混凝土试件高温中拉伸变形测试装置及其变形传感器夹具的制作方法

本发明涉及混凝土力学性能试验测试领域中的变形传感器夹具及使用该夹具的混凝土试件高温中拉伸变形测试装置。

背景技术：

随着高层建筑的迅速发展，火灾问题日益突出。在高层建筑中，钢筋混凝土结构占90%以上。作为主要结构材料的混凝土在火灾高温中和高温后力学性能将发生一系列变化，如强度和弹性模量下降、变形增加等。而作为建筑物的承重和支撑体系，其结构必须在一定时期内保持足够的承载力，以便受灾人员安全撤离，消防人员进行灭火和救护伤亡人员等。因此，要从建筑安全设计方面有效地进行火灾防控，就必须深入研究火灾下混凝土等结构材料的性能衰减规律，这不仅是对混凝土结构及其材料在火灾下服役能力进行科学评估和性能研究的主要指标，也是建立混凝土结构抗火设计方法以及建立过火混凝土结构损伤评估及修复加固方法的重要依据，特别是混凝土在高温和张拉应力耦合作用下的应变响应和破坏机理，对于完善混凝土抗火设计理论，建立一套合理、方便和实用的混凝土结构抗火设计方法具有重要的理论意义和应用价值。而要获得混凝土材料在高温下变形行为的精准试验数据是很难的，现有测试设备和装置均经受不起火灾高温的直接作用，也就无法测得混凝土试件在高温中的变形值，如申请名称为“混凝土直接拉伸试验试件、试件成型模具及成套装置”、公开号为cn106018044a的中国专利中公开了一种对混凝土进行直接拉伸试验的装置，该装置虽然解决了常温条件下混凝土试件的直接拉伸及变形测试问题，但该装置中的变形传感器同样无法直接用于测试高温中的试件变形值。为此，要想了解混凝土在高温下变形行为的信息，就必须开发出适用的新型测试装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种变形传感器夹具，以解决现有技术中无法直接利用变形传感器测得高温中混凝土拉伸变形的问题；本发明的目的还在于提供一种使用该变形传感器夹具的混凝土试件高温中拉伸变形测试装置。

为解决上述技术问题，本发明中变形传感器夹具的技术方案如下：

变形传感器夹具，包括呈弧形的弹性件、设于弹性件两端的固定座、设于固定座外端的测量杆，所述测量杆具有用于伸入火灾模拟炉中的耐火测量端，所述固定座的一侧均设置有带紧固螺钉的用于夹持变形传感器、带顶板夹持杆或定位杆夹持箍。

优选的，所述测量杆包括设于固定座外端的主肢以及设于所述主肢上的由耐火材料制成的耐火钉。

优选的，所述主肢包括与所述固定座的外端连接的矩形截面段以及通过挡环与所述矩形截面段连接的圆柱形截面段，两测量杆上均设置两个锁销，靠近固定座的为第一锁销，另一个为第二锁销，与第一锁销和第二锁销相对的另一测量杆主肢矩形截面段设置有第一锁销孔和第二锁销孔，锁销均可在锁销孔中穿出和缩回；测量杆主肢的圆柱形截面段套设有脱开弹簧和套筒，脱开弹簧一端与挡环连接，另一端设置在套筒内并与套筒连接，脱开弹簧和套筒组成的活动机构可沿主肢的圆柱形截面段滑动；每个套筒向各自套筒所在测量杆上的第二锁销孔方向设置有供另一测量杆上的第二锁销穿过的套筒挂扣，测量杆主肢上设置有供另一测量杆上第一锁销穿过的卡勾，所述卡勾用于连接限位弹簧，所述测量杆主肢上设置有用于连接限位弹簧的挂孔。

