混凝土直接拉伸試驗試件、試件成型模具及成套裝置的制造方法

混凝土直接拉伸試驗試件、試件成型模具及成套裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種混凝土直接拉伸試驗試件、試件成型模具及成套裝置，包括混凝土直接拉伸試驗試件、混凝土直接拉伸試驗試件成型模具和混凝土直接拉伸試驗成套裝置；混凝土直接拉伸試驗試件為方截面等厚度啞鈴型抗拉試件；混凝土直接拉伸試驗試件成型模具包括側模框架和底板，側模框架由兩組鏈合側板對接形成；混凝土直接拉伸試驗成套裝置包括加載框架、加載機構、試件張拉夾持夾具、試件變形測試夾具和數據采集系統。本發明具有設計合理、結構簡單、環保高效和測試精準的優點。
【專利說明】
混凝土直接拉伸試驗試件、試件成型模具及成套裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及工程檢測試驗技術領域，特別是涉及一種混凝土直接拉伸試驗試件、 試件成型模具及成套裝置。
【背景技術】
[0002] 混凝土直接拉伸試驗是準確獲取混凝土抗拉強度、極限拉伸值以及抗拉彈性模量 等一系列抗拉參數的重要技術手段，為混凝土結構設計、理論分析和性能評價提供重要依 據。但目前混凝土直接拉伸試驗尚無理想的試驗方法和裝置，混凝土單軸抗拉強度大多是 通過間接拉伸試驗或通過與抗壓強度的經驗公式換算獲得。混凝土間接拉伸試驗方法(如 劈裂抗拉強度和抗彎拉強度)雖然較為簡單，但嚴格來說它們并不是混凝土拉伸強度的真 實反映。就混凝土抗拉強度與抗壓強度之間的關系，雖然研究人員已提出各種經驗公式，但 在實際應用中普遍存在相關性差的問題。在進行混凝土直接拉伸試驗時，合理的試件型式 和張拉方式是確保試驗成功的關鍵，長期以來，國內外科研人員曾開發了多種試件型式及 相應的張拉方式，試件縱向構型可概括為柱型和啞鈴型，試件橫截面構型有圓形和方形，其 中柱形試件端部又分為局部放大和整體放大兩種。張拉方式可概括為三種:①通過在試件 兩端預埋組件進行張拉的內埋型(端部穿孔可作為內埋型的特殊形式）;②通過外部夾具夾 持試件兩端提供摩擦力對試件進行張拉的外夾型;③通過粘結材料粘結試件兩端進行張拉 的粘結型。理想的混凝土直接拉伸試驗必須確保試件橫截面上產生的應力均勻分布，完全 消除應力梯度，同時還應滿足準確、高效、環保、重復性好等方面的要求。但目前從國內外現 有的狀況看，尚無一種能完全滿足這些要求的試件型式和張拉方式(裝置）。
[0003] 對于內埋型張拉方式，不僅試件的制作過于繁瑣，而且對于混凝土這種非均質的 材料，要保證試件幾何中心與物理中心嚴格一致十分困難。因此，即使試件制作良好，其試 驗成功率也存在不確定性。
[0004] 對于端部穿孔型張拉方式，除試件制作和夾持困難外，如果試件制作時不能保證 孔的合理布置，那么其測試結果的準確性就難以保證。而且，這種試件在受力過程中二個拉 孔處將產生應力集中，很容易造成圓孔變形，引起偏載，使斷裂面很難落到預定破壞段。
[0005] 對于摩擦型張拉方式，由于摩擦力和試件抗壓強度并無直接相關性，當測試高強 混凝土試件時，可能由于摩擦力不足保證不了試件破壞，或者為保證足夠摩擦力設計過長 的試件又帶來諸多不便。
[0006] 對于粘結型張拉方式，其操作程序過于復雜，首先是需要制作與試件配套的粘貼 板，當試驗工作量較大時，粘貼板的數量也要很大。其次是涂抹的粘結劑極易污染環境，其 揮發氣體還會對操作人員的健康造成危害，試驗結束后，再利用粘貼板時，清除高強樹脂膠 也十分不易。總之，該方法浪費人力和物力，效率過低且不環保。
