纤维混凝土初始扭转构件缩比模型的力学性能测试装置

本发明涉及复合材料力学性能测试，具体涉及一种纤维混凝土初始扭转构件缩比模型的力学性能测试装置。

背景技术：

1、随着建筑审美要求的提高，建筑结构设计中出现的大量的新型结构体系，如网壳、悬锁和张拉索-膜等结构体系。相应地，在结构构件设计上，就必须采用非规则构件。国家体育场(鸟巢)设计中采用了大量的初始弯曲和扭转的构件；广州塔(小蛮腰)和上海中心大厦(shanghai tower)的结构整体为扭转变截面结构，也呈初始扭转状态。在水上建筑中，常常需要用到矩形梁、柱支撑桥体，为了提高建筑观赏性，也有将矩形梁、柱等构件设计成初始扭转矩形梁、柱，初始扭转构件也称自然扭转构件，指构件在初始状态下呈自然扭转状态。

2、纤维复合材料具有高强、轻质、抗腐蚀和耐疲劳等特点，在土木建筑工程中可替代传统的混凝土、木结构、钢和钢筋材料。如用于纤维混凝土。纤维混凝土是指以水泥浆、砂浆或混凝土作基材，以纤维作增强材料所组成的水泥基复合材料。由于纤维的抗拉强度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击强度及延伸率和韧性得以提高。

3、将纤维复合材料应用于初始扭转构件中，从而提高初始扭转构件的力学性能，是建筑结构设计中的发展趋势。随着初始扭转结构在建筑中越来越广泛的使用，进行初始扭转结构力学性能的测试具有非常重要的意义。尤其是用于支撑桥体的初始扭转矩形梁、柱长期浸泡在水中，或者长期被雨水冲刷，导致初始扭转矩形梁、柱力学性能收到一定的影响。因此，亟需一种能够模拟环境的力学性能测试装置。

4、目前，现有的建筑构件用力学性能测试装置存在没有专门用于测试初始扭转构件的装置，由于初始扭转构件为不规则形状，导致难以对初始扭转构件进行装夹固定，且在对初始扭转构件进行力学性能测试时忽略了自然环境因素，导致初始扭转构件的力学性能测试结果不准确的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有的建筑构件用力学性能测试装置存在没有专门用于测试初始扭转构件的装置，由于初始扭转构件为不规则形状，导致难以对初始扭转构件进行装夹固定，且在对初始扭转构件进行力学性能测试时忽略了自然环境因素，导致初始扭转构件的力学性能测试结果不客观、不准确的问题，进而提供一种纤维混凝土初始扭转构件缩比模型的力学性能测试装置。

2、本发明的技术方案是：

3、一种纤维混凝土初始扭转构件缩比模型的力学性能测试装置，它包括矩形钢结构框架1、上夹持组件2、下夹持组件3、淋液组件4、集液组件5、上驱动组件6、下驱动组件7、两个扭矩传感器和多个应变片传感器，矩形钢结构框架1竖直设置在工作台面上，上夹持组件2和下夹持组件3由上至下依次相对布置在矩形钢结构框架1内部，待测试件竖直设置在上夹持组件2与下夹持组件3之间，待测试件外表面由上至下依次粘贴有多个应变片传感器；

4、上夹持组件2包括上连接部和上夹持部，上夹持组件2通过上连接部安装在矩形钢结构框架1的上横梁11底部，上连接部顶端穿过上横梁11并与上驱动组件6输出端连接，所述上驱动组件6安装在上横梁11上表面，上驱动组件6用于驱动上夹持组件2进行正向或反向旋转，上夹持组件2通过上夹持部与待测试件顶端连接，上夹持组件2与上驱动组件6之间连接有扭矩传感器；

5、下夹持组件3包括下连接部和下夹持部，下夹持组件3通过下连接部安装在矩形钢结构框架1的下横梁12顶部，下连接部底端穿过下横梁12并与下驱动组件7输出端连接，所述下驱动组件7安装在矩形钢结构框架1的底座13上表面，下驱动组件7用于驱动下夹持组件3进行反向或正向旋转，下夹持组件3通过下夹持部与待测试件底端连接，下夹持组件3与下驱动组件7之间连接有扭矩传感器；

