混凝土直接拉伸试验试件、试件成型模具及成套装置的制造方法

混凝土直接拉伸试验试件、试件成型模具及成套装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种混凝土直接拉伸试验试件、试件成型模具及成套装置，包括混凝土直接拉伸试验试件、混凝土直接拉伸试验试件成型模具和混凝土直接拉伸试验成套装置；混凝土直接拉伸试验试件为方截面等厚度哑铃型抗拉试件；混凝土直接拉伸试验试件成型模具包括侧模框架和底板，侧模框架由两组链合侧板对接形成；混凝土直接拉伸试验成套装置包括加载框架、加载机构、试件张拉夹持夹具、试件变形测试夹具和数据采集系统。本发明具有设计合理、结构简单、环保高效和测试精准的优点。
【专利说明】
混凝土直接拉伸试验试件、试件成型模具及成套装置
技术领域
[0001] 本发明涉及工程检测试验技术领域，特别是涉及一种混凝土直接拉伸试验试件、 试件成型模具及成套装置。
【背景技术】
[0002] 混凝土直接拉伸试验是准确获取混凝土抗拉强度、极限拉伸值以及抗拉弹性模量 等一系列抗拉参数的重要技术手段，为混凝土结构设计、理论分析和性能评价提供重要依 据。但目前混凝土直接拉伸试验尚无理想的试验方法和装置，混凝土单轴抗拉强度大多是 通过间接拉伸试验或通过与抗压强度的经验公式换算获得。混凝土间接拉伸试验方法(如 劈裂抗拉强度和抗弯拉强度)虽然较为简单，但严格来说它们并不是混凝土拉伸强度的真 实反映。就混凝土抗拉强度与抗压强度之间的关系，虽然研究人员已提出各种经验公式，但 在实际应用中普遍存在相关性差的问题。在进行混凝土直接拉伸试验时，合理的试件型式 和张拉方式是确保试验成功的关键，长期以来，国内外科研人员曾开发了多种试件型式及 相应的张拉方式，试件纵向构型可概括为柱型和哑铃型，试件横截面构型有圆形和方形，其 中柱形试件端部又分为局部放大和整体放大两种。张拉方式可概括为三种:①通过在试件 两端预埋组件进行张拉的内埋型(端部穿孔可作为内埋型的特殊形式）;②通过外部夹具夹 持试件两端提供摩擦力对试件进行张拉的外夹型;③通过粘结材料粘结试件两端进行张拉 的粘结型。理想的混凝土直接拉伸试验必须确保试件横截面上产生的应力均匀分布，完全 消除应力梯度，同时还应满足准确、高效、环保、重复性好等方面的要求。但目前从国内外现 有的状况看，尚无一种能完全满足这些要求的试件型式和张拉方式(装置）。
[0003] 对于内埋型张拉方式，不仅试件的制作过于繁琐，而且对于混凝土这种非均质的 材料，要保证试件几何中心与物理中心严格一致十分困难。因此，即使试件制作良好，其试 验成功率也存在不确定性。
[0004] 对于端部穿孔型张拉方式，除试件制作和夹持困难外，如果试件制作时不能保证 孔的合理布置，那么其测试结果的准确性就难以保证。而且，这种试件在受力过程中二个拉 孔处将产生应力集中，很容易造成圆孔变形，引起偏载，使断裂面很难落到预定破坏段。
[0005] 对于摩擦型张拉方式，由于摩擦力和试件抗压强度并无直接相关性，当测试高强 混凝土试件时，可能由于摩擦力不足保证不了试件破坏，或者为保证足够摩擦力设计过长 的试件又带来诸多不便。
[0006] 对于粘结型张拉方式，其操作程序过于复杂，首先是需要制作与试件配套的粘贴 板，当试验工作量较大时，粘贴板的数量也要很大。其次是涂抹的粘结剂极易污染环境，其 挥发气体还会对操作人员的健康造成危害，试验结束后，再利用粘贴板时，清除高强树脂胶 也十分不易。总之，该方法浪费人力和物力，效率过低且不环保。
[0007] 现有八字型混凝土极限拉伸试验夹具（公告号CN201203556)主要包括基架，夹持 梁铰接在基架基板上的圆孔中，两个托板分别通过托板定位销连接在基架两侧的梯形板 上。该发明提供的八字型混凝土极限拉伸试验夹具可夹持在试验机的钳口中，试件的八字 型端可伸入到基架两侧的梯形板中实现夹具与试验机的连接。该发明所提供的夹具虽然可 对八字型混凝土试件进行夹持和拉伸试验，但实践表明试验的成功率很低，即试件的断裂 几乎都在变截面处，很难发生在预定破坏段之内，所得试验结果就未能反映混凝土随机断 裂的本质特性。由于在试件型式和试件张拉夹持夹具的设计方法上不能给出合理的方案， 就难以避免试件变截面处的应力集中，就无法得到更有价值的试验结果，因此，有必要开发 出一种结构合理、操作便捷且能准确测试混凝土直接拉伸性能的试件型式及成套装置，并 便于在普通试验机上进行直接拉伸试验。

【发明内容】

