一种往复荷载作用下混凝土构件开裂扩展加载装置的制作方法

本发明属于混凝土构件拉伸与压缩实验技术领域，尤其涉及了一种动载作用下的紧凑型拉压加载装置，提供了一个模拟混凝土构件在往复荷载作用下，裂缝实现张开、闭合过程的动载加载装置。

背景技术：

近年来，我国已建或在建的一大批水利工程，这些水利工程大多位于地震活动较频繁的西北、西南地区，用于控制和调节江河水流，不仅能够促进社会经济发展，关键时刻还可起到调节洪峰，防止洪涝灾害的发生。作为这些水工建筑物中应用最为广泛的工程材料之一，混凝土通常需要进行配料、搅拌、养护成型等，每一个环节稍有不慎都将影响其质量，再加上设计、施工控制不严、自然灾害或结构老化等原因，在混凝土结构中不可避免的会出现一些裂缝、孔隙等缺陷。如印度的Koyna坝在遭受地震后，产生大量裂缝，出现漏水现象，严重威胁下游人民的生命财产安全。因此，探究地震等往复荷载作用下混凝土结构裂缝的扩展机理与规律，对水利工程的安全评估具有重大意义。

断裂力学中描述裂缝扩展分为三种基本形式：张开型裂缝(I型)、滑开型裂缝(II型)、撕开型裂缝(III型)。混凝土为典型的脆性材料，其破坏形式主要为I型裂缝。尽管如此，这些裂缝在往复荷载作用下进行扩展，其过程也是相当复杂的。建立合适的力学模型是探究地震等往复荷载下混凝土结构扩展规律的关键，而往复荷载作用下混凝土构件的开裂扩展试验研究对力学模型的验证与建立提供了非常重要的意义。

目前，常采用三点弯曲梁试验和紧凑型拉伸试验获取静载下混凝土构件断裂韧度。由于大坝混凝土一般为全级配混凝土，相应的试验中试件尺寸也比较大，而紧凑拉伸试验中，自重对测量的影响较小，所以采用紧凑拉伸试件进行试验研究更能反映结构在往复荷载下的受力特征。然而，大部分紧凑型拉伸试验都是用于静荷载作用下的构件，无法进行动载下测量；有部分专利建议采用弹簧或者磁铁提供拉力，以实现动荷载的施加，但由于弹簧或磁铁本身属性的限制，所提供的拉力有限，难于完全实现裂缝的闭合过程，试验中的动荷载与实际受力状态有一定的差别。本发明提供了一种往复荷载作用下混凝土构件开裂扩展加载装置，可为试验提供充足的拉压力，完整实现裂缝的张开、闭合过程。

技术实现要素：

技术问题：

针对现有技术方案存在的问题，本发明公开了一种在往复荷载作用下混凝土构件发生开裂扩展的拉压加载装置。该试验装置方法可提供充足的拉压力，完整实现裂缝在往复荷载作用下的张开、闭合过程，为探究混凝土构件在动载下的开裂扩展机理提供实验条件。

技术方案：

一种往复荷载作用下混凝土构件开裂扩展加载装置，其特征在于由MTS试验机作动头、轴向力传感器、山字形加载架、轴承、方形轴承架、传力钢轴组成；MTS试验机作动头、轴向力传感器、山字形加载架依次相连，组成混凝土试件上的往复荷载加载部分；轴承、方形轴承架、传力钢轴组成混凝土试件上的往复荷载的传动部分；轴承对称分布于方形轴承架四角；传力钢轴分布于混凝土试件上部两个四分点处；混凝土试件上部有一预制裂缝；混凝土试件底部置于试样支座上。

所述混凝土试件为全级配混凝土试件，其尺寸为450mm×450mm×200mm。为了使得对所施加的往复荷载有一参考范围，应同时浇筑一批相同配比的无裂缝试件，并测定其力学参数(如：弹模、泊松比、抗拉强度等)。再根据所测的力学参数，通过数值方法，计算出带有裂缝的所述试件开裂扩展时的往复荷载。

所述预制裂缝位于混凝土试件上部端面中心线处，宽度1～3mm，深度150～200mm为宜；所述的预制裂缝、混凝土试件、试样支座三者中心线位于同一平面。

所述混凝土试件上部四分点处开有钢轴孔洞，传力钢轴穿过位于混凝土试件上部四分点处钢轴孔洞，两端分别连接方形轴承架；所述的传力钢轴与混凝土试件之间是可转动的。

工作原理：

在试验过程中，由MTS试验机作动头施加往复荷载，通过轴向力传感器、山字形加载架、轴承、方形轴承架及传力钢轴传至混凝土试件。轴承的安装可减小山字形加载架与传动部分之间摩擦影响。由于需要施加往复荷载，山字形加载架中间及两侧与轴承的接触面使轴承转动方向相反，故需采用多轴承模式。轴承对称布置于方形轴承架上是为了克服传力钢轴与混凝土试件间可转动的影响。传力钢轴受轴承传递的往复荷载，可实现混凝土试件上预制裂缝的开裂、扩展和闭合过程。