6、上夹持组件2与下夹持组件3之间由上至下依次布置有淋液组件4和集液组件5，淋液组件4位于待测试件上部，下夹持组件3位于待测试件下部，淋液组件4和下夹持组件3均安装在矩形钢结构框架1的两侧立柱14上，淋液组件4的进液口与外部供液系统连接，淋液组件4的出液口朝向待测试件，集液组件5整体为伸缩式软管结构，集液组件5底部设有充气式环形密封囊体，充气式环形密封囊体的进气口与外部供气系统连接，充气式环形密封囊体套设在待测试件下部，充气式环形密封囊体在充气状态下与待测试件外壁密封贴合。

7、进一步地，淋液组件4包括上环形支撑板41、上法兰42、上橡胶圈43、环形喷淋腔体结构44、两个上固定架45和多个万向喷嘴46，上环形支撑板41水平套设在待测试件上部，上环形支撑板41外壁两侧分别通过两个上固定架45安装在矩形钢结构框架1的两侧立柱14上，上环形支撑板41内壁同轴固定有环形喷淋腔体结构44，环形喷淋腔体结构44外壁安装有与内腔连通的进液接头，所述接头与外部供液系统连接，环形喷淋腔体结构44内壁沿圆周方向均匀安装有多个与内腔连通的万向喷嘴46，上环形支撑板41底部固定连接水平布置的上法兰42，上法兰42下端面固定连接上橡胶圈43。

8、进一步地，集液组件5包括下环形支撑板51、下法兰52、下橡胶圈53、环形气囊密封结构54、波纹式伸缩软管状结构55和两个下固定架57，下环形支撑板51水平套设在待测试件下部，下环形支撑板51外壁两侧分别通过两个下固定架57安装在矩形钢结构框架1的两侧立柱14上，下环形支撑板51内壁同轴固定有环形气囊密封结构54，环形气囊密封结构54外壁安装有与内腔连通的进气接头，所述进气接头与外部供气系统连接，环形气囊密封结构54在充满气的状态下内孔直径小于待测试件外轮廓直径，下环形支撑板51顶部与波纹式伸缩软管状结构55下端连接，波纹式伸缩软管状结构55上端与水平布置的下法兰52连接，下法兰52上端面固定连接下橡胶圈53，环形气囊密封结构54底部安装有排水接头，所述排水接头贯穿环形气囊密封结构54并延伸指贯穿环形气囊密封结构54上方，排水接头与环形气囊密封结构54通过胶接的方式实现密封连接。

9、进一步地，波纹式伸缩软管状结构55包括多个中间法兰551和多个柔性防水密封套筒552，多个中间法兰551由上至下依次水平同轴布置在下法兰52与下环形支撑板51之间，每相邻两个中间法兰551之间设有一个柔性防水密封套筒552，柔性防水密封套筒552两端分别与对应的中间法兰551密封固定连接，下法兰52与相邻的中间法兰551之间密封连接有一个柔性防水密封套筒552，下环形支撑板51与相邻的中间法兰551之间密封固定连接。

10、进一步地，集液组件5还包括两个导向柱56，下环形支撑板51上端面位于内孔两侧对称加工有两个导向柱安装盲孔，两个导向柱56下端分别竖直插装在下环形支撑板51的两个导向柱安装盲孔，每个中间法兰551上均加工有与两个导向柱56滑动配合的第一导向通孔，多个中间法兰551由上至下均通过导向通孔套装在两个导向柱56上。

11、进一步地，上法兰42上加工有两个与导向柱56相匹配的第二导向通孔，上环形支撑板41上加工有两个与导向柱56相匹配的第三导向通孔，两个导向柱56上端分别竖直插装在上法兰42的第二导向通孔以及上环形支撑板41的第三导向通孔内，上法兰42与下法兰52之间通过多个法兰连接螺栓可拆卸密封连接。

12、进一步地，上夹持组件2包括装夹卡盘21、中心转轴22、轴承支撑件23、四个螺杆连接件24和四个螺旋支撑顶杆25，装夹卡盘21上表面中心加工有卡盘中心孔211，中心转轴22内部竖直插装有中心转轴22，所述中心转轴22通过轴承支撑件23可转动安装在装夹卡盘21上，卡盘中心孔211四周的装夹卡盘21上表面沿径向由内向外开设有两圈安装孔组，每圈安装孔组内包括沿圆周方向均匀布置的四个圆弧形通孔212，四个螺杆连接件24的上部螺杆上端分别插装在其中一圈安装孔组中的圆弧形通孔212内，每个螺杆连接件24的螺杆上分别螺旋安装有两个位于装夹卡盘21上下两侧的锁紧螺母，螺杆连接件24通过上下两个锁紧螺母与装夹卡盘21固定连接，每个螺杆连接件24的下部连接板侧端面上沿水平方向开设有连接板螺纹孔，所述连接板螺纹孔内螺旋安装有螺旋支撑顶杆25，螺旋支撑顶杆25另一端侧壁沿径向开设有销孔，所述销孔内部插装有销杆。