[0008] 本发明为解决现有技术中的不足之处，提供一种设计合理、结构简单、环保高效、 测试精准的混凝土直接拉伸试验试件、试件成型模具及成套装置，包括混凝土直接拉伸试 验试件、混凝土直接拉伸试验试件成型模具和混凝土直接拉伸试验成套装置。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 混凝土直接拉伸试验试件，所述试件为方截面等厚度哑铃型抗拉试件，其由上至下依 次为上强固段、上加载段、上传力段、测试段、下传力段、下加载段和下强固段，测试段即为 预定破坏段;各段的横截面均呈方形，且截面厚度均相等，截面宽度由预定破坏段向上强固 段和下强固段逐渐增大;上加载段和下加载段侧面均设置为与试件纵向成不大于45度的斜 面，上传力段两侧面设置为弧面，且弧面两端切面即为上加载段和预定破坏段的侧面，上传 力段两侧面与上加载段和预定破坏段的侧面的连接界面平滑过渡，下传力段两侧面设置为 弧面，且弧面两端切面即为下加载段和预定破坏段的侧面，下传力段两侧面与下加载段和 预定破坏段的侧面的连接界面平滑过渡。
[0010] 本发明的另一目的是提供混凝土直接拉伸试验试件成型模具，该试件模具的型腔 与所述的试件相对应，所述试件成型模具包括侧模框架和底板;侧模框架由两组链合侧板 对接形成，每组链合侧板均由横侧板和纵侧板铰接连接而成，每组链合侧板的纵侧板的对 应位置处均设置有限位槽，对接时一组链合侧板横侧板的端部插入另一组链合侧板纵侧板 端部设置的限位槽中； 每组链合侧板的横侧板端部外侧中心设置有侧板转轴螺栓，侧板转轴螺栓配设锁紧螺 母，每组链合侧板的纵侧板端部与所述转轴螺栓对应位置处设置有侧板螺栓卡槽，两组链 合侧板通过两套侧板螺栓卡槽、侧板转轴螺栓和锁紧螺母进行紧固连接，对接时一组链合 侧板横侧板的侧板转轴螺栓卡入另一组链合侧板纵侧板的侧板螺栓卡槽中； 底板的四周侧边中心向外均设置有底板转轴螺栓，底板转轴螺栓配设锁紧螺母，侧模 框架的每块横侧板和纵侧板上与底板转轴螺栓相应位置处设置有底板螺栓卡槽，所述的底 板螺栓卡槽和底板设置的底板转轴螺栓将底板和侧模框架连接为一整体的试件成型模具， 连接时底板的底板转轴螺栓卡入侧模框架的的底板螺栓卡槽中。
[0011] 所述每组链合侧板的纵侧板的构型与所述试件的纵向侧面一致;所述底板上设置 有台阶，台阶形状与所述试件的纵向截面相对应。
[0012] 本发明的另一目的是提供混凝土直接拉伸试验成套装置，所述成套装置包括与所 述试件相配合的试件张拉夹持夹具，所述试件张拉夹持夹具包括连板、肢板、夹持梁、球铰 头和T型卡板； 所述连板内端部的前后侧均固定连接有倒Y字型的肢板，每个肢板均向下左右两侧分 出两个肢臂，肢臂端部均设置有圆形套孔，前后侧肢板的左侧两对应肢臂和右侧两对应肢 臂之间均设置有夹持梁，夹持梁通过两端设置的转轴限位在前后侧肢板对应肢臂的两个圆 形套孔中，夹持梁通过转轴与圆形套孔转动连接;夹持梁中间设置有球铰窝，球铰窝内设置 球铰头，球铰头与Τ型卡板通过顶柱固定连接为整体，左右两Τ型卡板的夹持面与所述试件 的上加载段或下加载段的两侧面贴合。
[0013] 混凝土直接拉伸试验成套装置还包括试件变形测试夹具，所述试件变形测试夹具 包括上框架和下框架，上框架和下框架均包括由前肢、左肢和后肢组成的固定结构和由右 肢组成的可动结构，固定结构的后肢右端和右肢的后端铰接连接，固定结构的前肢右端和 右肢前端通过锁销连接，所述锁销设置在右肢前端的限位槽内，限位槽的前后侧壁设置有 限制锁销位置的滑动导孔，锁销中间设置有把手，介于把手和限位槽后侧壁之间的锁销杆 上套装有复位弹簧，所述前肢右端部朝向锁销的侧面设置有与锁销相对应的锁销插槽，锁 销压入插槽后可动结构的右肢即与固定结构组成一体的结构框架;所述左肢内侧面排列设 置有至少两个顶锥，右肢内侧面中心设置有试件夹持螺钉，试件夹持螺钉穿过右肢且其顶 端指向左侧； 上框架和下框架均通过两个顶锥和一个试件夹持螺钉夹持在所述试件的测试段处； 上框架左肢和右肢下侧面均固定连接有标距柱，标距柱外侧壁均设置有上卡箍，下框 架的左肢和右肢与标距柱上的卡箍对应位置处分别设置有下卡箍，上卡箍和下卡箍构成变 形传感器夹具。
[0014] 混凝土直接拉伸试验成套装置还包括加载框架和加载机构，所述加载框架包括由 左至右依次布置的左柱、中柱与右柱和由上至下依次布置的主梁、导向梁和底座，左柱、中 柱和右柱固结于底座上，导向梁固结于左柱和中柱上，主梁固结于左柱、中柱和右柱上，主 梁和导向梁左侧处沿垂直方向设置有上下对应的导杆滑动导向套孔;主梁右侧处沿垂直方 向设置有拉杆滑动导向套孔;中柱位于主梁和导向梁之间的柱体中心处设置有杠杆方孔； 所述加载机构包括加载导杆、杠杆、转轴、转盘手柄、加载螺母和拉杆，加载导杆通过所 述导杆滑动导向套孔与加载框架形成滑动连接，加载导杆顶端设置承载帽，杠杆分别通过 转轴与加载导杆、中柱和拉杆铰接连接，杠杆与加载导杆、杠杆与拉杆的连接孔均为长圆 孔，杠杆与中柱的连接孔为圆孔，拉杆中部通过轴销与杠杆铰接连接，拉杆上端穿过所述拉 杆滑动导向套孔并与主梁滑动连接，拉杆伸出主梁滑动导孔的上端部分设置有外螺纹，设 置外螺纹的杆体处套设有加载螺母； 所述试件的上加载段和下加载段位置处各设置一套所述试件张拉夹持夹具，上加载段 处的所述试件张拉夹持夹具和下加载段处的所述试件张拉夹持夹具上下对称设置，每套试 件张拉夹持夹具的连板的外端部对应于所述试件中心拉伸轴线处均设置有半球形球铰孔， 半球形球铰孔内设置球铰连接件，上加载段处的试件张拉夹持夹具通过对应的球铰连接件 与拉杆连接，下加载段处的试件张拉夹持夹具通过对应的球铰连接件与荷载传感器连接。
