大尺寸全级配混凝土轴拉试验机

1. 大尺寸全级配混凝土轴拉试验机，它包括上框架梁（1）、下框架梁（5）、两个立柱（4）、主钢梁（2）、两个磁流变阻尼器（8）、两个阻尼器传力杆（3）、上承力杆（41）、中承力杆（42）、下承力杆（6）、混凝土试件上连接钢板（9）、混凝土试件下连接钢板（10）、球铰（11）、拉力杆（15）、力传感器（18）、液压作动器（19）、电荷放大器及控制卡（21）、电流控制器（22）、计算机及控制软件系统（23）、伺服阀（26）、伺服阀驱动器（27）、伺服系统控制箱（28）、伺服油源（29），其特征在于：两个磁流变阻尼器（8）分别各串联一个阻尼器传力杆（3），构成两侧的变刚度部分，在混凝土试件上连接钢板（9）和混凝土试件下连接钢板（10）之间连接大尺寸全级配混凝土试件，构成混凝土轴拉核心部位，两侧变刚度部分与混凝土轴拉核心部位这三部分通过并联方式连接，上端与主钢梁（2）连接，下端与下框架梁（5）连接，两个立柱（4）上端与上框架梁（1）连接，下端与下框架梁（5）连接，液压作动器（19）设置在上框架梁（1）的上部，并通过力传感器（18）与主钢梁（2）连接。
2.根据权利要求1所述的大尺寸全级配混凝土轴拉试验机，其特征在于：混凝土试件下连接钢板（10）连接到下承力杆（6），下承力杆（6）穿过下框架梁（5），通过螺纹连接压紧螺母（13），在压紧螺母（13）与下框架梁（5）之间设置球铰（11），液压作动器作动头（20）连接到上承力杆（41），穿过上框架梁（1），上承力杆（41）中间布置力传感器（18），下端穿入主钢梁（2），通过螺纹连接压紧螺母（13），在压紧螺母（13）与主钢梁（2）之间设置球铰（11）。

大尺寸全级配混凝土轴拉试验机\n技术领域\n[0001] 本发明主要涉及混凝土试验机，是一种用于大尺寸全级配混凝土全程轴拉试验的试验机，尤其是一种可实现大尺寸全级配混凝土试件断裂破坏过程稳定可控的试验装置，属于土木工程技术领域。\n背景技术\n[0002] 在全世界高坝建设趋缓的情况下，我国仍然有数量众多的在建和拟建高混凝土坝，目前在建和拟建的高混凝土坝高度已达到300m量级，如锦屏一级（305m）、小湾（294.5m）、溪洛渡（285.5m）、白鹤滩（284m）等，坝高已经超出现行设计规范，国内外也没有先例可予借鉴，而且所在地区地形陡峻，地质条件复杂，地震烈度高，环境恶劣，从而增加了设计的难度。全级配混凝土轴向拉伸应力—变形全曲线是混凝土大坝性能评价的一个重要指标，直接影响设计大坝的安全评价结果。其受拉破坏过程的应力—变形全曲线（包括上升段和下降段）由于能够宏观地反映混凝土在各个受力阶段时的变形、内部微裂缝的发展、损伤积累和最终破坏等一系列过程，是分析和计算大坝承载力和变形的重要参数，对于揭示大坝混凝土的内部损伤发展过程和破坏机理有重要意义。\n[0003] 目前一般的大体积混凝土材料性能试验都是在骨料经过湿筛后的小试件上进行的，工程设计单位大都采用湿筛混凝土试件，即将直径超过40mm的骨料去掉制成试件进行拉伸试验，有关规范也是依据这样的试验确定有关大坝混凝土的弹模、抗拉强度、抗压强度和极限应变等参数。材料组成配比发生如此大的变化，必然造成试验结果与实际大坝全级配混凝土性质的差异，无法真实反映实际大坝混凝土的性能指标。众所周知，混凝土是一种尺寸效应材料，对于全级配混凝土这一点更为突出，因此有必要进行全级配混凝土大试件轴向拉伸试验研究，探讨大坝混凝土轴拉破坏机理，为大坝设计、分析评估提供可靠的力学参数，所以开展大尺寸全级配混凝土轴向拉伸应力—变形试验装置研制具有重要意义。\n[0004] 纵观国内外大尺寸全级配混凝土拉伸应力—变形全曲线试验机的研究现状，目前对拉伸应力—变形全曲线进行试验研究的对象还仅限于截面为250mm×250mm及以下尺寸试件，少量开展了450mm×450mm的大尺寸混凝土拉伸应力—变形全曲线的研究，但由于试验机加载能力、刚度等因素，导致很难得到应力—变形的全曲线。由于全级配混凝土试件尺寸过大，试验机刚度要求较高。