[0007] 現有八字型混凝土極限拉伸試驗夾具（公告號CN201203556)主要包括基架，夾持 梁鉸接在基架基板上的圓孔中，兩個托板分別通過托板定位銷連接在基架兩側的梯形板 上。該發明提供的八字型混凝土極限拉伸試驗夾具可夾持在試驗機的鉗口中，試件的八字 型端可伸入到基架兩側的梯形板中實現夾具與試驗機的連接。該發明所提供的夾具雖然可 對八字型混凝土試件進行夾持和拉伸試驗，但實踐表明試驗的成功率很低，即試件的斷裂 幾乎都在變截面處，很難發生在預定破壞段之內，所得試驗結果就未能反映混凝土隨機斷 裂的本質特性。由于在試件型式和試件張拉夾持夾具的設計方法上不能給出合理的方案， 就難以避免試件變截面處的應力集中，就無法得到更有價值的試驗結果，因此，有必要開發 出一種結構合理、操作便捷且能準確測試混凝土直接拉伸性能的試件型式及成套裝置，并 便于在普通試驗機上進行直接拉伸試驗。

【發明內容】

[0008] 本發明為解決現有技術中的不足之處，提供一種設計合理、結構簡單、環保高效、 測試精準的混凝土直接拉伸試驗試件、試件成型模具及成套裝置，包括混凝土直接拉伸試 驗試件、混凝土直接拉伸試驗試件成型模具和混凝土直接拉伸試驗成套裝置。
[0009] 為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案： 混凝土直接拉伸試驗試件，所述試件為方截面等厚度啞鈴型抗拉試件，其由上至下依 次為上強固段、上加載段、上傳力段、測試段、下傳力段、下加載段和下強固段，測試段即為 預定破壞段;各段的橫截面均呈方形，且截面厚度均相等，截面寬度由預定破壞段向上強固 段和下強固段逐漸增大;上加載段和下加載段側面均設置為與試件縱向成不大于45度的斜 面，上傳力段兩側面設置為弧面，且弧面兩端切面即為上加載段和預定破壞段的側面，上傳 力段兩側面與上加載段和預定破壞段的側面的連接界面平滑過渡，下傳力段兩側面設置為 弧面，且弧面兩端切面即為下加載段和預定破壞段的側面，下傳力段兩側面與下加載段和 預定破壞段的側面的連接界面平滑過渡。
[0010] 本發明的另一目的是提供混凝土直接拉伸試驗試件成型模具，該試件模具的型腔 與所述的試件相對應，所述試件成型模具包括側模框架和底板;側模框架由兩組鏈合側板 對接形成，每組鏈合側板均由橫側板和縱側板鉸接連接而成，每組鏈合側板的縱側板的對 應位置處均設置有限位槽，對接時一組鏈合側板橫側板的端部插入另一組鏈合側板縱側板 端部設置的限位槽中； 每組鏈合側板的橫側板端部外側中心設置有側板轉軸螺栓，側板轉軸螺栓配設鎖緊螺 母，每組鏈合側板的縱側板端部與所述轉軸螺栓對應位置處設置有側板螺栓卡槽，兩組鏈 合側板通過兩套側板螺栓卡槽、側板轉軸螺栓和鎖緊螺母進行緊固連接，對接時一組鏈合 側板橫側板的側板轉軸螺栓卡入另一組鏈合側板縱側板的側板螺栓卡槽中； 底板的四周側邊中心向外均設置有底板轉軸螺栓，底板轉軸螺栓配設鎖緊螺母，側模 框架的每塊橫側板和縱側板上與底板轉軸螺栓相應位置處設置有底板螺栓卡槽，所述的底 板螺栓卡槽和底板設置的底板轉軸螺栓將底板和側模框架連接為一整體的試件成型模具， 連接時底板的底板轉軸螺栓卡入側模框架的的底板螺栓卡槽中。
[0011] 所述每組鏈合側板的縱側板的構型與所述試件的縱向側面一致;所述底板上設置 有臺階，臺階形狀與所述試件的縱向截面相對應。
[0012] 本發明的另一目的是提供混凝土直接拉伸試驗成套裝置，所述成套裝置包括與所 述試件相配合的試件張拉夾持夾具，所述試件張拉夾持夾具包括連板、肢板、夾持梁、球鉸 頭和T型卡板； 所述連板內端部的前后側均固定連接有倒Y字型的肢板，每個肢板均向下左右兩側分 出兩個肢臂，肢臂端部均設置有圓形套孔，前后側肢板的左側兩對應肢臂和右側兩對應肢 臂之間均設置有夾持梁，夾持梁通過兩端設置的轉軸限位在前后側肢板對應肢臂的兩個圓 形套孔中，夾持梁通過轉軸與圓形套孔轉動連接;夾持梁中間設置有球鉸窩，球鉸窩內設置 球鉸頭，球鉸頭與Τ型卡板通過頂柱固定連接為整體，左右兩Τ型卡板的夾持面與所述試件 的上加載段或下加載段的兩側面貼合。