[0015] 混凝土直接拉伸试验成套装置还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括荷载 传感器、变形传感器、控制器、计算机，两个变形传感器夹持在对应的变形传感器夹具上，荷 载传感器的上端通过对应的球铰连接件与对应的试件张拉夹持夹具连接，荷载传感器的下 端与所述底座连接，荷载传感器和变形传感器分别通过数据电缆与控制器连接，控制器通 过数据电缆与计算机连接。
[0016] 所述T型卡板的夹持面上设置有缓冲层； 所述T型卡板的外边缘设置有限位挡板，所述限位挡板与T型卡板夹持面形成的夹角与 所述试件对应处的边角相等； 所述变形传感器卡箍上设置有紧固螺钉； 所述锁销和滑动导孔的横截面均为方形，所述插槽也为方形，所述锁销的锁头的纵向 内侧面为弧面； 加载螺母外固定连接有转盘手柄，加载螺母和主梁的滑动导孔间设置有轴承； 拉杆中部靠上侧处固定套设有圆盘，缓冲装置设在杠杆上位于主梁和圆盘之间的位置 处； 所述缓冲装置为弹簧或阻尼器； 所述底座与荷载传感器下端对应位置处也设置有半球形球铰孔，半球形球铰孔内设置 球铰连接件，荷载传感器的下端通过对应的球铰头连接件与所述底座连接。
[0017] 所述变形传感器为差动变压器式位移计，所述标距柱上的上卡箍是固定差动变压 器式位移计的主体，对应的下卡箍固定顶板，差动变压器式位移计测试端的球珠顶在顶板 上，测试过程中差动变压器式位移计通过自身的弹性元件始终使球珠与顶板接触，通过上 框架和下框架传递的相对位移获得试件预定破坏段的变形量。
[0018] 所述变形传感器为电阻应变计式引伸计，所述标距柱上的上卡箍和下框架对应设 置的下卡箍均分别固定有上下对称的限位杆，所述限位杆内端部一侧均设置有用于限定引 伸计刀刃位置的刀刃卡槽，电阻应变计式引伸计的两刀刃分别卡接在对应的刀刃卡槽内， 每个限位杆与刀刃卡槽对应另一侧均设置有防滑槽，测试过程中电阻应变计式引伸计的两 刀刃始终固定在限位杆上，通过上框架和下框架传递的相对位移获得试件预定破坏段的变 形量。
[0019] 本发明的有益效果是： (1)采用方截面等厚度哑铃型试件型式可降低浇筑制作混凝土试件时的难度、节省人 力物力。试件传力段两侧面的弧面设计可保证张拉时拉应力由加载段向测试段(预定破坏 段)的均匀传递，避免变截面处应力集中的产生，合理的测试段设计确保试件的破坏能真实 反映混凝土随机断裂的本质。
[0020] (2)试件成型模具不仅可确保试件的构型和尺寸精度，而且拆装方便，工作效率 尚。
[0021] (3)加载框架和加载机构的设计可将对试件的拉向加载转换为压向加载，便于在 普通压力试验机上进行试验，使本发明的装置更具有适用性。
[0022] (4)转盘手柄的设置不仅便于试件的安装，也便于实现手动加载。
[0023] (5)试件张拉夹持夹具中夹持梁中心的球铰窝和T型卡板的球铰头构成一种自适 应球铰结构，可实现对试件的合理夹持和张拉，消除试件张拉端部的弯矩和扭矩，使预定破 坏段内的拉应力分布均匀，保证试验的成功率从而获得能真实反映混凝土断裂破坏特征的 试验参数。
[0024] (6)变形测试夹具适用于对多种便携式变形传感器的夹持，使测试效率高、成本 低。
[0025] (7)本发明的混凝土直接拉伸试验成套装置及测试方法不仅适用于水泥混凝土试 件的直接拉伸试验，也适用于水泥砂浆及其他脆性材料的直接拉伸试验。
【附图说明】
[0026]图1是混凝土直接拉伸试验试件的结构示意图； 图2是混凝土直接拉伸试验试件成型模具的装配图； 图3是混凝土直接拉伸试验试件成型模具中底板的主视图； 图4是混凝土直接拉伸试验试件成型模具中底板的俯视图； 图5是混凝土直接拉伸试验试件成型模具中链合侧板的主视图； 图6是混凝土直接拉伸试验试件成型模具中链合侧板的俯视图； 图7是混凝土直接拉伸试验成套装置中加载框架与加载机构的结构示意图； 图8是混凝土直接拉伸试验成套装置中试件张拉夹持夹具的结构示意图； 图9是实施例1中混凝土直接拉伸试验成套装置中试件变形测试夹具的主视图； 图10是实施例1中混凝土直接拉伸试验成套装置中试件变形测试夹具的俯视图； 图11是实施例1中混凝土直接拉伸试验成套装置中试件变形测试夹具的左视图； 图12是实施例2中混凝土直接拉伸试验成套装置中试件变形测试夹具的主视图； 图13是实施例2中混凝土直接拉伸试验成套装置中试件变形测试夹具的俯视图； 图14是实施例2中混凝土直接拉伸试验成套装置中试件变形测试夹具的左视图。
【具体实施方式】 [0027] 实施例1: 以下结合图1至图11对本发明的【具体实施方式】作详细说明，本发明的混凝土直接拉伸 试验试件、试件成型模具及成套装置，包括混凝土直接拉伸试验试件、混凝土直接拉伸试验 试件成型模具和混凝土直接拉伸试验成套装置。