而试验装置拥有足够大的刚度是测定混凝土受拉应力—变形全曲线的根本保证，所以在全曲线的研究历史中，如何提高试验装置的刚度曾经是研究者们一度最为关注的。最初的思路是与普通材料试验机并联刚性构件来增加试验装置刚度，以保证在整个试验过程中试验机贮存的弹性能量不会突然释放，从而达到混凝土试件稳定破坏的目的。采用刚性组件提高试验机刚度有2点不足：(1)当试件极限拉伸值较大的时候，由于附加刚性组件承担了较多的试验机加载力，导致试验机对混凝土试件的加载能力难以满足；(2)对于脆性较大的混凝土，其下降段曲线比较陡，需要试验机的刚度很大，而这往往难以做到。目前这些在普通试验机上并联刚性元件的改装试验机对小尺寸的混凝土试件的测试可以取得较好的效果，对大尺寸全级配混凝土构件的试验测试明显显现出不足，这些试验机不能保证在整个实验过程中试验机贮存的弹性能量不会突然释放，从而达到混凝土试件稳定破坏。所以全级配混凝土在普通的试验机上很难得到轴向拉伸应力—变形全曲线。河海大学利用自研的可进行全级配混凝土轴向拉伸应力—变形全曲线的试验装置进行的试验，但试验机的刚度调节能力有限，使用中油阻尼器有空程现象，清华大学采用在INSTRON 8056刚性试验机上直接试验得到类似的结果，但由于试验机造价昂贵，同时试验机的极限载荷、净空均有限制，净空过小导致只能采取端部粘贴钢板进行轴拉试验，极易出现端部破坏，造成试验失效。\n[0005] 智能流体磁流变液（Magneto-rheological Fluid，简称MRF）是饱和磁感应强度很高而矫顽力很小的软磁微粒分散于不导磁的油中形成的悬浊液。在外加磁场下，其流体结构和性能会瞬间变化，表观粘滞系数增加几个数量级，甚至表现出类固体性能，其产生的屈服强度随外加磁场的变化而变化，当外加磁场撤除后，在几个毫秒内MRF的结构和性能迅速复原。MRF具有的毫秒级内快速复原和屈服应力与外加磁场成线性关系的特性使得它非常适合于快速动作的可控性器件的使用。因此，近年来将智能材料结构装配到机械结构中以提升机械结构的性能是一个新的趋势。基于磁流变材料的阻尼器具有出力大，能耗小，反应迅速，已成为结构振动控制的新一代主动驱动装置，目前，已在汽车、建筑、航空、机械、医疗等领域得到了广泛的研究与应用。\n发明内容\n[0006] 技术问题：针对现有技术存在的技术问题，本发明提出涉及一种可进行大尺寸全级配混凝土轴向拉伸应力—变形全过程测试的轴拉试验机。通过磁流变阻尼器元件的设置，试验机具有变刚度特性，与普通试验机、并联刚性元件的改装试验机等传统试验机相比，该试验机可实现大尺寸全级配混凝土试件断裂破坏过程的稳定可控，并且造价低、极限载荷、净空限制小、结构设计简单、容易维护。\n[0007] 技术方案：\n[0008] 本发明的大尺寸全级配混凝土轴拉试验机，它主要包括上框架梁、下框架梁、两个立柱、主钢梁、两个磁流变阻尼器（结构简图如图2，线圈通入电流后在阻尼通道中产生磁场，磁流变液在磁场作用下发生磁流变效应，通过改变电流大小从而实现阻尼力实时可调）、两个阻尼器传力杆、上承力杆、中承力杆、下承力杆、混凝土试件上连接钢板、混凝土试件下连接钢板、球铰、拉力杆、力传感器、液压作动器、反馈控制卡、电流控制器、计算机及控制软件系统、伺服阀、伺服阀驱动器、伺服系统控制箱、伺服油源。两个磁流变阻尼器分别各串联一个阻尼器传力杆，构成两侧的变刚度部分，在混凝土试件上连接钢板和混凝土试件下连接钢板之间连接大尺寸全级配混凝土试件，构成混凝土轴拉核心部位，两侧变刚度部分与混凝土轴拉核心部位这三部分通过并联方式连接，上端与主钢梁连接，下端与下框架梁连接，两个立柱上端与上框架梁连接，下端与下框架梁连接，液压作动器设置在上框架梁的上部，并通过力传感器与主钢梁连接。混凝土试件下连接钢板连接到下承力杆，下承力杆穿过下框架梁，通过螺纹连接压紧螺母，在压紧螺母与下框架梁之间设置球铰，液压作动器作动头连接到上承力杆，穿过上框架梁，上承力杆中间布置力传感器，下端穿入主钢梁，通过螺纹连接压紧螺母，在压紧螺母与主钢梁之间设置了球铰，球铰布置方式如图3所示。大尺寸全级配混凝土试件、试验机结构和阻尼器三者刚度的关系如图4刚度简化模型所示。