13、进一步地，螺旋支撑顶杆25一端固定有碗状橡胶支脚，所述碗状橡胶支脚的开口朝向待测试件。

14、进一步地，上驱动组件6包括伺服电机61、电机安装座62、主动锥齿轮63和从动锥齿轮64，从动锥齿轮64通过平键固定套装在中心转轴22上端轴肩处，从动锥齿轮64与主动锥齿轮63相啮合，主动锥齿轮63通过平键固定套装在伺服电机61的电机轴端部轴肩处，伺服电机61通过电机安装座62安装在矩形钢结构框架1的上横梁11上表面。

15、进一步地，上环形支撑板41、上法兰42、环形喷淋腔体结构44、万向喷嘴46、下环形支撑板51、下法兰52和中间法兰551均由不锈钢材质制成。

16、本发明与现有技术相比具有以下效果：

17、1、本发明用于实现纤维混凝土初始扭转构件缩比模型的抗扭实验，具有模拟下雨环境和模拟浸水环境两种功能。能够在不同模拟环境下测出纤维混凝土初始扭转构件缩比模型的抗扭强度。

18、淋液组件4用于模拟下雨环境，通过供液系统将预先配置好的酸雨溶液等液体注入环形喷淋腔体结构44的内腔中，再通过分布在待测试件周围的多个万向喷嘴46将内腔中的液体喷射在待测试件表面，由于待测试件为不规则形状的初始扭转构件，通过调整集液组件5底部的环形气囊密封结构54内腔中的充气量及气压，来适应待测试件的形状，使得环形气囊密封结构54将待测试件密封包裹，气囊的材质可以选择橡胶或硅胶材质，在模拟下雨环境时，波纹式伸缩软管状结构55处于收缩状态，此时波纹式伸缩软管状结构55、环形气囊密封结构54及待测工件之间形成一个容积较小的密封槽，模拟下雨环境时需要将环形气囊密封结构54底部的排水接头打开，排水接头通过外接管路与供液系统中的储液箱连接，在水泵的作用下实现液体的循环利用。

19、通过将集液组件5与淋液组件4组合后，用于模拟浸水环境。在模拟浸水环境时，波纹式伸缩软管状结构55处于伸展状态，集液组件5的下法兰52通过连接件与淋液组件4的上法兰42密封连接，此时波纹式伸缩软管状结构55、环形气囊密封结构54及待测工件之间形成一个容积较大的密封腔体，模拟浸水环境时需要将环形气囊密封结构54底部的排水接头关闭，液体存储在该密封腔体内，使待测试件中段浸泡在液体中。

20、2、本发明能够对纤维混凝土初始扭转构件缩比模型实施剪切力，即分别采用上驱动组件6和下驱动组件7由两方向施力于纤维混凝土初始扭转构件缩比模型的上部和下部，使纤维混凝土初始扭转构件缩比模型的上部和下部沿各自的着力方向发生相对位移。同时通过安装在上夹持组件2与上驱动组件6之间、下夹持组件3与下驱动组件7之间的扭矩传感器分别测量各自施加的扭力；通过安装在待测试件外表面的多个应变片传感器分别对待测试件不同位置的应力进行检测。

21、3、本发明设计了专门用于固定呈不规则形状的初始扭转构件的上夹持组件2和下夹持组件3，通过在装夹卡盘21上不同位置加工圆弧形通孔212，来适应不同初始扭转构件的尺寸以及同一初始扭转构件不同夹持部位，同时通过将夹持初始扭转构件的末端执行器设计成为螺纹连接的方式，能够自适应待测试件的不规则定位面，并在螺旋支撑顶杆25末端设计成碗状橡胶支脚，使得碗状橡胶支脚在螺旋支撑顶杆25的带动下将内部空气排除，进而将碗状橡胶支脚吸附在待测试件表面，避免在加载过程中发生打滑现象，有效地提高了实验精度。