[0028] 混凝土直接拉伸试验试件为方截面等厚度哑铃型抗拉试件，对于混凝土这种非均 质非连续的多相复合材料，其破坏过程受内部随机分布的缺陷和裂缝的控制，在单轴应力 作用下试件的断裂破坏点具有不确定性，为获得混凝土破坏行为更有价值的信息，必须使 试件的破坏发生在预定破坏段，此时，试件的结构型式对能否成功实现混凝土的直接拉伸 试验至关重要，它决定着试验成功的概率、结果的精准性、测试效率、经济性，也决定着采用 的相应试件成型模具和张拉方式，为实现上述目的，本发明提供一种方截面等厚度哑铃型 张拉试件(如图1)。
[0029] 如图1所示，方截面等厚度哑铃型抗拉试件可分为四个特征段:强固段A1(按图1方 位处于上部的强固段A1为上强固段、处于下部的强固段为下强固段）、加载段A2(按图1方位 处于上部的加载段A2为上加载段、处于下部的加载段A2为下加载段）、传力段A3(按图1方位 处于上部的传力段A3为上传力段、处于下部的传力段A3为下传力段)和测试段(预定破坏 段)A4。测试段(预定破坏段)A4的长度为L，传力段A3的长度为0.43L、加载段A2的长度为 0.43L、强固段A1的长度为0.75L。各段横截面均呈方形，厚度均等于测试段A4的长度L，截面 宽度由测试段A4的L逐渐增大到强固段A1的2L。强固段A1设计足够的纵向长度，可确保内力 的均匀传递，避免端部因过早发生劈裂破坏而测不到有效数据。加载段A2侧面设计为与试 件纵向成45度的斜面，不仅方便对试件张拉，而且易于使强固段A1端部的内力(压应力和拉 应力）达到均衡，不至因过长浪费材料，或因过短出现提前破坏现象。传力段A3两侧面设计 为半径为R=〇.6L的弧面，弧面两端切面即为加载段A2和测试段A4的侧面，界面过渡平滑，这 种构型可保证拉应力由加载段A2向测试段A4的均匀传递，避免变截面处的应力集中。测试 段A4是横截面最小的部分，张拉时内部产生的拉应力最大，从而使该段具有最大的破坏概 率。所述测试段A4的长度、宽度和厚度均相等，具体尺寸还要依据原材料(如混凝土骨料的 最大粒径)来确定，以既能反应混凝土随机断裂的本质，又便于测试试件断裂过程中的变形 参数为宜。
[0030] 基于本发明的混凝土直接拉伸试验试件，本发明的混凝土直接拉伸试验试件成型 模具（如图2至图6)，包括两块横侧板B1、两块纵侧板B3和一块底板B7,其中，由一块横侧板 B1和一块纵侧板B3通过轴销B2联接而成一组链合侧板，从而形成两组链合侧板，两组链合 侧板对接形成侧模框架，一组链合侧板横侧板B1的端部可插入另一组链合侧板纵侧板B3端 部设置的限位槽B8中，每组链合侧板的横侧板B1端部外侧中心设置有T型侧板转轴螺栓B9， T型转轴螺栓B9配设蝶形螺母，另一组链合侧板的纵侧板B3端部与T型转轴螺栓B9对应位置 处设置有U型的侧板螺栓卡槽B10,两组链合侧板通过两套T型侧板转轴螺栓B9和蝶形螺母 进行紧固联接，长方形底板B7的四周侧边中心向外均设置有一套T型底板转轴螺栓B5和蝶 形螺母，每块侧板的相应位置处设置有U型底板螺栓卡槽B6,所述的底板螺栓卡槽B6和底板 B7设置的T型底板转轴螺栓B5将底板B7和链合侧板联接为一整体的试件成型模具。
[0031] 所述纵侧板B3的构型与张拉试件7的纵向侧面一致，包括强固段A1、加载段A2、传 力段A3和测试段(预定破坏段)A4,纵侧板B3的外侧壁设置有空心槽B4,不仅减轻重量，也可 作为搬运时的把手。
[0032]所述底板B7中心依据试件7的纵向截面尺寸设置一个台阶B11，可防止侧板沿底板 B7滑移，避免浇筑试件7时产生尺寸偏差。
[0033]基于本发明的混凝土直接拉伸试验试件，本发明的混凝土直接拉伸试验成套装置 包括加载框架、加载机构、试件张拉夹持夹具、试件变形测试夹具和数据采集系统等。本发 明的混凝土直接拉伸试验成套装置操作便捷、环保高效、精度高、成本低，并适用于各种加 载条件。
[0034]加载框架起到对加载机构和试件张拉夹持夹具等提供稳定支撑的作用;加载机构 可将压力转换为拉力，便于在普通压力试验机上使用本装置;试件张拉夹持夹具17可完全 消除试件7端部的弯矩和扭矩，提高试验成功率;变形传感器夹具19便于利用常规的变形传 感器18获得试件7的变形值;利用数据采集系统可方便得到水泥砂浆/混凝土的在拉伸荷载 作用下的破坏应力-应变全曲线。
[0035] 如图7所示，所述加载框架包括左柱8、中柱9、右柱15、主梁2、导向梁5和底座10。左 柱8、中柱9和右柱15固结于底座10上，导向梁5固结于左柱8和中柱9上，主梁2固结于左柱8、 中柱9和右柱15上，构成了整体的框架结构。主梁2和导向梁5左端垂直方向对应处各布置一 个起滑动和导向作用的套孔来放置加载导杆6;主梁2右端垂直方向布置一个穿过拉杆14的 滑动导向套孔;主梁2和导向梁5之间的中柱9上部中心处设置一可供杠杆3穿过和转动的方 孔。
