此时由于工作舱1的内部传力装置5与外部传力装置7之间、内部支撑与外部支撑间分别加设了硅橡胶保温层6，参见图7、图8，从而保证工作舱1 与外部隔热。(5)通过数据量测和记录系统11，可以实时获得在指定配重荷载作用及温度作用下，试验构件3同一截面不同测点位置处的应变情况及温度变化等数据。

对轴拉试验构件加载及测试的具体实现步骤也与上述步骤类似，这里不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。