[0013] 混凝土直接拉伸試驗成套裝置還包括試件變形測試夾具，所述試件變形測試夾具 包括上框架和下框架，上框架和下框架均包括由前肢、左肢和后肢組成的固定結構和由右 肢組成的可動結構，固定結構的后肢右端和右肢的后端鉸接連接，固定結構的前肢右端和 右肢前端通過鎖銷連接，所述鎖銷設置在右肢前端的限位槽內，限位槽的前后側壁設置有 限制鎖銷位置的滑動導孔，鎖銷中間設置有把手，介于把手和限位槽后側壁之間的鎖銷桿 上套裝有復位彈簧，所述前肢右端部朝向鎖銷的側面設置有與鎖銷相對應的鎖銷插槽，鎖 銷壓入插槽后可動結構的右肢即與固定結構組成一體的結構框架;所述左肢內側面排列設 置有至少兩個頂錐，右肢內側面中心設置有試件夾持螺釘，試件夾持螺釘穿過右肢且其頂 端指向左側； 上框架和下框架均通過兩個頂錐和一個試件夾持螺釘夾持在所述試件的測試段處； 上框架左肢和右肢下側面均固定連接有標距柱，標距柱外側壁均設置有上卡箍，下框 架的左肢和右肢與標距柱上的卡箍對應位置處分別設置有下卡箍，上卡箍和下卡箍構成變 形傳感器夾具。
[0014] 混凝土直接拉伸試驗成套裝置還包括加載框架和加載機構，所述加載框架包括由 左至右依次布置的左柱、中柱與右柱和由上至下依次布置的主梁、導向梁和底座，左柱、中 柱和右柱固結于底座上，導向梁固結于左柱和中柱上，主梁固結于左柱、中柱和右柱上，主 梁和導向梁左側處沿垂直方向設置有上下對應的導桿滑動導向套孔;主梁右側處沿垂直方 向設置有拉桿滑動導向套孔;中柱位于主梁和導向梁之間的柱體中心處設置有杠桿方孔； 所述加載機構包括加載導桿、杠桿、轉軸、轉盤手柄、加載螺母和拉桿，加載導桿通過所 述導桿滑動導向套孔與加載框架形成滑動連接，加載導桿頂端設置承載帽，杠桿分別通過 轉軸與加載導桿、中柱和拉桿鉸接連接，杠桿與加載導桿、杠桿與拉桿的連接孔均為長圓 孔，杠桿與中柱的連接孔為圓孔，拉桿中部通過軸銷與杠桿鉸接連接，拉桿上端穿過所述拉 桿滑動導向套孔并與主梁滑動連接，拉桿伸出主梁滑動導孔的上端部分設置有外螺紋，設 置外螺紋的桿體處套設有加載螺母； 所述試件的上加載段和下加載段位置處各設置一套所述試件張拉夾持夾具，上加載段 處的所述試件張拉夾持夾具和下加載段處的所述試件張拉夾持夾具上下對稱設置，每套試 件張拉夾持夾具的連板的外端部對應于所述試件中心拉伸軸線處均設置有半球形球鉸孔， 半球形球鉸孔內設置球鉸連接件，上加載段處的試件張拉夾持夾具通過對應的球鉸連接件 與拉桿連接，下加載段處的試件張拉夾持夾具通過對應的球鉸連接件與荷載傳感器連接。
[0015] 混凝土直接拉伸試驗成套裝置還包括數據采集系統，所述數據采集系統包括荷載 傳感器、變形傳感器、控制器、計算機，兩個變形傳感器夾持在對應的變形傳感器夾具上，荷 載傳感器的上端通過對應的球鉸連接件與對應的試件張拉夾持夾具連接，荷載傳感器的下 端與所述底座連接，荷載傳感器和變形傳感器分別通過數據電纜與控制器連接，控制器通 過數據電纜與計算機連接。
[0016] 所述T型卡板的夾持面上設置有緩沖層； 所述T型卡板的外邊緣設置有限位擋板，所述限位擋板與T型卡板夾持面形成的夾角與 所述試件對應處的邊角相等； 所述變形傳感器卡箍上設置有緊固螺釘； 所述鎖銷和滑動導孔的橫截面均為方形，所述插槽也為方形，所述鎖銷的鎖頭的縱向 內側面為弧面； 加載螺母外固定連接有轉盤手柄，加載螺母和主梁的滑動導孔間設置有軸承； 拉桿中部靠上側處固定套設有圓盤，緩沖裝置設在杠桿上位于主梁和圓盤之間的位置 處； 所述緩沖裝置為彈簧或阻尼器； 所述底座與荷載傳感器下端對應位置處也設置有半球形球鉸孔，半球形球鉸孔內設置 球鉸連接件，荷載傳感器的下端通過對應的球鉸頭連接件與所述底座連接。
