混凝土开裂全过程仿真试验机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水利水电工程技术领域，涉及一种基于真实环境的混凝土开裂全过程 试验方法以及采用该方法的试验机，更具体地，涉及大体积混凝土的开裂全过程仿真试验 的装置。
【背景技术】
[0002] 长期以来，"无坝不裂"一直是未能解决的世界难题，裂缝的出现影响着大坝结构 的外观、性能和安全，最终影响到人民的生命财产。如何减小甚至防止裂缝的产生就成为工 程建设者必须考虑的问题。随着相关领域理论及技术研究的进步，大坝混凝土裂缝的研究 工作取得了较明显的进展，特别是大体积混凝土温控防裂工作，目前已形成了相对完善的 基础理论与方法体系。但鉴于水利水电工程的复杂性，特别是所在地区环境的恶劣性，大坝 混凝土裂缝问题仍然没有彻底解决。
[0003] 导致混凝土产生裂缝的因素很多，结构、材料和施工因素均有可能成为裂缝出现 的诱因，但是对于大坝而言，特别是在大温差高海拔地区修筑的大坝，周围气象环境逐渐成 为温控防裂控制的重点因素。大气环境不但把整个混凝土工程实时包围着，而且大气环境 的变化无常也对工程产生重要的影响，特别是周围环境的温度、湿度、降雨、风速和太阳辐 射等因素，严重影响着混凝土裂缝的产生，大气环境影响因素对混凝土裂缝产生的影响规 律如何，其影响程度又有多大，目前还没有定论。因此，研制基于真实环境的混凝土开裂全 过程试验机和方法就成为大坝混凝土工程建设所需。
[0004] 另外，目前，现有技术中对于试件位移或变形测量上存在很多不足之处：
[0005] 1.多数测量装置采用间接测量方式或应变片测量试件变形，其精度难于令人满 Ο
[0006] 2.对于诸多试验机，要对于试件在各种仿真环境中进行试验，各种环境对于位移、 变形的测量精度带来很大影响，使得测量精度不高。
[0007] 3.现有技术中，对混凝土材料开裂研究方面，目前多采用温度应力试验设备，无法 准确测量出早期混凝土开裂的变形量，分析和评价混凝土的开裂趋势，未达到研究的理想 效果。
[0008] 4.现有的试件位移或变形测量装置，限于各种位移变形传感器的标距多在200mm 以下，对于长度在1米以上的试件，难于对试件的变形或位移给出精确合理的测量。
[0009] 再有，现有技术中的试验机，试件加持部件为刚性部件，对中性差
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于改进现有混凝土温度应力模拟和裂缝研究中的局限和不足，提 供一种从试验角度出发，对混凝土的温度和应力等因素在多变环境条件下的发展全过程进 行试验的混凝土开裂全过程仿真试验机。
[0011] 本发明的技术解决方案是：
[0012] 本发明提供的混凝土开裂全过程仿真试验机，包括一底座，在该底座上设置有：
[0013] -环境箱，至少具有四壁和上盖，形成一个封闭的空间，与周围环境隔开；
[0014] -混凝土试件容置装置，其设置在该环境箱中，其包括固定夹头、活动夹头、试件 中部固定侧模板，三者拼合构成一个上端敞口或者上下端均敞口的混凝土试件容置空间， 所述固定夹头固定设置在该环境箱中，所述活动夹头可沿所述混凝土试件容置空间的长度 方向的轴线移动地设置，所述侧模板置于固定夹头和活动夹头之间；
[0015] 在所述环境箱或者所述环境箱和混凝土试件容置空间设置温度传感器和湿度传 感器；
[0016] -真实环境模拟系统，其至少包括一温度调节装置，其为加热和/或降温装置，其 设置在所述环境箱和混凝土试件容置装置上以提供至少在温度上模拟设定的的真实环境；