\n组件A代表钢立柱，刚度为KA；组件B代表上下两个球铰、传感器等传力装置串联后的构件，刚度为KB；组件C代表附加的磁流变阻尼器，刚度为KC；组件D代表液压作动器，刚度为KD；\nS代表混凝土试件，刚度为KS。试验机的刚度满足：\n[0009] 两个磁流变阻尼器出力大小调节的控制系统主要包括电荷放大器、控制卡（A/D转换器、控制器、D/A转换器，数字I/O、编码器、2路可编程PWM、PCI接口等的集成，可采用Quanser公司的HIL控制卡的Q8系列）、计算机及控制软件系统（可采用Quanser公司开发的WINCON实时控制软件）、电流控制器、传感器数据线、阻尼器外置电流线。试验机的作动系统包括伺服阀、伺服阀驱动器、计算机及控制软件系统、伺服系统控制箱、伺服油源、伺服控制线路。\n[0010] 大尺寸全级配混凝土轴拉试验机采用并联设置磁流变阻尼器的方法增加了试验机的整体刚度，利用力传感器和应变传感器采集混凝土试样及试验机的信息，通过传感器数据线将采集的信息依次传输给电荷放大器、控制卡处理，再通过计算机及控制软件系统的分析，其计算分析出的反馈信息传输给电流控制器，由电流控制器输出电流，通过阻尼器外置电流线传输到磁流变阻尼器活塞中的线圈上，实现磁流变阻尼器阻尼力实时可调，并实现试验机刚度的实时可变，以此约束混凝土拉伸曲线下降段因荷载下降导致的试验系统的回弹，从而保证试件的稳定断裂，这种可进行大尺寸全级配混凝土轴向拉伸应力—变形全过程测试的轴拉试验机克服了普通试验机和并联刚性元件的改装试验机刚度不足及弹性能量释放过程不可控的问题。\n[0011] 针对现有技术存在的技术问题，本发明涉及一种可进行大尺寸全级配混凝土轴向拉伸应力—变形全过程测试的轴拉试验机。通过磁流变阻尼器元件的设置，试验机具有变刚度特性，与普通试验机、并联刚性元件的改装试验机等传统试验机相比，该试验机可实现大尺寸全级配混凝土试件断裂破坏过程的稳定可控，并且造价低、极限载荷、净空限制小、结构设计简单、容易维护。\n[0012] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：\n[0013] 1、本发明采用试验机并联磁流变阻尼器协同组合变刚度技术，具有稳定可控、性能优良、价格低廉、极限载荷、净空限制小、结构设计简单、容易维护的优点；\n[0014] 2、在进行大尺寸全级配混凝土轴向拉伸应力—变形全过程测试时，本发明克服了普通试验机、并联刚性元件的改装试验机等传统试验机加载能力不足、试验机刚度不够，不能实现大尺寸全级配混凝土试件断裂破坏过程的稳定可控，从而得不出应力—变形全曲线下降段得缺点。通过磁流变阻尼器的并联布置，试验机具有变刚度特性，保证在整个实验过程中试验机贮存的弹性能量不会突然释放，从而达到混凝土试件稳定破坏，由此得到更科学、合理、可靠的大尺寸全级配混凝土轴向拉伸应力—变形全曲线。\n[0015] 3、本发明克服了已有刚性试验机的空间限制的缺点，净空过小导致只能采取端部粘贴钢板进行轴拉试验，极易出现端部破坏，造成试验失效。本发明所采用与大尺寸全级配混凝土并联的构件可以为混凝土试件让出空间，只要满足并联关系，混凝土试件两侧的磁流变阻尼器和立柱均可向两侧移动，避免了试验机的空间限制。并且，混凝土试件上、下连接钢板对混凝土试件的夹持方式没有限制，外夹、内埋或粘贴均可采用。\n[0016] 4、本发明在大尺寸全级配混凝土试件上承力杆与主钢梁、下承力杆与下框架梁连接处，分别布置了球铰，这两个球铰作为偏心调整组件有效地解决了大尺寸全级配混凝土试件开裂后的偏心问题。\n附图说明\n[0017] 图1为本发明的结构示意图；\n[0018] 图2为本发明的磁流变阻尼器结构简图；\n[0019] 图3为本发明的球铰布置示意图；\n[0020] 图4为本发明的刚度简化模型示意图。\n[0021] 图中：\n[0022] \n具体实施方式\n[0023] 以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。