[0017] 所述變形傳感器為差動變壓器式位移計，所述標距柱上的上卡箍是固定差動變壓 器式位移計的主體，對應的下卡箍固定頂板，差動變壓器式位移計測試端的球珠頂在頂板 上，測試過程中差動變壓器式位移計通過自身的彈性元件始終使球珠與頂板接觸，通過上 框架和下框架傳遞的相對位移獲得試件預定破壞段的變形量。
[0018] 所述變形傳感器為電阻應變計式引伸計，所述標距柱上的上卡箍和下框架對應設 置的下卡箍均分別固定有上下對稱的限位桿，所述限位桿內端部一側均設置有用于限定引 伸計刀刃位置的刀刃卡槽，電阻應變計式引伸計的兩刀刃分別卡接在對應的刀刃卡槽內， 每個限位桿與刀刃卡槽對應另一側均設置有防滑槽，測試過程中電阻應變計式引伸計的兩 刀刃始終固定在限位桿上，通過上框架和下框架傳遞的相對位移獲得試件預定破壞段的變 形量。
[0019] 本發明的有益效果是： (1)采用方截面等厚度啞鈴型試件型式可降低澆筑制作混凝土試件時的難度、節省人 力物力。試件傳力段兩側面的弧面設計可保證張拉時拉應力由加載段向測試段(預定破壞 段)的均勻傳遞，避免變截面處應力集中的產生，合理的測試段設計確保試件的破壞能真實 反映混凝土隨機斷裂的本質。
[0020] (2)試件成型模具不僅可確保試件的構型和尺寸精度，而且拆裝方便，工作效率 尚。
[0021] (3)加載框架和加載機構的設計可將對試件的拉向加載轉換為壓向加載，便于在 普通壓力試驗機上進行試驗，使本發明的裝置更具有適用性。
[0022] (4)轉盤手柄的設置不僅便于試件的安裝，也便于實現手動加載。
[0023] (5)試件張拉夾持夾具中夾持梁中心的球鉸窩和T型卡板的球鉸頭構成一種自適 應球鉸結構，可實現對試件的合理夾持和張拉，消除試件張拉端部的彎矩和扭矩，使預定破 壞段內的拉應力分布均勻，保證試驗的成功率從而獲得能真實反映混凝土斷裂破壞特征的 試驗參數。
[0024] (6)變形測試夾具適用于對多種便攜式變形傳感器的夾持，使測試效率高、成本 低。
[0025] (7)本發明的混凝土直接拉伸試驗成套裝置及測試方法不僅適用于水泥混凝土試 件的直接拉伸試驗，也適用于水泥砂漿及其他脆性材料的直接拉伸試驗。
【附圖說明】
[0026]圖1是混凝土直接拉伸試驗試件的結構示意圖； 圖2是混凝土直接拉伸試驗試件成型模具的裝配圖； 圖3是混凝土直接拉伸試驗試件成型模具中底板的主視圖； 圖4是混凝土直接拉伸試驗試件成型模具中底板的俯視圖； 圖5是混凝土直接拉伸試驗試件成型模具中鏈合側板的主視圖； 圖6是混凝土直接拉伸試驗試件成型模具中鏈合側板的俯視圖； 圖7是混凝土直接拉伸試驗成套裝置中加載框架與加載機構的結構示意圖； 圖8是混凝土直接拉伸試驗成套裝置中試件張拉夾持夾具的結構示意圖； 圖9是實施例1中混凝土直接拉伸試驗成套裝置中試件變形測試夾具的主視圖； 圖10是實施例1中混凝土直接拉伸試驗成套裝置中試件變形測試夾具的俯視圖； 圖11是實施例1中混凝土直接拉伸試驗成套裝置中試件變形測試夾具的左視圖； 圖12是實施例2中混凝土直接拉伸試驗成套裝置中試件變形測試夾具的主視圖； 圖13是實施例2中混凝土直接拉伸試驗成套裝置中試件變形測試夾具的俯視圖； 圖14是實施例2中混凝土直接拉伸試驗成套裝置中試件變形測試夾具的左視圖。
【具體實施方式】 [0027] 實施例1: 以下結合圖1至圖11對本發明的【具體實施方式】作詳細說明，本發明的混凝土直接拉伸 試驗試件、試件成型模具及成套裝置，包括混凝土直接拉伸試驗試件、混凝土直接拉伸試驗 試件成型模具和混凝土直接拉伸試驗成套裝置。