山字形加载架选取较小楔角α(如α＝15°)，这样较小的竖向荷载P可以产生较大的水平荷载F。若加载往复过程竖向荷载P相同，则在向下加载过程，通过山字形加载架中间部分施加到混凝土试件上两侧的作用力竖直分量P/2的合力与混凝土试件的重力及试样支座反力相互抵消，其作用力水平分量F，方向水平向外，山字形加载架两侧部分不产生额外作用力；当加载过程向上时，通过山字形加载架两侧部分施加到混凝土试件上两侧的作用力竖直分量P/2的合力与混凝土试件的重力及试样支座反力相互抵消，其作用力水平分量F，方向水平向内，同样，山字形加载架中间部分不产生额外作用力。混凝土试件受力情况见附图4和附图5，其作用力水平分量F的大小为：

F＝P/(2 tanα)。

有益效果：

本发明提供的一种往复荷载作用下混凝土构件开裂扩展加载装置，采用紧凑型拉伸试件，重力影响较小，更重要的是能够提供充足的拉压力，完整实现裂缝在往复荷载作用下的张开、闭合往复过程，有利于观测往复荷载作用下混凝土构件中裂缝的开裂、扩展及闭合过程，为探究混凝土结构在动载下的开裂扩展机理提供实验条件。本发明操作便捷、安全可控，装置结构简单，成本低廉、维修方便、可重复利用，制备的混凝土试件符合实验要求。

附图说明

图1为本发明往复荷载作用下混凝土构件开裂扩展加载装置实施时的示意图；

图2为本发明往复荷载作用下混凝土构件开裂扩展加载装置实施时的正面示意图；

图3为本发明往复荷载作用下混凝土构件开裂扩展加载装置实施时的侧立示意图；

图4为本发明向下加载过程中所述混凝土试件受力示意图；

图5为本发明向上加载过程中所述混凝土试件受力示意图。

图中：

1-试样支座 2-混凝土试件

3-轴承 4-方形轴承架

5-山字形加载架 6-MTS试验机作动头

7-轴向力传感器 8-预制裂缝

9-传力钢轴

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明提供的往复荷载作用下混凝土构件开裂扩展加载装置实施时的示意图，包括MTS试验机作动头(6)、轴向力传感器(7)、山字形加载架(5)、轴承(3)、方形轴承架(4)、传力钢轴(9)组成；MTS试验机作动头(6)、轴向力传感器(7)、山字形加载架(5)依次相连，组成混凝土试件(2)上往复荷载加载部分；轴承(3)、方形轴承架(4)、传力钢轴(9)组成混凝土试件(2)上的往复荷载的传动部分；轴承(3)对称分布于方形轴承架(4)四角；传力钢轴(9)分布于混凝土试件(2)上部两个四分点处；混凝土试件(2)上部有一预制裂缝(8)；混凝土试件(2)底部置于试样支座(1)上。

具体的，所述混凝土试件(2)为全级配混凝土试件，其尺寸为450mm×450mm×200mm。为了使得对所施加的往复荷载有一参考范围，应同时浇筑一批相同配比的无裂缝试件，并测定其力学参数(如：弹模、泊松比、抗拉强度等)。再根据所测的力学参数，通过数值方法，计算出带有裂缝的所述试件开裂扩展时的往复荷载。

具体的，所述预制裂缝(8)位于混凝土试件(2)上部端面中心线处，宽度2mm、深度180mm；预制裂缝(8)、混凝土试件(2)、试样支座(1)三者中心线位于同一平面，如图2所示。

具体的，所述山字形加载架(5)其楔角α＝15°，加载架两侧与中间部分对应平行，如图2所示，这样较小的竖向荷载可以提供较大的水平荷载。

具体的，如图3所示，所述传力钢轴(9)穿过位于混凝土试件(2)上部四分点处钢轴孔洞，两端分别连接方形轴承架(4)；所述传力钢轴(9)与所述混凝土试件(2)之间是转动的。

在试验过程中，由MTS试验机作动头(6)施加往复荷载，通过轴向力传感器(7)、山字形加载架(5)、轴承(3)、方形轴承架(4)及传力钢轴(9)传至混凝土试件(2)。

若加载往复过程竖向荷载P相同，则在向下加载过程，通过山字形加载架(5)中间部分施加到混凝土试件(2)上两侧的作用力竖直分量P/2的合力与混凝土试件(2)的重力及试样支座(1)反力相互抵消，其作用力水平分量F，方向水平向外，此时山字形加载架(5)两侧部分不产生额外作用力；当加载过程向上时，通过山字形加载架(5)两侧部分施加到混凝土试件(2)上两侧的作用力竖直分量P/2的合力与混凝土试件(2)的重力及试样支座(1)反力相互抵消，其作用力水平分量F，方向水平向内，同样，此时山字形加载架中间部分不产生额外作用力。水平分量F的大小为：

F＝P/(2 tanα)

整个加载过程中，水平荷载F作用方向水平向外、向内交替出现，形成往复荷载，混凝土试件(2)在往复荷载作用下，预制裂缝(8)实现开裂、扩展与闭合过程，混凝土试件(2)在往复荷载作用下的受力情况分别如图4和图5所示。