优选的，所述圆柱形截面段的端部夹持连接所述耐火钉，所述圆柱形截面段的端部径向设置可降低热传导的隔热孔。

所述主肢相向各伸出一个扳机肢，两所述锁销通过所述扳机肢设置在对应的所述测量杆上。

本发明中混凝土试件高温中拉伸变形测试装置的技术方案为：

混凝土试件高温中拉伸变形测试装置，包括至少两个上述结构的变形传感器夹具。

优选的，所述变形传感器夹具的两个夹持箍分别夹持变形传感器和带顶板夹持杆。

优选的，所述变形传感器夹具的两个夹持箍夹持两个相同的定位杆，所述定位杆上均设刀口卡槽，引伸计两个测量杆末端的刀片插接在对应的所述刀口卡槽中。

优选的，所述变形传感器夹具有两个，分别插设于火灾模拟炉两侧，火灾模拟炉外侧设置八个滑轮，四条限位弹簧分别通过四组挂孔和卡勾连接火灾模拟炉两侧的所述变形传感器夹具。

本发明的有益效果为：使用时，将变形传感器和带顶板夹持杆固定到变形传感器夹具的固定座中，然后将变形传感器夹具的耐火测量端插入火灾模拟炉中，当混凝土试件被拉伸时带动变形传感器夹具的两个测量杆做相对运动，进而带动变形传感器和顶板做具有线性变化的相对运动，这样火灾模拟炉中经高温和荷载耦合作用后的试件变形量就通过变形传感器夹具传递给炉外的变形传感器，解决了变形传感器无法直接测试混凝土试件高温中变形量的难题。

进一步的，变形传感器夹具的结构使得变形传感器夹具的耐火钉插入火灾模拟炉后，通过由限位弹簧、卡勾及挂孔等组成的限位机构将耐火钉顶抵在混凝土试件上，当高温中混凝土试件变形值超出变形传感器量程或混凝土试件发生断裂时，第一锁销伸出部分刚好缩回到锁销孔内，使连接有限位弹簧的卡勾释放，第二锁销伸出部分也刚好缩回到锁销孔内使套筒挂扣释放，套筒内压紧的脱开弹簧带动套筒弹向火灾模拟炉的壳体而使变形传感器夹具脱开试件，由变形传感器夹具扳机肢上的锁销、测量杆上的锁销孔、卡勾、套筒挂扣及限位弹簧等构成的超程保护机构发挥作用，保护变形传感器和变形传感器夹具不被破坏。

进一步的，圆柱形截面段的端部夹持连接所述耐火钉，可以根据需要及时更换损坏耐火钉，圆柱形截面段的端部径向设置可降低热传导的隔热孔，降低热量向后传递的幅度，进一步保护变形传感器夹具及变形传感器。

需要说明的是，混凝土试件高温中拉伸变形测试装置不仅适用于测试混凝土在火灾和张拉荷载作用下破坏全程的变形行为，也适用于测试混凝土在火灾和恒定张拉荷载作用下徐变行为。

附图说明

图1是本发明中实施例1混凝土试件高温中拉伸变形测试装置的使用状态图；

图2是图1中变形传感器夹具与变形传感器的配合示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是图1中混凝土试件高温中拉伸变形测试装置与火灾模拟炉的配合示意图；

图5是图1中混凝土试件的结构示意图；

图6是图5的俯视图；

图7是图1中上夹持夹具的结构示意图；

图8是图7的俯视图；

图9是图1中火灾模拟炉的结构示意图；

图10是图9的侧视图；

图11是图9的俯视图；

图12是实施例2中变形传感器夹具与变形传感器的配合示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的混凝土试件高温中拉伸变形测试装置如图1~11所示。混凝土试件高温中拉伸变形测试装置包括一对使用时分设于火灾模拟炉两侧的变形传感器夹具14、变形传感器12、带顶板夹持杆13、滑轮e10、限位弹簧b1(b1’)和限位弹簧b4(b4’)等。