[0028] 混凝土直接拉伸試驗試件為方截面等厚度啞鈴型抗拉試件，對于混凝土這種非均 質非連續的多相復合材料，其破壞過程受內部隨機分布的缺陷和裂縫的控制，在單軸應力 作用下試件的斷裂破壞點具有不確定性，為獲得混凝土破壞行為更有價值的信息，必須使 試件的破壞發生在預定破壞段，此時，試件的結構型式對能否成功實現混凝土的直接拉伸 試驗至關重要，它決定著試驗成功的概率、結果的精準性、測試效率、經濟性，也決定著采用 的相應試件成型模具和張拉方式，為實現上述目的，本發明提供一種方截面等厚度啞鈴型 張拉試件(如圖1)。
[0029] 如圖1所示，方截面等厚度啞鈴型抗拉試件可分為四個特征段:強固段A1(按圖1方 位處于上部的強固段A1為上強固段、處于下部的強固段為下強固段）、加載段A2(按圖1方位 處于上部的加載段A2為上加載段、處于下部的加載段A2為下加載段）、傳力段A3(按圖1方位 處于上部的傳力段A3為上傳力段、處于下部的傳力段A3為下傳力段)和測試段(預定破壞 段)A4。測試段(預定破壞段)A4的長度為L，傳力段A3的長度為0.43L、加載段A2的長度為 0.43L、強固段A1的長度為0.75L。各段橫截面均呈方形，厚度均等于測試段A4的長度L，截面 寬度由測試段A4的L逐漸增大到強固段A1的2L。強固段A1設計足夠的縱向長度，可確保內力 的均勻傳遞，避免端部因過早發生劈裂破壞而測不到有效數據。加載段A2側面設計為與試 件縱向成45度的斜面，不僅方便對試件張拉，而且易于使強固段A1端部的內力(壓應力和拉 應力）達到均衡，不至因過長浪費材料，或因過短出現提前破壞現象。傳力段A3兩側面設計 為半徑為R=〇.6L的弧面，弧面兩端切面即為加載段A2和測試段A4的側面，界面過渡平滑，這 種構型可保證拉應力由加載段A2向測試段A4的均勻傳遞，避免變截面處的應力集中。測試 段A4是橫截面最小的部分，張拉時內部產生的拉應力最大，從而使該段具有最大的破壞概 率。所述測試段A4的長度、寬度和厚度均相等，具體尺寸還要依據原材料(如混凝土骨料的 最大粒徑)來確定，以既能反應混凝土隨機斷裂的本質，又便于測試試件斷裂過程中的變形 參數為宜。
[0030] 基于本發明的混凝土直接拉伸試驗試件，本發明的混凝土直接拉伸試驗試件成型 模具（如圖2至圖6)，包括兩塊橫側板B1、兩塊縱側板B3和一塊底板B7,其中，由一塊橫側板 B1和一塊縱側板B3通過軸銷B2聯接而成一組鏈合側板，從而形成兩組鏈合側板，兩組鏈合 側板對接形成側模框架，一組鏈合側板橫側板B1的端部可插入另一組鏈合側板縱側板B3端 部設置的限位槽B8中，每組鏈合側板的橫側板B1端部外側中心設置有T型側板轉軸螺栓B9， T型轉軸螺栓B9配設蝶形螺母，另一組鏈合側板的縱側板B3端部與T型轉軸螺栓B9對應位置 處設置有U型的側板螺栓卡槽B10,兩組鏈合側板通過兩套T型側板轉軸螺栓B9和蝶形螺母 進行緊固聯接，長方形底板B7的四周側邊中心向外均設置有一套T型底板轉軸螺栓B5和蝶 形螺母，每塊側板的相應位置處設置有U型底板螺栓卡槽B6,所述的底板螺栓卡槽B6和底板 B7設置的T型底板轉軸螺栓B5將底板B7和鏈合側板聯接為一整體的試件成型模具。
[0031] 所述縱側板B3的構型與張拉試件7的縱向側面一致，包括強固段A1、加載段A2、傳 力段A3和測試段(預定破壞段)A4,縱側板B3的外側壁設置有空心槽B4,不僅減輕重量，也可 作為搬運時的把手。
[0032]所述底板B7中心依據試件7的縱向截面尺寸設置一個臺階B11，可防止側板沿底板 B7滑移，避免澆筑試件7時產生尺寸偏差。
[0033]基于本發明的混凝土直接拉伸試驗試件，本發明的混凝土直接拉伸試驗成套裝置 包括加載框架、加載機構、試件張拉夾持夾具、試件變形測試夾具和數據采集系統等。本發 明的混凝土直接拉伸試驗成套裝置操作便捷、環保高效、精度高、成本低，并適用于各種加 載條件。