[0017] 一加载系统，包括一反力框架、一传动装置和一带有减速机的伺服电机，所述反力 框架设置在所述底座上，该传动装置包括一滚珠丝杠加载装置，该加载装置上连接丝杠作 直线运动的从动件连接约束轴，该约束轴通过所述环境箱的侧壁进入环境箱与所述活动夹 头连接而使得该活动夹头位置固定或在所述轴线方向移动，该加载装置中的主动件丝杠固 定在该反力框架上;所述伺服电机设置在所述反力框架上，连接所述丝杠;该伺服电机构成 加载执行机构，所述减速机为蜗轮减速机，所述约束轴采用因瓦钢(殷钢)制造；
[0018] 在所述活动夹头或与活动夹头连接的部件上设置位移/变形传感器感知混凝土试 件的变形；
[0019]在所述珠丝杠加载装置上设置应力传感器感知试件承受的负荷。
[0020] 与所述试验机相配地，还包括一计算机，该计算机通过数据线与一控制系统连接， 该控制系统包括:控制主试验机真实环境模拟系统各执行机构动作的控制单元;和主试验 机中控制混凝土试件加载系统中所述伺服电机动作的控制单元；
[0021] 所述计算机还通过数据线所述监测环境参数的温度传感器的信号输出端；
[0022] 所述监测混凝土试件的位移/变形的位移/变形传感器的信号输出端；
[0023]所述监测试件应力的应力传感器的信号输出端相连；
[0024] 所述控制系统的控制信号输出端与各执行机构的控制端相连。
[0025] 温度控制单元接受计算机的指令，控制执行机构即加热/冷却装置工作，使得混凝 土试件容置空间也可以包括环境箱的温度符合设定的参数。
[0026] 位移/变形控制单元和加载控制单元一起控制执行机构即加载系统中的所述伺服 电机。
[0027]计算机中的数据处理系统计算出混凝土试件在所述模拟的真实环境中的包括约 束应力、自由变量、弹性模量、变形分离、徐变中至少一种结果并输出。
[0028] 包括设置在环境箱内的岩石变形传感器和设置在试件中的两个预埋件，在预埋件 上设置石英测杆，该测杆一端与靠近固定夹头一侧的预埋件固定，另一端设置在靠近活动 夹头一侧的预埋件上且可相对该预埋件沿试件轴向滑动，所述石英测杆与岩石变形传感器 对应，以通过岩石变形传感器(岩石引伸计)测量石英测杆的位移，直接测量试件的变形量； 和/或，
[0029] 包括设置在所述环境箱外面的光栅传感器和在试件中设置的预埋件上安装的伸 出杆，在所述环境箱壁上开孔，该伸出杆伸出所述环境箱与安装在环境箱外部的光栅传感 器对应，以测量预埋件上的伸出杆的相对位移，测量试件变形量。
[0030]所述容置空间的横截面形状为:两端是宽度较大长度较短的头部，中间是宽度较 小长度较长的中间段，所述头部和中间段通过锥段连接过渡;所述固定夹头和活动夹头与 试件中部固定侧模板之间的拼接缝位于该容置空间的中间段范围内。
[0031 ]所述的两个预埋件最好是设置在相对于所述头部的试件中。
[0032] 在每个预埋件上的伸出杆为两根，横向从环境箱的两相对侧壁上伸出，与设置在 环境箱外面的两个光栅传感器对应。以此，可以更精确地检测试件的变形，消除测量误差。
[0033] 为了固定位移/变形传感器而在试件中设置的预埋件，其包括设置在试件混凝土 中的埋入部分、露出在混凝土试件表面的盘体和卡座，所述埋入部分为一板体，该板体的板 面垂直于所述混凝土试件容置空间的所述轴线，与埋入部分固连的盘体的盘面与所述埋入 部分的板体板面垂直，在该盘体上设置卡座与连接所述温度传感器的石英测杆的支撑杆构 成匹配卡固结构。
[0034]进一步地，所述试件容置固定装置还可以包括一个上模板，其封闭所述混凝土试 件容置空间的所述上端敞口。
[0035] 所述侧模板和所述活动夹头和/或固定夹头之间的接缝留有间隙，该间隙包括侧 模板的端头与所述活动夹头之间的间隙，以保证试件在压缩时侧模板与活动夹头不抵触， 还包括侧模板的侧面与固定夹头和活动夹头之间的间隙。