[0036]如图7所示，加载机构包括加载导杆6、杠杆3、弹簧(或阻尼器）13、转轴4、转盘手柄 11、加载螺母12、拉杆14和试件张拉夹持夹具17等。加载导杆6通过主梁2和导向梁5上垂直 方向设置的滑动导向套孔与加载框架形成滑动联接，加载导杆6顶端设置承载帽1，便于施 加压向荷载，加载导杆6沿导向孔的运动可将荷载通过杠杆3传递给拉杆14。杠杆3分别通过 转轴4与加载导杆6、中柱9和拉杆14相联接，杜杆3与加载导杆6、杜杆3与拉杆14的联接孔均 为长圆孔，以避免杠杆3转动时使加载导杆6和拉杆14产生侧向弯矩，并有利于荷载的匀速 传递;杠杆3与中柱8的联接孔为圆孔，圆孔可使杠杆保持在垂直平面内的稳定性。拉杆14中 部通过轴销与杠杆3进行轴联接，拉杆14上端通过设置于主梁2上垂直方向的滑动导孔与主 梁2进行滑动联接，拉杆14伸出主梁2滑动导孔的上端部分设置有外螺纹，设置外螺纹的上 端部套设有加载螺母12,加载螺母12与转盘手柄11固定连接为整体，转盘手柄11的转动可 带动加载螺母12沿拉杆14相对运动，由于加载螺母12和转盘手柄11相对加载框架在垂直方 向上是静止的，因而，转盘手柄11的水平方向的转动将转化为拉杆14垂直方向的运动。所 述加载螺母12和主梁2的滑动导孔间设置有轴承，以减小加载螺母12相对主梁2转动时的滑 动摩擦阻力。
[0037] 拉杆14中部靠上侧设置有一圆盘，可将弹簧(或阻尼器）13限制在主梁2和圆盘之 间。加载时，荷载通过加载导杆6由杠杆3传递给拉杆14,拉杆14沿垂直方向运动，通过轴销 和球铰连接件16带动试件张拉夹持夹具17使试件7受力，同时使弹簧(或阻尼器）13受到压 缩，弹簧(或阻尼器）13的设置可方便对试件7的夹持操作，一定程度上可调节试件7断裂时 加载框架及加载机构的能量释放率。试件7的两个张拉端各设置一套试件张拉夹持夹具17， 每套试件张拉夹持夹具17对应于试件7中心拉伸轴线处均设置半球形球铰孔，球铰孔内设 置球铰连接件16,上端的试件张拉夹持夹具17通过球铰连接件16与拉杆14联接，下端的试 件张拉夹持夹具17通过球铰连接件16与荷载传感器18联接。
[0038]所述承载帽1的加载面为球面，可使加载导杆6的受力更合理，降低滑动摩擦力。
[0039] 所述杠杆3主动臂的臂长大于从动臂的臂长。
[0040] 如图8所示，所述的试件张拉夹持夹具17主要由连板C1、肢板C2、夹持梁C6、球铰头 C5、T型卡板C4和橡胶板C3等组成。所述连板C1前后两端固定连接有倒Y字型的肢板C2,肢板 C2向下左右两侧分出两个肢臂，肢臂端部设置有圆形套孔，夹持梁C6通过两端设置的转轴 C8限位在前后肢板C2肢臂的两个圆形套孔中，并可在圆形套孔中绕转轴C8自由转动。夹持 梁C6中间设置有球铰窝，球铰窝内设置球铰头C5,球铰头C5与T型卡板C4通过顶柱C7固定连 接为整体，T型卡板C4的加载面上设置有橡胶板C3,橡胶板C3可使试件和T型卡板C4的夹持 面贴合紧密，使试件加载段A2的荷载分布更为均匀;T型卡板C4的外边缘设置有限位挡板， 所述限位挡板与T型卡板C4夹持面形成的夹角与试件对应处的边角相等，使T型卡板C4与试 件接触处能较好的吻合;夹持梁C6带动T型卡板C4绕转轴C8的整体转动便于将试件7伸入到 本发明的试件张拉夹持夹具17中并被加紧，所述夹持梁C6中心的球铰窝和球铰头C5构成一 种自适应夹持结构，该结构可使T型卡板C4的夹持面与试件的加载面保持更好的平行性，避 免试件端部扭矩和弯矩的产生。
[0041 ] 所述自适应球铰头C5的球心位置处于夹持梁C6转轴C8的轴心上。
[0042] 如图9至图11所示，所述试件变形测试夹具19包括上框架和下框架，上框架和下框 架均包括由前肢D6、左肢D2和后肢D13组成的固定结构和由右肢D7组成的可动结构，固定结 构的后肢D13右端和右肢D7的后端通过轴销D8联接，固定结构的前肢D6右端和右肢D13前端 通过锁销D9联接，所述锁销D9设置在右肢D13前端的限位槽内，限位槽的前后侧壁设置有限 制锁销D9位置的滑动导孔，锁销D9中间设置有把手，介于把手和限位槽后侧壁之间的锁销 杆上套装有弹簧，所述前肢D6的右端朝向锁销D9的侧面设置有锁销插槽D12,弹簧释放时可 将锁销D9前端的锁头D11压入所述插槽D12中。所述锁销D9和滑动导孔的横截面均为方形， 可防止锁销D9把手的转动，所述插槽D12也为方形，锁头D11的纵向内侧面为弧面，便于将其 压入插槽D12内并被锁定，锁销D9压入插槽D12后可动结构的右肢D7即与固定结构组成一体 的结构框架。所述左肢D2内侧面中心两侧各设置一个顶锥D1，右肢D7内侧面中心设置有试 件夹持蝶形螺钉D10,上下框架分别通过两个顶锥D1和一个蝶形螺钉D10牢固地夹持在被测 试件7上。所述上框架左肢D2和右肢D7下侧面固定连接有标距柱D3,标距柱D3外侧壁中部设 置有用于夹持变形传感器18的卡箍D5,所述下框架的左肢D2和右肢D7与标距柱D3上的卡箍 D5对应位置处也分别设置有卡箍D5,所述卡箍D5上设置有蝶形紧固螺钉D4。