变形传感器夹具包括弧形结构的弹性件a1，弹性件a1的均设置固定座，一个固定座上设置变形传感器12，另一个固定座上设置带顶板夹持杆13，本实施例中固定座均为通过螺钉a2锁紧的夹持箍a3，变形传感器的测量球头顶在顶板上。测量杆有两个，即设置于带变形传感器的固定座上的第一测量杆15，设置于带顶板夹持杆的固定座上的与第一测量杆15对应的第二测量杆16，各测量杆包括设于固定座外端的主肢a4以及设于主肢上的耐火钉a17，测量杆的耐火测量端为耐火钉，耐火钉a17由耐火材料制成。主肢a4包括包括与固定座的外端连接的矩形截面段以及通过挡环与矩形截面段连接的圆柱形截面段，耐火钉a17与圆柱形截面段夹持相连，圆柱形截面段夹持耐火钉处设置隔热孔a16，隔热孔a16沿圆柱形截面段的端部径向设置，用于降低热传导对变形传感器夹具14的不利影响。耐火钉a17与试件6接触的一端端部为锥状（或刀片状），用于准确定位并防止滑脱。各测量杆的主肢a4相向各伸出一个扳机肢a15，每个扳机肢的端部均分出两个锁销，第一测量杆15上的两个锁销称为第一测量杆第一锁销和第一测量杆第二锁销，第二测量杆上的两个锁销称为第二测量杆第一锁销a7和第二测量杆第二锁销a10，各测量杆主肢的矩形截面段上均设置有供对应锁销穿出的锁销孔，对应于第一测量杆15第一锁销和第二锁销的是第二测量杆上的第一锁销孔和第二锁销孔，对应于第二测量杆第一锁销a7和第二锁销a10的是第一测量杆上的第一锁销孔a8和第二锁销孔a11。第一测量杆15的第一锁销可在第二测量杆上对应的第一锁销孔内伸出和缩回并与下方后侧设置的限位弹簧b1连接的卡钩a6配合使用，第一测量杆15第二锁销可在第二测量杆16上对应的第二锁销孔a11’内伸出和缩回并与第二测量杆16的套筒卡扣a9配合使用，第一测量杆15上与第二锁销孔a11相邻的圆柱形截面段上套设有第一测量杆套筒a14，第二测量杆16与扳机肢a15相邻的圆柱形截面段上套设有第二测量杆套筒。测量杆的圆柱形截面段套设脱开弹簧a13，所述脱开弹簧设置在所述套筒内，一端与套筒连接，另一端固定在挡圈a12上，挡圈a12为圆形挡圈。各变形传感器夹具的测量杆上均设置有限位弹簧连接结构，本实施例中限位弹簧连接结构为弹簧挂孔a5，左侧变形传感器夹具上第一测量杆的挂孔a5连接第一限位弹簧b1的一端，第一限位弹簧b1搭跨在火灾模拟炉5后上方的两个滑轮e10的限位槽中，另一端通过连接的卡钩a6卡在右侧变形传感器夹具第二测量杆扳机肢的第一锁销a7上；右侧变形传感器夹具上第一测量杆的挂孔a5连接第二限位弹簧b4的一端，第二限位弹簧b4搭跨在火灾模拟炉5前上方的两个滑轮e10的限位槽中，另一端通过连接的卡钩a6卡在左侧变形传感器夹具第二测量杆扳机肢的第一锁销a7上。左右两个变形传感器夹具第二测量杆也通过前后两条限位弹簧（b1’和b4’）和两套挂孔卡勾结构进行连接。四条限位弹簧配合使用，在混凝土试件高温中变形测试过程中用于将左右两个变形传感器夹具的测量杆始终夹持在试件上，并与试件变形协调一致。

该混凝土试件高温中拉伸变形测试装置的工作原理如图1。混凝土试件高温中拉伸变形测试装置用于混凝土试件高温张拉试验装置中，混凝土试件高温张拉试验装置包括张拉系统、降温系统、火灾模拟系统、控制及数据采集系统及所述混凝土试件高温中拉伸变形测试装置。