[0034]加載框架起到對加載機構和試件張拉夾持夾具等提供穩定支撐的作用;加載機構 可將壓力轉換為拉力，便于在普通壓力試驗機上使用本裝置;試件張拉夾持夾具17可完全 消除試件7端部的彎矩和扭矩，提高試驗成功率;變形傳感器夾具19便于利用常規的變形傳 感器18獲得試件7的變形值;利用數據采集系統可方便得到水泥砂漿/混凝土的在拉伸荷載 作用下的破壞應力-應變全曲線。
[0035] 如圖7所示，所述加載框架包括左柱8、中柱9、右柱15、主梁2、導向梁5和底座10。左 柱8、中柱9和右柱15固結于底座10上，導向梁5固結于左柱8和中柱9上，主梁2固結于左柱8、 中柱9和右柱15上，構成了整體的框架結構。主梁2和導向梁5左端垂直方向對應處各布置一 個起滑動和導向作用的套孔來放置加載導桿6;主梁2右端垂直方向布置一個穿過拉桿14的 滑動導向套孔;主梁2和導向梁5之間的中柱9上部中心處設置一可供杠桿3穿過和轉動的方 孔。
[0036]如圖7所示，加載機構包括加載導桿6、杠桿3、彈簧(或阻尼器）13、轉軸4、轉盤手柄 11、加載螺母12、拉桿14和試件張拉夾持夾具17等。加載導桿6通過主梁2和導向梁5上垂直 方向設置的滑動導向套孔與加載框架形成滑動聯接，加載導桿6頂端設置承載帽1，便于施 加壓向荷載，加載導桿6沿導向孔的運動可將荷載通過杠桿3傳遞給拉桿14。杠桿3分別通過 轉軸4與加載導桿6、中柱9和拉桿14相聯接，杜桿3與加載導桿6、杜桿3與拉桿14的聯接孔均 為長圓孔，以避免杠桿3轉動時使加載導桿6和拉桿14產生側向彎矩，并有利于荷載的勻速 傳遞;杠桿3與中柱8的聯接孔為圓孔，圓孔可使杠桿保持在垂直平面內的穩定性。拉桿14中 部通過軸銷與杠桿3進行軸聯接，拉桿14上端通過設置于主梁2上垂直方向的滑動導孔與主 梁2進行滑動聯接，拉桿14伸出主梁2滑動導孔的上端部分設置有外螺紋，設置外螺紋的上 端部套設有加載螺母12,加載螺母12與轉盤手柄11固定連接為整體，轉盤手柄11的轉動可 帶動加載螺母12沿拉桿14相對運動，由于加載螺母12和轉盤手柄11相對加載框架在垂直方 向上是靜止的，因而，轉盤手柄11的水平方向的轉動將轉化為拉桿14垂直方向的運動。所 述加載螺母12和主梁2的滑動導孔間設置有軸承，以減小加載螺母12相對主梁2轉動時的滑 動摩擦阻力。
[0037] 拉桿14中部靠上側設置有一圓盤，可將彈簧(或阻尼器）13限制在主梁2和圓盤之 間。加載時，荷載通過加載導桿6由杠桿3傳遞給拉桿14,拉桿14沿垂直方向運動，通過軸銷 和球鉸連接件16帶動試件張拉夾持夾具17使試件7受力，同時使彈簧(或阻尼器）13受到壓 縮，彈簧(或阻尼器）13的設置可方便對試件7的夾持操作，一定程度上可調節試件7斷裂時 加載框架及加載機構的能量釋放率。試件7的兩個張拉端各設置一套試件張拉夾持夾具17， 每套試件張拉夾持夾具17對應于試件7中心拉伸軸線處均設置半球形球鉸孔，球鉸孔內設 置球鉸連接件16,上端的試件張拉夾持夾具17通過球鉸連接件16與拉桿14聯接，下端的試 件張拉夾持夾具17通過球鉸連接件16與荷載傳感器18聯接。
[0038]所述承載帽1的加載面為球面，可使加載導桿6的受力更合理，降低滑動摩擦力。
[0039] 所述杠桿3主動臂的臂長大于從動臂的臂長。
[0040] 如圖8所示，所述的試件張拉夾持夾具17主要由連板C1、肢板C2、夾持梁C6、球鉸頭 C5、T型卡板C4和橡膠板C3等組成。所述連板C1前后兩端固定連接有倒Y字型的肢板C2,肢板 C2向下左右兩側分出兩個肢臂，肢臂端部設置有圓形套孔，夾持梁C6通過兩端設置的轉軸 C8限位在前后肢板C2肢臂的兩個圓形套孔中，并可在圓形套孔中繞轉軸C8自由轉動。夾持 梁C6中間設置有球鉸窩，球鉸窩內設置球鉸頭C5,球鉸頭C5與T型卡板C4通過頂柱C7固定連 接為整體，T型卡板C4的加載面上設置有橡膠板C3,橡膠板C3可使試件和T型卡板C4的夾持 面貼合緊密，使試件加載段A2的荷載分布更為均勻;T型卡板C4的外邊緣設置有限位擋板， 所述限位擋板與T型卡板C4夾持面形成的夾角與試件對應處的邊角相等，使T型卡板C4與試 件接觸處能較好的吻合;夾持梁C6帶動T型卡板C4繞轉軸C8的整體轉動便于將試件7伸入到 本發明的試件張拉夾持夾具17中并被加緊，所述夾持梁C6中心的球鉸窩和球鉸頭C5構成一 種自適應夾持結構，該結構可使T型卡板C4的夾持面與試件的加載面保持更好的平行性，避 免試件端部扭矩和彎矩的產生。
