CN204142578U - 一种用于三轴试验的被动式约束加载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，该装置用于对立方体试件进行三轴试验，包括压缩试验机和加载平台，装置还包括置于压缩试验机和加载平台之间的加载框架和施力组件，施力组件通过加载框架与立方体试件连接，加载框架包括两个互相垂直连接的加载元件，加载元件由两个相对设置的加载端组成，四个加载端分别与立方体试件的四个周向面连接，加载平台分别与立方体试件的底部和加载端的底部接触，加载平台、立方体试件、加载框架和施力组件均对中置于压缩试验机加载空间内。与现有技术相比，本实用新型具有应用广度大等优点。

Description

一种用于三轴试验的被动式约束加载装置

技术领域

本实用新型涉及一种工程材料试验仪器领域，尤其是涉及一种用于三轴试验的被动式约束加载装置。

背景技术

三轴试验是研究土体，岩石及混凝土等建筑材料力学性能重要的试验方法。该类材料在多向应力环境下表现出不同于单向应力环境下的力学特性。而在建筑工程中，尤其是大体积工程，材料往往处于多向应力状态。材料在多向应力下的强度及变形特性对结构设计极其重要。此外，随着计算机技术的发展，数值计算成为分析大型工程项目的重要方法，其中最广泛的应用是有限元方法，该方法则需要合理的强度准则和本构关系。这就需要通过获取多轴应力状态下材料的强度与变形性能的试验研究。

针对岩石及混凝土等固体材料，国内外现已有液压伺服三轴试验机可模拟多向(二轴/三轴)受力环境。目前，该类装置的加载方式主要有恒力控制，恒速率力控制，恒位移控制和恒速率位移控制四种加载方式。通过力-位移传感***及同步采集仪获取力和变形的信息。该类加载方式均为主动式，即某一方向的加载力不能与该方向的位移耦合形成被动式加载。这给分析被动式约束环境下的材料强度与变形特性带来了困难。而该类力学状态随着加固工程的发展而愈来愈常见，如纤维增强复合材料加固桥墩等柱体构件。由于缺乏相应的被动式三轴试验装置，目前的研究均基于主动式三轴试验机的试验研究进行后续研究，但该方法与混凝土的应力路径相关性相悖。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用广度大的用于三轴试验的被动式约束加载装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，该装置用于对立方体试件进行三轴试验，包括压缩试验机和加载平台，所述装置还包括置于压缩试验机和加载平台之间的加载框架和施力组件，所述施力组件通过加载框架与立方体试件连接，所述加载框架包括两个互相垂直连接的加载元件，所述加载元件由两个相对设置的加载端组成，所述四个加载端分别与立方体试件的四个周向面连接，所述加载平台分别与立方体试件的底部和加载端的底部接触，所述加载平台、立方体试件、加载框架和施力组件均对中置于所述压缩试验机加载空间内。

所述施力组件包括两个互相垂直的施力单元，所述两个施力单元分别与两个加载元件对应连接。

所述施力单元由多根互相平行的约束杆组成，所述加载元件的两个加载端上设有用于通过约束杆的预留孔，所述约束杆穿过该预留孔并与所述两个加载端连接。

所述加载端包括相互连接的连接板和加载面板，所述预留孔设于连接板上，所述加载面板与立方体试件周向面接触，所述连接板与约束杆连接。

所述加载端与立方体试件之间留有空隙，所述加载端与立方体试件之间以及立方体试件上下表面均设有防摩擦垫材，所述加载端与加载平台之间设有防摩擦垫材。

所述约束杆由筋骨以及设在筋骨两端的锚固体组成，所述筋骨通过锚固体与加载端连接。

所述锚固体通过螺母与加载端连接，所述螺母与加载端之间设有钢垫块，所述钢垫块由两个不同外径的半圆环体组成。

所述筋骨为玻璃纤维筋材，所述锚固体包括钢套管和粘结胶体，所述钢套管内表面通过粘结胶体与筋骨连接，外表面与螺母连接。

所述装置还包括位移测试组件，所述位移测试组件包括采集仪和两个位移单元，所述两个位移单元分别与两个加载元件对应连接，所述两个位移单元还均与采集仪连接。

所述位移单元由两个位移计组成，所述两个位移计分别与加载元件的两端连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)被动式加载可以丰富三轴试验的应力路径，扩充三轴试验的应用广度。