\n[0024] 如图1所示本发明的大尺寸全级配混凝土轴拉试验机，它包括两个磁流变阻尼器（8）分别各串联一个阻尼器传力杆（3），构成两侧的变刚度部分，在混凝土试件上连接钢板（9）和混凝土试件下连接钢板（10）之间连接大尺寸全级配混凝土试件，构成混凝土轴拉核心部位，两侧变刚度部分与混凝土轴拉核心部位这三部分通过并联方式连接，阻尼器传力杆（3）上端与主钢梁（2）通过固定锁紧螺母（12）连接，磁流变阻尼器（8）下端通过固定锁紧螺母（12）与下框架梁（5）连接，混凝土试件上连接钢板（9）通过固定锁紧螺母（12）连接到主钢梁（2）上，上承力杆（41）和中承力杆（42）中各布置一个力传感器（18），两个立柱（4）上端与上框架梁（1）连接，下端与下框架梁（5）连接，液压作动器（19）设置在上框架梁（1）的上部，并通过力传感器（18）与主钢梁（2）连接。混凝土试件下连接钢板（10）连接到下承力杆（6），下承力杆（6）穿过下框架梁（5），通过螺纹连接压紧螺母（13），在压紧螺母（13）与下框架梁（5）之间设置了球铰（11），液压作动器作动头（20）连接到上承力杆（41），穿过上框架梁（1），上承力杆（41）中间布置力传感器（18），下端穿入主钢梁（2），通过螺纹连接压紧螺母（13），在压紧螺母（13）与主钢梁（2）之间设置了球铰（11），混凝土试件上连接钢板（9）与主钢梁（2）通过中承力杆（42）连接，中承力杆（42）中间布置力传感器（18）。\n[0025] 磁流变阻尼器（8）结构简图如图2，阻尼器（8）内部充满磁流变液（34），与外部连接处用密封圈（39）密封，线圈（38）绕嵌在活塞（35）中，活塞（35）连接活塞杆（36），活塞杆（36）与外部构件连接；阻尼器外置电流线（25）通过导线通道（40）连接到阻尼器内部线圈（38）上，通过改变外部通入的电流大小实现磁流变液（34）在阻尼通道（37）中发生磁流变效应，从而实现阻尼力实时可调。两个磁流变阻尼器（8）出力大小调节的控制系统主要包括电荷放大器及控制卡（21）（A/D转换器、控制器、D/A转换器，数字I/O、编码器、2路可编程PWM、PCI接口等的集成，可采用Quanser公司的HIL控制卡的Q8系列）、计算机及控制软件系统（23）（可采用Quanser公司开发的WINCON实时控制软件）、电流控制器（22）、传感器数据线（24）、阻尼器外置电流线（25）。试验机的作动系统包括伺服阀（26）、伺服阀驱动器（27）、计算机及控制软件系统（23）、伺服系统控制箱（28）、伺服油源（29）、伺服控制线路（31）。\n[0026] 对于大尺寸全级配混凝土试件，若采用普通液压试验机加载，可以得到稳定的拉伸应力—变形全曲线上升段，但当试件应力达到其极限强度之后，试件会发生突然性脆裂破坏，应力—变形曲线的下降段无法得到。本发明的大尺寸全级配混凝土轴拉试验机采用并联设置磁流变阻尼器的方法增加了试验机的整体刚度，利用力传感器和应变传感器采集混凝土试样及试验机的信息，通过传感器数据线将采集的信息依次传输给电荷放大器、控制卡处理，再通过计算机及控制软件系统的分析，其计算分析出的反馈信息传输给电流控制器，由电流控制器输出电流，通过阻尼器外置电流线传输到磁流变阻尼器活塞中的线圈上，实现磁流变阻尼器阻尼力实时可调。在大尺寸全级配混凝土轴向拉伸应力—变形全过程测试试验中，根据试验过程中实时采集到的试件及试验机立柱应力—变形信息判断，当应力—变形全曲线处于上升段时，磁流变阻尼器不发挥作用，当全曲线处于下降段时，为得到混凝土试件的稳定破坏，由阻尼器控制系统通过采集的数据计算分析需要输出的合理的电流值，利用电流控制器实时地将反馈信息输入到试验机附加的磁流变阻尼器中，实现试验机刚度的实时可变，以此约束混凝土拉伸曲线下降段因荷载下降导致的试验系统的回弹，由于阻尼器吸收全级配混凝土破坏过程试验机释放的能量，从而保证试件的稳定断裂。\n本发明涉及的这种可进行大尺寸全级配混凝土轴向拉伸应力—变形全过程测试的轴拉试验机克服了普通试验机和并联刚性元件的改装试验机刚度不足及弹性能量释放过程不可控的问题。