[0043]所述标距柱D3的长度可依据试件大小和测试段(预定破坏段)A4的具体长度来确 定。
[0044]所述上框架和下框架可动的右肢D7可绕固定结构旋转90度，便于对哑铃型张拉试 件的测试段A4进行夹持操作。
[0045]本实施例的变形传感器18采用差动变压器式位移计(LVDTH8A，标距柱D3上的卡 箍D5用于固定差动变压器式位移计18A的主体，下框架左肢D2和右肢D7上设置的左右卡箍 D5用于固定顶板D14,所述差动变压器式位移计18A测试端的球珠顶在顶板D14上，在测试过 程中，差动变压器式位移计18A通过自身的弹性元件始终使球珠与顶板D14接触，从而测得 试件7加载段A4的变形量。
[0046]如图7所示，所述数据采集系统包括变形传感器18、荷载传感器20、控制器21、计算 机22等，两个变形传感器18夹持在变形传感器夹具19上，荷载传感器20的上下两端分别通 过球铰头连接件16与试件张拉夹持夹具17和底座10联接，荷载传感器20和变形传感器18分 别通过数据电缆与控制器21连接，控制器21通过数据电缆与计算机22连接。本发明中的控 制器21包括放大器、A/D转换器、微处理器(CPU)、存储器、通讯接口电路等，均为现有技术， 不再赘述。
[0047]本发明的混凝土直接拉伸试验成套装置的测试方法： 先将试验装置放在压力试验机的受压承台上，使加载导杆6上端的承载帽1与压力试验 机的上压盘垂直对中，将一套试件张拉夹持夹具17通过球铰头连接件16链接到拉杆14上， 另一套试件张拉夹持夹具17先通过球铰头连接件16链接荷载传感器20,荷载传感器20再通 过球铰头连接件16链接到底座10的球窝内，顺时针转动转盘手柄11，转盘手柄11带动加载 螺母12将拉杆14向上旋出，拉杆14带动试件张拉夹持夹具17向上移动，使上下两套试件张 拉夹持夹具17之间留有便于安装试件7的空间，调整上方试件张拉夹持夹具17的自适应夹 持结构使其夹紧试件7,逆时针转动转盘手柄11，使拉杆14带动已安装有试件7的试件张拉 夹持夹具17向下移动，直至使试件7可方便伸入下方的试件张拉夹持夹具17中为止，调整自 适应夹持结构使上下两套试件张拉夹持夹具17同时夹紧试件7,将试件变形测试夹具19夹 持在试件7的测试段A4内，变形传感器18固定在所述试件变形测试夹具19上，调整顶板D14 的位置使变形传感器18处于适宜的量程内，分别将变形传感器18和荷载传感器20与数据采 集系统连接，打开数据采集软件，确认数据采集系统正常后顺时针转动转盘手柄11，使上下 两套试件张拉夹持夹具17能刚好夹紧试件7,并使荷载信号显示为零。此后，可同时开动压 力试验机和数据采集系统进行试验。
[0048] 实施例2: 参见图1至图8和图12至14。实施例2与实施例1在混凝土直接拉伸试验试件及其成型模 具，以及与试件结构型式相适应的混凝土直接拉伸试验成套装置方面均相同，实施例2区别 于实施例1的技术特征是，变形传感器采用电阻应变计式引伸计18B，上框架标距柱D3上的 卡箍D5和下框架对应设置的卡箍D5均用于固定限位杆D15,所述限位杆D15端部一侧设置有 用于限定引伸计刀刃位置的刀刃卡槽D16,对应另一侧设置有防止夹持物脱落的防滑槽 D17,所述夹持物可是橡皮筋或弹簧，在测试过程中，电阻应变计式引伸计18B的刀刃始终被 固定在限位杆D15上，并通过上框架和下框架传递的相对位移获得试件预定破坏段的变形 量。
[0049] 实施例3: 参见图1至图8。在有万能试验机的条件下，可直接将一套试件张拉夹持夹具17通过球 铰头连接件16链接试验机的上钳口，另一套试件张拉夹持夹具17先通过球铰头连接件16链 接荷载传感器20,荷载传感器20再通过球铰头连接件16链接试验机的下钳口，调整万能试 验机横梁的位置使试件7夹持在上下两套试件张拉夹持夹具17中并使荷载值为零。连接好 数据采集系统即可通过万能试验机的自动加载程序完成加载试验，通过采集系统完成数据 记录和后期处理，所述数据采集系统和集成在万能试验机的试验控制软件中。
[0050] 实施例1、实施例2和实施例3仅用以说明而非限制本发明的技术方案，改变试件的具体 规格，改变试件强固段A1、加载段A2、传力段A3和测试段A4不同的不同尺寸比例，改变主梁 2、导向梁5、左柱8、中柱9、右柱15和底座10构成的加载框架的连接方式及具体规格和结构， 改变加载导杆6、杠杆3、拉杆14、转轴4等构成的加载机构的连接方式及具体规格和结构，改 变由连扳C1、肢板C2、橡胶板C3、T型卡板C4、球铰头C5、夹持梁C6、顶柱C7、转轴C8组成的试 件张拉夹持夹具17的连接方式及具体规格和结构，如将夹持梁C6和顶柱C7的球铰连接改变 为转轴连接，改变杠杆3中间转轴4的位置等均能组成多个实施例，均为本发明的常见变化， 在此不一一详述。
[0051] 试验验证： 采用本发明的混凝土直接拉伸试验成套装置及测试方法测试了普通混凝土的抗拉性 能。本实例中的试验概况及结果如下： 原材料为42.5级的普通硅酸盐水泥，Π级粉煤灰，粒径为5-20mm的石灰岩碎石，细度模 数为3.0的中粗河砂，聚羧酸高效减水剂，自来水。普通混凝土的单方配合比见表1。