所述张拉系统包括加载杆1、荷载传感器2、球铰连杆3、夹持夹具4等。

试件6采用“i”字形结构，从中部至两端依次分为受火段c1、传力段c2和受载段c3，受火段c1包括测试段c0。受火段c1用于模拟遭受的火灾作用；测试段c0也是预定断裂段，用于强度和变形性能的测试；传力段用于为试验操作提供足够的空间；受载段c3用于张拉力的施加。为避免变截面处的应力集中，测试段c0和传力段c2、传力段c2和受载段c3之间均采用半径为r的弧面过渡。为确保试件的破坏发生在截面最小的测试段c0，试件的截面从测试段c0的2r逐渐增大到受载段c3的4r。所述测试段c0的长度、宽度和厚度均等于2r，而且为便于试件浇注成型，各段的厚度均等于2r。受载段c3接近与传力段c2的弧面过渡处设置有与试件轴向呈45度角的受载面。

夹持夹具4成对使用，分别夹持住试件6的受载段c3形成张拉力。夹持夹具依据试件6端部的结构形式和尺寸加工而成，由背板d3将主梁d1、肩板d4、卡梁d5连接成整体结构，中间形成可对试件6进行夹持的方锥形开口卡槽，为便于试件安装，所述方锥形开口卡槽的尺寸大于试件6的受载段c3。主梁中心靠试件6的一侧设置有球铰窝d2，球铰窝与球铰连杆3形成球面副。卡梁d5的内侧面与两个夹持夹具4夹持试件6后形成的球铰窝中心线呈45度角，而且夹持卡梁d5的加载面与试件6的受载面应完全贴合。使用时一个夹持夹具4通过球铰连杆3与荷载传感器2连接，荷载传感器2再通过加载杆1与试验机的钳口或张拉接口连接，另一个夹持夹具4直接通过球铰连杆3与试验机的钳口或张拉接口连接完成对试件6的张拉。试件制作模具在对应试件受载段c3的受载面应与加载夹具卡梁d5的加载面倾角完全一致。球面副的设置及试件和加载夹具接触面的一致性可保证在张拉试件时不致使试件变截面处产生弯矩、扭矩和应力集中，提高试验成功率。与试件6直接接触的卡梁d5及背板d3中设置相互连通的水循环管d6，所述水循环管设置有进水口和出水口。

所述降温系统包括水冷机9、出水管10和回水管11等。冷水机9通过出水管10和回水管11连接夹持夹具4中水循环管d6的进水口和出水口。所述水冷机内是集成了包括水泵、水箱、蒸发器、压缩机、压力控制器、过滤器、储液器、冷凝器、风扇等部件的风冷式制冷机。水泵与出水管10连接，回水管11内设置温度传感器，温度传感器通过信号线与控制器8连接。所述水泵为可变频离心泵，当测量的回水温度小于设定温度，水泵以低频运行，当高于设定温度，渐渐增大水泵运行频率，当水泵运行频率达到极限或温度高于设定温度加带宽时，启动水冷机9，以确保夹持夹具4在试验中刚度不受影响。