[0036] 所述侧模板可横向移动地设置在该环境箱中。
[0037]在使用中，可以将混凝土直接浇注到所述混凝土试件容置空间中形成试件，也可 以将制成的与该试件容置空间形状匹配的试件置于所述混凝土试件容置空间中。
[0038] 设置在所述环境箱中的所述气温控制系统中的加热和/或冷却装置可以是设置在 所述环境箱的箱壁中或封闭的空间中，所述箱壁具有中空腔室，和/或，设置试件容置固定 装置中的所述固定夹头、活动夹头和侧模板至少其一具有中空腔室；
[0039] 各所述中空腔室设置进口和出口与所述加热和/或降温装置的介质通道连通，所 述执行机构可以是在该加热冷却装置的介质通道上设置的电加热线圈或驱动加热或降温 的介质流动的输送栗，用于在试验中根据需要提供热能或冷能。
[0040] 在本发明中，模拟真实环境系统中主要的气温控制系统，可以有两部分，一部分是 在环境箱体上设置，另一部分在试件容置固定装置上设置。在环境箱上设置，更多的是模拟 真实环境中的气温，而在试件容置固定装置上设置，能在短时间内模拟出真实环境中例如 混凝土大坝的温度。现有技术中的试验机中都没有如此全面的气温控制系统。
[0041] 在本发明中，能够直接将混凝土直接浇注在试件容置固定装置的混凝土试件容置 空间中，这样，就可以在模拟的真实环境中测试混凝土从稀态到凝固再到硬化完整过程的 膨胀变形和应力的变化，这样，对于例如大坝从浇筑、凝固到硬化过程的应力、应变在不同 环境条件下都可以进行测试，获得全面的数据，为大坝的设计、施工提供宝贵的信息。现有 技术中的试验机都没有想到也做不到这种完整过程的测试。当然，本发明提供的试验机中 的试件容置固定装置也可以对已经制成的混凝土试件进行测试。
[0042] 所述约束轴与所述活动夹头之间的连接结构为铰接连接。由此，使得连接球铰座 可在一定范围内自由转动，避免加载时对试件产生扭转载荷，对偏心具有微调功能。
[0043]具体地，所述约束轴的端头为球头，所述活动夹头上设置的球铰座为两半式结构。
[0044] 具体结构为:所述球铰座包括前球座和后球座，所述前球座固定在所述固定夹头 和活动夹头的两端面上，后球座通过预紧螺栓固定在前球座上，前球座和后球座构成容纳 约束轴端部球头的球面空间，且前、后球座配合平面处预留一定间隙，用于在安装时可通过 调整预紧螺栓的预紧力大小，保证球头与球座的连接球面没有间隙，避免拉、压加载切换时 产生空程影响。
[0045] 本发明提供的计算机控制系统基本上为现有技术，在其中实现如下功能：当由于 试件在模拟的真实环境中变形而推抵所述活动夹头时，应力传感器采集到应力，通过数据 处理系统和数据输出系统的信号输出端与动力装置连接而启动动力装置驱动活动夹头移 动直到应力传感器上感测的应力降低到零，所述动力装置停止。
[0046] 这样的结构可以使得本试验机实现自由变量等试验。
[0047] 还有就是在自由变量之后，启动动力装置驱动活动夹头移动而缩小变形量，由所 述位移传感器获得位移量，由所述应力传感器获得相应的应力值。
[0048] 所述真实环境模拟系统除了所述的气温调节装置之外，还可以包括设置所述环境 箱中的至少一种调节装置:湿度调节装置、太阳辐射调节装置、降雨调节装置、风速调节装 置，相应地，还包括如下传感器中的至少一种:湿度传感器、太阳辐射传感器、降雨传感器和 风速传感器，其与所述计算机连接，所述控制系统连接的所述执行机构。
[0049] 具体地，可以在所述环境箱的箱壁上设孔，连接管路，该管路连接送气、送汽、送风 和喷水装置中的至少一种，相应地构成湿度调节装置、降雨调节装置和风速调节装置;和/ 或，所述环境箱的箱壁上设孔，在孔中设置模拟太阳照射的灯具构成太阳辐射调节装置。