[0041 ] 所述自適應球鉸頭C5的球心位置處于夾持梁C6轉軸C8的軸心上。
[0042] 如圖9至圖11所示，所述試件變形測試夾具19包括上框架和下框架，上框架和下框 架均包括由前肢D6、左肢D2和后肢D13組成的固定結構和由右肢D7組成的可動結構，固定結 構的后肢D13右端和右肢D7的后端通過軸銷D8聯接，固定結構的前肢D6右端和右肢D13前端 通過鎖銷D9聯接，所述鎖銷D9設置在右肢D13前端的限位槽內，限位槽的前后側壁設置有限 制鎖銷D9位置的滑動導孔，鎖銷D9中間設置有把手，介于把手和限位槽后側壁之間的鎖銷 桿上套裝有彈簧，所述前肢D6的右端朝向鎖銷D9的側面設置有鎖銷插槽D12,彈簧釋放時可 將鎖銷D9前端的鎖頭D11壓入所述插槽D12中。所述鎖銷D9和滑動導孔的橫截面均為方形， 可防止鎖銷D9把手的轉動，所述插槽D12也為方形，鎖頭D11的縱向內側面為弧面，便于將其 壓入插槽D12內并被鎖定，鎖銷D9壓入插槽D12后可動結構的右肢D7即與固定結構組成一體 的結構框架。所述左肢D2內側面中心兩側各設置一個頂錐D1，右肢D7內側面中心設置有試 件夾持蝶形螺釘D10,上下框架分別通過兩個頂錐D1和一個蝶形螺釘D10牢固地夾持在被測 試件7上。所述上框架左肢D2和右肢D7下側面固定連接有標距柱D3,標距柱D3外側壁中部設 置有用于夾持變形傳感器18的卡箍D5,所述下框架的左肢D2和右肢D7與標距柱D3上的卡箍 D5對應位置處也分別設置有卡箍D5,所述卡箍D5上設置有蝶形緊固螺釘D4。
[0043]所述標距柱D3的長度可依據試件大小和測試段(預定破壞段)A4的具體長度來確 定。
[0044]所述上框架和下框架可動的右肢D7可繞固定結構旋轉90度，便于對啞鈴型張拉試 件的測試段A4進行夾持操作。
[0045]本實施例的變形傳感器18采用差動變壓器式位移計(LVDTH8A，標距柱D3上的卡 箍D5用于固定差動變壓器式位移計18A的主體，下框架左肢D2和右肢D7上設置的左右卡箍 D5用于固定頂板D14,所述差動變壓器式位移計18A測試端的球珠頂在頂板D14上，在測試過 程中，差動變壓器式位移計18A通過自身的彈性元件始終使球珠與頂板D14接觸，從而測得 試件7加載段A4的變形量。
[0046]如圖7所示，所述數據采集系統包括變形傳感器18、荷載傳感器20、控制器21、計算 機22等，兩個變形傳感器18夾持在變形傳感器夾具19上，荷載傳感器20的上下兩端分別通 過球鉸頭連接件16與試件張拉夾持夾具17和底座10聯接，荷載傳感器20和變形傳感器18分 別通過數據電纜與控制器21連接，控制器21通過數據電纜與計算機22連接。本發明中的控 制器21包括放大器、A/D轉換器、微處理器(CPU)、存儲器、通訊接口電路等，均為現有技術， 不再贅述。