2)筋材的不同可实现围压与变形的协调关系，即周向力与相应方向位移满足多种线性比例的耦合关系。

3)不同方向筋材的选择不同可实现侧向两个主应力方向的独立性，即双向的线性关系相互独立。

4)试验装置简单，无需制造三轴试验机，可在一般压力试验机上进行试验。

附图说明

图1为本实用新型的平面图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为约束杆结构示意图；

图4为实施例中左右方向加载端的主视尺寸示意图；

图5为实施例中左右方向加载端的侧视尺寸示意图；

图6为实施例中左右方向加载端的俯视尺寸示意图；

图7为实施例中前后方向加载端的主视尺寸示意图；

图8为实施例中前后方向加载端的侧视尺寸示意图；

图9为实施例中前后方向加载端的俯视尺寸示意图；

其中：1、压缩试验机，2、加载平台，3、立方体试件，4、位移计，5、约束杆，6、加载端，51、筋骨，52、钢套管，53、螺母，54、钢垫块，55、粘结胶体，61、翼板，62、连接板，63、加载面板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，该装置用于对立方体试件3进行三轴试验，如图1和图2所示，包括压缩试验机1、加载平台2以及置于压缩试验机1和加载平台2之间的加载框架和施力组件，施力组件通过加载框架与立方体试件3连接，加载框架包括两个互相垂直连接的加载元件，加载元件由两个相对设置的加载端6组成，四个加载端6分别与立方体试件3的四个周向面连接，加载平台2分别与立方体试件3的底部和加载端的底部连接，加载平台2、立方体试件3、加载框架和施力组件均对中置于压缩试验机1加载空间内，本实施例中立方体试件3为边长为100毫米的混凝土试块；

压缩试验机1对立方体试件3施加轴向压力，立方体试件3在轴向压缩作用下产生周向形变，该周向形变激发施力组件产生周向力，该周向力通过加载框架施加在立方体试件3的四个周向面上。

施力组件包括两个互相垂直的施力单元，两个施力单元分别与两个加载元件对应连接。

每个施力单元由4根互相平行的约束杆5组成，加载元件的两个加载端6上均设有用于4个通过约束杆5的预留孔，4根约束杆5穿过4个预留孔并与两个加载端6连接。

加载端6包括相互连接的连接板62和加载面板63，预留孔设于连接板62上，加载面板63与立方体试件3周向面接触，连接板62与约束杆5连接，本实施例中加载端6为钢材，加载端6还包括两块翼板61，连接板62和加载面板63通过两块翼61连接。

加载端6与立方体试件3之间留有空隙，立方体试件3的六个面上均设有防摩擦垫材，所述加载端6与加载平台2下底板之间设有防摩擦垫材，其中，防摩擦垫材用于避免因层间摩擦形成的端部约束对试验材料强度的影响。

如图3所示，约束杆5由筋骨51以及设在筋骨51两端的锚固体组成，筋骨51通过锚固体与加载端6连接。

如图3所示，锚固体通过螺母与加载端6连接，螺母与加载端6之间设有钢垫块54，钢垫块54由两个不同外径的半圆环体组成，便于敲击卸除，两个半圆环体的内径相同，本实施例中，上方的半圆环体外直径为110毫米，下方的半圆环体的外直径为80毫米，内直径为35毫米，如图2所示，仅上方的约束杆5与连接板62的连接处设有钢垫块54，为了进一步节省材料，约束杆5两端仅一端设有钢垫块54。