[0050] 各个执行机构与所述控制系统关联使得模拟出设定的真实环境。
[0051] 各个所述调节装置还可以是自成体系，例如温度调节装置，包括加热控制器、温控 仪，其连接加热元件和温度传感器而实现加热功能。这样，可以简化控制系统的结构。
[0052]进一步地，所述框架为包括两个横梁和两个立柱构成的矩形的框架，一个固定横 梁固定在所述固定夹头一侧的所述底座上，两个所述立柱平行地固连所述固定横梁位于所 述环境箱两侧，一个微动横梁设置在所述活动夹头一侧的所述底座上，与所述立柱连接，所 述动力装置设置在该微动横梁上，由此形成反力框架，所述直线运动机构穿过该微动横梁 与活动夹头连接，所述位移/变形传感器和所述应力传感器的支撑部分直接或间接地固定 在所述底座上。
[0053]本发明提供的框架，两个横梁一个固定在所述底座上形成固定横梁，另一个只是 设置在所述底座上与该底座没有固定结构形成微动横梁，且加载系统设置在微动横梁上。 [0054]这样，当加载系统向试件施力时，框架会承受很大的应力且可能会有很小的变形， 但这种力和变形不会传给底座。因此，位移传感器和力传感器的测量精度不受框架变形的 影响，保证很好的测量精度。
[0055] 所述约束轴可以用因瓦钢4J36制造。
[0056]所述立柱的材料和截面尺寸为:保证其刚度为承受混凝土最大的强度应力的5-20 倍的力而不变形，或者刚度K大于等于2MN/mm;和/或，保证其温度稳定性为在试验的温度范 围（例如-20-80°C)内时其温差变形小于10微米。
[0057]本发明提供的所述框架，采用立柱横梁式，结构稳定，加之其中的立柱具有足够的 刚度和温差变形稳定性，可以很好地保证试验的精度。
[0058] 进一步地，所述环境箱的所述箱盖上设置视窗，使得试验过程可视化。
[0059] 所述动力装置选用伺服电机，连接蜗轮减速机传动机构。这样使控制精度、反馈速 度、效率大提高。
[0060] 在所述底座还设置一提升机构，在所述试件容置固定装置中设置一个底板用于放 置试件或在其上浇注试件，该底板连接该提升机构，通过运行该提升机构，能够将试件从混 凝土试件容置空间中移入或移出。
[0061 ]本发明提供的试验机中还可以包括一辅助试验机，该辅助试验机包括一个试件容 置腔用于放置与所述主试验机中试验的试件相同的试件，该试件容置腔中设置所述温度调 节装置，或者设置所述温度调节装置以及如下调节装置中的至少一种:湿度调节装置、太阳 辐射调节装置、降雨调节装置和风速调节装置;该试件容置腔中设置温度传感器，还设置如 下传感器中的至少一种:湿度传感器、太阳辐射传感器、降雨传感器和风速传感器，各个所 述传感器与所述计算机连接，该控制系统连接所述调节装置而调节所述试件容置腔内环境 参数与所述主试验环境箱相同；该试件容置腔中还设置位移/变形传感器以感知试件的变 形。
[0062] 在辅助试验机中设置的位移/变形传感器可以与主试验机中相同。
[0063] 所述控制系统还包括控制所述辅助试验机中真实环境模拟系统各种所述执行机 构动作的控制单元。
[0064] 与主试验机中一样的试件放入试件容置腔内，使得试件可自由变形。辅助试验机 中同样环境中的试件，用于与主试验机中的试件进行对比。辅助试验机是在试件与机器底 板摩擦系数足够小条件下，测量与主试验机同温度条件下辅试件的自由变形。同温度条件 平行试验机，使试验数据具备完整性。
[0065]本发明提供的试验机，主要用于混凝土裂缝机理和温度应力试验。可以进行多种 温控措施条件下，混凝土从浇筑到硬化全过程中其自身温度应力的发展过程的试验，该过 程可包括绝热温升、热膨胀系数、弹性模量和徐变等参数随时间发展的过程;还可以模拟仿 真真实气象环境，