所述火灾模拟系统包括火灾模拟炉5及其支撑机构等。火灾模拟炉是由两个等大的半方柱形壳体通过合页e6和锁具e11连接而成，两个半方柱形壳体结构对称，均由外壳e1形成围护骨架，外壳由不锈钢制成。两个半方柱形壳体连成整体的火灾模拟炉5后中空部分形成炉膛e5。火灾模拟炉的外壳e1和炉膛e5间依次设置隔热层e2、保温层e3和火灾模拟腔e4。隔热层由耐热隔热材料制成，可采用纳米气凝胶复合绝热毡，用来防止热量的散失。保温层可采用无机耐火保温材料制备，如矿渣棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝棉、陶瓷纤维等，用来保温隔热。火灾模拟腔壁由耐火材料制成，内置加热管e9，模拟生成火灾，加热管通过导线与控制器连接。为测得炉膛e5内的温度，在炉膛e5周围对称布置多个温度传感器e8，温度传感器外设保护管，温度传感器通过导线与控制器8连接。两个半方柱形壳体的连接面形成了接缝e7，接缝e7面上镶贴一层耐高温棉毡，在高温试验中防止热量的散失。接缝e7的中部扩大形成变形测量缝e12，所述变形测量缝的尺寸应满足变形传感器夹具14对工作空间的需要。炉膛的横向截面形状为长方形，尺寸稍大于试件6的传力段c2，纵向长度与试件受火段c1的长度相当或略大，这样的结构形式不仅保证能满足试验要求，也更利于对试件受火段c1施加模拟的火灾作用。支撑机构是一套由转轴e13和连杆e14等组成的活动机构，连杆e14的一端固定在火灾模拟炉5半体的外壳e1上，另一端固定在转轴e13的轴承上，转轴e13通过轴承和另一个连杆e15与对试件6施加张拉荷载的试验机框架相连，通过连杆e14带动火灾模拟炉5绕转轴e13的转动实现对火灾模拟炉5的移位。当需要对试件进行火灾模拟试验时，绕转轴e13转动火灾模拟炉5朝向试件6的受火段c1，沿合页e6打开火灾模拟炉5的两个半壳体，使炉膛e5刚好包围住试件6的受火段c1，用锁具e11锁紧火灾模拟炉5，将炉膛与试件的接触部位用耐火棉毡封闭后即可按照设定的程序对试件施加模拟的火灾作用。与合页e6和锁具e11所在外壳e1的相邻外侧壁边角且水平对应于变形测量缝e12处均设置上下两套滑轮e10，滑轮组用于支撑第一限位弹簧b1(b1’)和第二限位弹簧b4，且避免对变形测量值带来误差。

控制及数据采集系统由荷载传感器2、操控屏7、控制器8、变形传感器13、温度传感器e8等组成。控制器分别通过电缆与荷载传感器2、变形传感器13、操控屏7、冷水机9、火灾模拟炉5和试验机等相连接。通过程序和操控屏7实现对张拉荷载、火灾模拟炉内温度、冷水机等的控制和对张拉荷载、试件变形、温度等参数的采集。

在测试试件变形时，两个变形传感器成对配合使用，将变形传感器12和带顶板夹持杆13安装在所述变形传感器夹具上，调整变形传感器在测试量程内，将所述变形传感器夹具的耐火钉a17夹持在试件6的测试段c0上，将限位弹簧b1的一端挂接在一套变形传感器夹具14的挂孔a5上，限位弹簧绕过火灾模拟炉5上的滑轮组e10，另一端挂接卡勾a6卡在另一套变形传感器夹具第一锁销a7上，将另一只限位弹簧b4完成同样的连接，再完成第二组b1’和b4’的连接。在火灾和荷载的耦合作用下，变形传感器夹具14能和试件测试段c0同步变形并将变形值传递给变形传感器12，第一测量杆、第二测量杆开始呈八字形，当试件变形超出量程或试件断裂时，耐火钉通过变形传递最终使扳机肢带动锁销和的外伸部分回到锁销孔和中，卡勾a6和套筒挂扣a9均与锁销脱开，在脱开弹簧a13的作用下变形传感器夹具14从试件6上脱开，对变形传感器夹具14及变形传感器12均形成一种保护。

在变形测试前要对变形传感器夹具14和变形传感器12等组成的混凝土试件高温中拉伸变形测试装置的精度进行整体标定。

实施例2

与实施例1不同的是，为满足变形传感器采用卡式引伸计的需要，变形传感器夹具14的夹持箍a3均用于夹持定位杆18，所述定位杆端部均设置有与引伸计17相配合的刀口卡槽19。使用时将引伸计17两个测量杆前端的定位刀片的刀口卡在所述卡槽中，如图12所示。

在本发明的其它实施例中：弹性件上也可以粘贴应变片来代替变形传感器；两个变形传感器夹具也可以不共用限位弹簧，比如说将对应测量杆直接通过限位弹簧连接于火灾模拟炉上；各测量杆上的第一锁销、第二锁销还可以直接连接在对应主肢上。