锚固体通过螺母与加载端连接，螺母与加载端之间设有钢垫块，钢垫块由两个不同外径的半圆环体组成。

筋骨51为玻璃纤维筋材，锚固体包括钢套管52和粘结胶体55，钢套管52内表面通过粘结胶体55与筋骨51连接，外表面与螺母53连接，本实施例中，钢套管52采用内外螺纹，内螺纹用于增强与粘结胶体55之间的咬合力，外螺纹用于与螺母53连接，粘结胶体55材料为环氧树脂，螺母53的外直径为50毫米，钢套管52的外直径为33毫米，内直径为30毫米。

如图1所示，装置还包括位移测试组件，位移测试组件包括采集仪和两个位移单元，两个位移单元分别与两个加载元件对应连接，两个位移单元还均与采集仪连接。

其中，两个加载元件的尺寸信息可以有所不同，本实施例中具体尺寸信息如图4至图9所示，图1中左右方向加载端6的连接板62尺寸为250毫米×200毫米，图1中上下方向(即实际前后方向)加载端6的连接板62尺寸为200毫米×200毫米，其中加载面板63的尺寸相同，均为95毫米×95毫米。

本三轴试验的被动式约束加载装置的使用过程具体如下：

1)制作立方体试件3，标记区分四个左右对应的周向受力面与两个上下对应的轴向压缩面。将立方体试块放置于加载装置的试块安放区，即加载平台2上；

2)安装周向加载框架和施力组件，施力方向分别垂直于立方体的周向受力面；

加载框架和施力组件的安装可以只安装一对，也可以安装两对，安装一对的过程如下：

将一个加载元件，即两个加载端6分别相对置于加载平台，将约束杆5穿过连接板62的四个预留孔，固定好位置使约束杆5的自由段中心与加载中心在同一直线，连线处于加载面法向方向，再由锚固体拧入螺栓，此时立方体试件3仅四个表面设有防摩擦垫材，分别为上下表面和与加载端6接触的表面。

安装两对的过程如下：

先将一个加载元件，即两个加载端6相对置于加载平台，将约束杆5穿过连接板62的四个预留孔，固定好位置使约束杆5的自由段中心与加载中心在同一直线，连线处于加载面法向方向，再由锚固体拧入螺栓；再将另外一个加载元件，即另外两个加载端6安于第一对相垂直的方向置于加载台上，将约束杆5穿过钢板的四个预留孔，固定好位置使约束杆5的自由段处于加载中心，再由锚固体拧入螺栓，此时立方体试件3六个表面均设有防摩擦垫材；

在位于加载端6上侧的两根约束杆5一侧的螺母与加载端6间加入便于装置卸载的钢垫块54，拧紧所有约束杆5的端部螺母；

3)安装位移计4及应变片于加载装置内，分别测试立方体试件3轴向变形，周向变形及加载装置自身的变形；

4)连接采集仪，将力与变形的采集信息同步化；

5)启动压缩试验机1，通过控制轴向位移变形速率进行轴向力的主动加载，并同时记录力和各向变形的数据；

6)当周向变形达到极限值或立方体试件3发生不可继续加载的破坏，试验结束。

上述施力组件采用的材料为线性弹性材料，该***需在试验前进行拉拔试验，获得力增量与变形增量的比例因子K＝ΔF/ΔL。该因子可通过筋骨的弹性模量及几何尺寸改变。

上述施力组件与加载框架的连接为锚固连接，其锚固力需满足与滑移量成线性关系，且线性因子远小于比例因子K。

立方体试件3的周向变形与相应方向上筋材及其锚固体系的变形对等，具体如式(1-1)所示：

ε_iL_c＝ε_rL_r+2s       (1-1)

其中：L_c为试块边长(mm)，ε_i为试块侧向某一主应变。ε_r为筋骨弹性应变，L_r为筋骨的自由长度(此装置设计长度为200mm)，s为锚固体内筋骨滑移量(mm)。

粘结力与筋骨拉力相互平衡建立筋骨滑移与筋骨弹性应变的相互关系如式(1-2)所示：

Ks＝E_rε_rA_r    (1-2)