[0052] 试验依据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T500081-2002规定的方法 进行。采用的方截面等厚度哑铃型试件预定破坏段的尺寸为100mm X 100mm X 100mm，强固段 的尺寸为长X宽X厚=30mm X 200mm X 100mm。试件制备时将满足工作性要求的拌合物浇入 试件成型模具，然后静置室内24小时拆模编号，放入标准养护室养护28天后进行直接拉伸 试验，每组9个试件，试验结果见表2。
由表2中的试验结果可以看出，利用本发明的混凝土直接拉伸试验拉伸试件、成型模具 及成套装置可方便测得普通混凝土应力和应变值，所测强度值的变异系数为5.4%，测试精 度较高。
[0054] 以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发 明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明进行修改或者等 同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权 利要求范围当中。
[0055] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"前"、"后"、"左"、"右"、 "竖直"、"水平"、"顶"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置 关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有 特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
【主权项】
1. 混凝土直接拉伸试验试件，其特征在于:所述试件为方截面等厚度哑铃型抗拉试件， 其由上至下依次为上强固段、上加载段、上传力段、测试段、下传力段、下加载段和下强固 段，测试段即为预定破坏段;各段的横截面均呈方形，且截面厚度均相等，截面宽度由预定 破坏段向上强固段和下强固段逐渐增大;上加载段和下加载段侧面均设置为与试件纵向成 不大于45度的斜面，上传力段两侧面设置为弧面，且弧面两端切面即为上加载段和预定破 坏段的侧面，上传力段两侧面与上加载段和预定破坏段的侧面的连接界面平滑过渡，下传 力段两侧面设置为弧面，且弧面两端切面即为下加载段和预定破坏段的侧面，下传力段两 侧面与下加载段和预定破坏段的侧面的连接界面平滑过渡。2. 混凝土直接拉伸试验试件成型模具，该试件模具的型腔与权利要求1所述的试件相 对应，其特征在于:所述试件成型模具包括侧模框架和底板;侧模框架由两组链合侧板对接 形成，每组链合侧板均由横侧板和纵侧板铰接连接而成，每组链合侧板的纵侧板的对应位 置处均设置有限位槽，对接时一组链合侧板横侧板的端部插入另一组链合侧板纵侧板端部 设置的限位槽中； 每组链合侧板的横侧板端部外侧中心设置有侧板转轴螺栓，侧板转轴螺栓配设锁紧螺 母，每组链合侧板的纵侧板端部与所述转轴螺栓对应位置处设置有侧板螺栓卡槽，两组链 合侧板通过两套侧板螺栓卡槽、侧板转轴螺栓和锁紧螺母进行紧固连接，对接时一组链合 侧板横侧板的侧板转轴螺栓卡入另一组链合侧板纵侧板的侧板螺栓卡槽中； 底板的四周侧边中心向外均设置有底板转轴螺栓，底板转轴螺栓配设锁紧螺母，侧模 框架的每块横侧板和纵侧板上与底板转轴螺栓相应位置处设置有底板螺栓卡槽，所述的底 板螺栓卡槽和底板设置的底板转轴螺栓将底板和侧模框架连接为一整体的试件成型模具， 连接时底板的底板转轴螺栓卡入侧模框架的的底板螺栓卡槽中。3. 根据权利要求2所述的混凝土直接拉伸试验试件成型模具，其特征在于:所述每组链 合侧板的纵侧板的构型与所述试件的纵向侧面一致;所述底板上设置有台阶，台阶形状与 所述试件的纵向截面相对应。4. 混凝土直接拉伸试验成套装置，所述成套装置包括与权利要求1所述试件相配合的 试件张拉夹持夹具，其特征在于:所述试件张拉夹持夹具包括连板、肢板、夹持梁、球铰头和 T型卡板； 所述连板内端部的前后侧均固定连接有倒Y字型的肢板，每个肢板均向下左右两侧分 出两个肢臂，肢臂端部均设置有圆形套孔，前后侧肢板的左侧两对应肢臂和右侧两对应肢 臂之间均设置有夹持梁，夹持梁通过两端设置的转轴限位在前后侧肢板对应肢臂的两个圆 形套孔中，夹持梁通过转轴与圆形套孔转动连接;夹持梁中间设置有球铰窝，球铰窝内设置 球铰头，球铰头与T型卡板通过顶柱固定连接为整体，左右两T型卡板的夹持面与所述试件 的上加载段或下加载段的两侧面贴合。5. 根据权利要求4所述的混凝土直接拉伸试验成套装置，其特征在于:它还包括试件变 形测试夹具，所述试件变形测试夹具包括上框架和下框架，上框架和下框架均包括由前肢、 左肢和后肢组成的固定结构和由右肢组成的可动结构，固定结构的后肢右端和右肢的后端 铰接连接，固定结构的前肢右端和右肢前端通过锁销连接，所述锁销设置在右肢前端的限 位槽内，限位槽的前后侧壁设置有限制锁销位置的滑动导孔，锁销中间设置有把手，介于把 手和限位槽后侧壁之间的锁销杆上套装有复位弹簧，所述前肢右端部朝向锁销的侧面设置 有与锁销相对应的锁销插槽，锁销压入插槽后可动结构的右肢即与固定结构组成一体的结 构框架;所述左肢内侧面排列设置有至少两个顶锥，右肢内侧面中心设置有试件夹持螺钉， 试件夹持螺钉穿过右肢且其顶端指向左侧； 上框架和下框架均通过两个顶锥和一个试件夹持螺钉夹持在所述试件的测试段处； 上框架左肢和右肢下侧面均固定连接有标距柱，标距柱外侧壁均设置有上卡箍，下框 架的左肢和右肢与标距柱上的卡箍对应位置处分别设置有下卡箍，上卡箍和下卡箍构成变 形传感器夹具。6. 根据权利要求5所述的混凝土直接拉伸试验成套装置，其特征在于:它还包括加载框 架和加载机构，所述加载框架包括由左至右依次布置的左柱、中柱与右柱和由上至下依次 布置的主梁、导向梁和底座，左柱、中柱和右柱固结于底座上，导向梁固结于左柱和中柱上， 主梁固结于左柱、中柱和右柱上，主梁和导向梁左侧处沿垂直方向设置有上下对应的导杆 滑动导向套孔;主梁右侧处沿垂直方向设置有拉杆滑动导向套孔；中柱位于主梁和导向梁 之间的柱体中心处设置有杠杆方孔； 所述加载机构包括加载导杆、杠杆、转轴、转盘手柄、加载螺母和拉杆，加载导杆通过所 述导杆滑动导向套孔与加载框架形成滑动连接，加载导杆顶端设置承载帽，杠杆分别通过 转轴与加载导杆、中柱和拉杆铰接连接，杠杆与加载导杆、杠杆与拉杆的连接孔均为长圆 孔，杠杆与中柱的连接孔为圆孔，拉杆中部通过轴销与杠杆铰接连接，拉杆上端穿过所述拉 杆滑动导向套孔并与主梁滑动连接，拉杆伸出主梁滑动导孔的上端部分设置有外螺纹，设 置外螺纹的杆体处套设有加载螺母； 所述试件的上加载段和下加载段位置处各设置一套所述试件张拉夹持夹具，上加载段 处的所述试件张拉夹持夹具和下加载段处的所述试件张拉夹持夹具上下对称设置，每套试 件张拉夹持夹具的连板的外端部对应于所述试件中心拉伸轴线处均设置有半球形球铰孔， 半球形球铰孔内设置球铰连接件，上加载段处的试件张拉夹持夹具通过对应的球铰连接件 与拉杆连接，下加载段处的试件张拉夹持夹具通过对应的球铰连接件与荷载传感器连接。7. 根据权利要求6所述的混凝土直接拉伸试验成套装置，其特征在于:它还包括数据采 集系统，所述数据采集系统包括荷载传感器、变形传感器、控制器、计算机，两个变形传感器 夹持在对应的变形传感器夹具上，荷载传感器的上端通过对应的球铰连接件与对应的试件 张拉夹持夹具连接，荷载传感器的下端与所述底座连接，荷载传感器和变形传感器分别通 过数据电缆与控制器连接，控制器通过数据电缆与计算机连接。8. 根据权利要求7所述的混凝土直接拉伸试验成套装置，其特征在于： 所述T型卡板的夹持面上设置有缓冲层； 所述T型卡板的外边缘设置有限位挡板，所述限位挡板与T型卡板夹持面形成的夹角与 所述试件对应处的边角相等； 所述变形传感器卡箍上设置有紧固螺钉； 所述锁销和滑动导孔的横截面均为方形，所述插槽也为方形，所述锁销的锁头的纵向 内侧面为弧面； 加载螺母外固定连接有转盘手柄，加载螺母和主梁的滑动导孔间设置有轴承； 拉杆中部靠上侧处固定套设有圆盘，缓冲装置设在杠杆上位于主梁和圆盘之间的位置 处； 所述缓冲装置为弹簧或阻尼器； 所述底座与荷载传感器下端对应位置处也设置有半球形球铰孔，半球形球铰孔内设置 球铰连接件，荷载传感器的下端通过对应的球铰头连接件与所述底座连接。9. 根据权利要求7所述的混凝土直接拉伸试验成套装置，其特征在于:所述变形传感器 为差动变压器式位移计，所述标距柱上的上卡箍是固定差动变压器式位移计的主体，对应 的下卡箍固定顶板，差动变压器式位移计测试端的球珠顶在顶板上，测试过程中差动变压 器式位移计通过自身的弹性元件始终使球珠与顶板接触，通过上框架和下框架传递的相对 位移获得试件预定破坏段的变形量。10. 根据权利要求7所述的混凝土直接拉伸试验成套装置，其特征在于:所述变形传感 器为电阻应变计式引伸计，所述标距柱上的上卡箍和下框架对应设置的下卡箍均分别固定 有上下对称的限位杆，所述限位杆内端部一侧均设置有用于限定引伸计刀刃位置的刀刃卡 槽，电阻应变计式引伸计的两刀刃分别卡接在对应的刀刃卡槽内，每个限位杆与刀刃卡槽 对应另一侧均设置有防滑槽，测试过程中电阻应变计式引伸计的两刀刃始终固定在限位杆 上，通过上框架和下框架传递的相对位移获得试件预定破坏段的变形量。
【文档编号】G01N1/28GK106018044SQ201610659029
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月12日
【发明人】汤寄予, 高丹盈, 赵军, 朱海堂, 王宝庭, 赵 卓, 齐新华, 尤培波
【申请人】郑州大学