其中：K为筋骨拉拔刚度(单位N/mm)，E_r为筋材的弹性模量(单位MPa)。两参数可通过带锚固件的筋材拉拔试验测得，A_r为筋材截面积(单位mm²)。

联立式(1-1)和(1-2)可建立筋骨应变与混凝土应变的转化关系，如式(1-3)所示：

${\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{{\mathrm{\δ}}_c}{L_r+2\frac{E_r{A}_r}{K}}=\frac{L_c}{L_r+2\frac{E_r{A}_r}{K}}{\mathrm{\ϵ}}_i---(1-3)$

该被动加载***最终作用于混凝土试块某一主应力方向上的合力如式(1-4)所示：

$F=n_r{\mathrm{\ϵ}}_r{E}_r{A}_r=\frac{n_r{L}_c}{\frac{L_r}{E_r{A}_r}+\frac{2}{K}}{\mathrm{\ϵ}}_i---(1-4)$

其中：n_r为某围压方向筋材根数，即一个加载元件内约束杆5的根数。

其加载速率ρ_i可由公式(1-5)计算得到：

${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{n_r}{(\frac{L_r}{E_r{A}_r}+\frac{2}{K})L_c{f}_c^{\′}}---(1-5)$

其中：f′_c为混凝土立方体试块单轴抗压强度。

即满足变形与荷载的线性耦合。而实际加载速率可通过两对加载端6跟约束杆5组合而成的组件的拉拔试验测得。

Claims (10)

1.一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，该装置用于对立方体试件进行三轴试验，包括压缩试验机和加载平台，其特征在于，所述装置还包括置于压缩试验机和加载平台之间的加载框架和施力组件，所述施力组件通过加载框架与立方体试件连接，所述加载框架包括两个互相垂直连接的加载元件，所述加载元件由两个相对设置的加载端组成，所述四个加载端分别与立方体试件的四个周向面连接，所述加载平台分别与立方体试件的底部和加载端的底部接触，所述加载平台、立方体试件、加载框架和施力组件均对中置于所述压缩试验机加载空间内。

2.根据权利要求1所述的一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，其特征在于，所述施力组件包括两个互相垂直的施力单元，所述两个施力单元分别与两个加载元件对应连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，其特征在于，所述施力单元由多根互相平行的约束杆组成，所述加载元件的两个加载端上设有用于通过约束杆的预留孔，所述约束杆穿过该预留孔并与所述两个加载端连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，其特征在于，所述加载端包括相互连接的连接板和加载面板，所述预留孔设于连接板上，所述加载面板与立方体试件周向面接触，所述连接板与约束杆连接。

5.根据权利要求3所述的一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，其特征在于，所述加载端与立方体试件之间留有空隙，所述加载端与立方体试件之间以及立方体试件上下表面均设有防摩擦垫材，所述加载端与加载平台之间设有防摩擦垫材。

6.根据权利要求3所述的一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，其特征在于，所述约束杆由筋骨以及设在筋骨两端的锚固体组成，所述筋骨通过锚固体与加载端连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，其特征在于，所述锚固体通过螺母与加载端连接，所述螺母与加载端之间设有钢垫块，所述钢垫块由两个不同外径的半圆环体组成。

8.根据权利要求7所述的一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，其特征在于，所述筋骨为玻璃纤维筋材，所述锚固体包括钢套管和粘结胶体，所述钢套管内表面通过粘结胶体与筋骨连接，外表面与螺母连接。

9.根据权利要求1所述的一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，其特征在于，所述装置还包括位移测试组件，所述位移测试组件包括采集仪和两个位移单元，所述两个位移单元分别与两个加载元件对应连接，所述两个位移单元还均与采集仪连接。

10.根据权利要求9所述的一种用于三轴试验的被动式约束加载装置，其特征在于，所述位移单元由两个位移计组成，所述两个位移计分别与加载元件的两端连接。