[0047]本發明的混凝土直接拉伸試驗成套裝置的測試方法： 先將試驗裝置放在壓力試驗機的受壓承臺上，使加載導桿6上端的承載帽1與壓力試驗 機的上壓盤垂直對中，將一套試件張拉夾持夾具17通過球鉸頭連接件16鏈接到拉桿14上， 另一套試件張拉夾持夾具17先通過球鉸頭連接件16鏈接荷載傳感器20,荷載傳感器20再通 過球鉸頭連接件16鏈接到底座10的球窩內，順時針轉動轉盤手柄11，轉盤手柄11帶動加載 螺母12將拉桿14向上旋出，拉桿14帶動試件張拉夾持夾具17向上移動，使上下兩套試件張 拉夾持夾具17之間留有便于安裝試件7的空間，調整上方試件張拉夾持夾具17的自適應夾 持結構使其夾緊試件7,逆時針轉動轉盤手柄11，使拉桿14帶動已安裝有試件7的試件張拉 夾持夾具17向下移動，直至使試件7可方便伸入下方的試件張拉夾持夾具17中為止，調整自 適應夾持結構使上下兩套試件張拉夾持夾具17同時夾緊試件7,將試件變形測試夾具19夾 持在試件7的測試段A4內，變形傳感器18固定在所述試件變形測試夾具19上，調整頂板D14 的位置使變形傳感器18處于適宜的量程內，分別將變形傳感器18和荷載傳感器20與數據采 集系統連接，打開數據采集軟件，確認數據采集系統正常后順時針轉動轉盤手柄11，使上下 兩套試件張拉夾持夾具17能剛好夾緊試件7,并使荷載信號顯示為零。此后，可同時開動壓 力試驗機和數據采集系統進行試驗。
[0048] 實施例2: 參見圖1至圖8和圖12至14。實施例2與實施例1在混凝土直接拉伸試驗試件及其成型模 具，以及與試件結構型式相適應的混凝土直接拉伸試驗成套裝置方面均相同，實施例2區別 于實施例1的技術特征是，變形傳感器采用電阻應變計式引伸計18B，上框架標距柱D3上的 卡箍D5和下框架對應設置的卡箍D5均用于固定限位桿D15,所述限位桿D15端部一側設置有 用于限定引伸計刀刃位置的刀刃卡槽D16,對應另一側設置有防止夾持物脫落的防滑槽 D17,所述夾持物可是橡皮筋或彈簧，在測試過程中，電阻應變計式引伸計18B的刀刃始終被 固定在限位桿D15上，并通過上框架和下框架傳遞的相對位移獲得試件預定破壞段的變形 量。
[0049] 實施例3: 參見圖1至圖8。在有萬能試驗機的條件下，可直接將一套試件張拉夾持夾具17通過球 鉸頭連接件16鏈接試驗機的上鉗口，另一套試件張拉夾持夾具17先通過球鉸頭連接件16鏈 接荷載傳感器20,荷載傳感器20再通過球鉸頭連接件16鏈接試驗機的下鉗口，調整萬能試 驗機橫梁的位置使試件7夾持在上下兩套試件張拉夾持夾具17中并使荷載值為零。連接好 數據采集系統即可通過萬能試驗機的自動加載程序完成加載試驗，通過采集系統完成數據 記錄和后期處理，所述數據采集系統和集成在萬能試驗機的試驗控制軟件中。
[0050] 實施例1、實施例2和實施例3僅用以說明而非限制本發明的技術方案，改變試件的具體 規格，改變試件強固段A1、加載段A2、傳力段A3和測試段A4不同的不同尺寸比例，改變主梁 2、導向梁5、左柱8、中柱9、右柱15和底座10構成的加載框架的連接方式及具體規格和結構， 改變加載導桿6、杠桿3、拉桿14、轉軸4等構成的加載機構的連接方式及具體規格和結構，改 變由連扳C1、肢板C2、橡膠板C3、T型卡板C4、球鉸頭C5、夾持梁C6、頂柱C7、轉軸C8組成的試 件張拉夾持夾具17的連接方式及具體規格和結構，如將夾持梁C6和頂柱C7的球鉸連接改變 為轉軸連接，改變杠桿3中間轉軸4的位置等均能組成多個實施例，均為本發明的常見變化， 在此不一一詳述。
[0051] 試驗驗證： 采用本發明的混凝土直接拉伸試驗成套裝置及測試方法測試了普通混凝土的抗拉性 能。本實例中的試驗概況及結果如下： 原材料為42.5級的普通硅酸鹽水泥，Π級粉煤灰，粒徑為5-20mm的石灰巖碎石，細度模 數為3.0的中粗河砂，聚羧酸高效減水劑，自來水。普通混凝土的單方配合比見表1。
[0052] 試驗依據國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T500081-2002規定的方法 進行。采用的方截面等厚度啞鈴型試件預定破壞段的尺寸為100mm X 100mm X 100mm，強固段 的尺寸為長X寬X厚=30mm X 200mm X 100mm。試件制備時將滿足工作性要求的拌合物澆入 試件成型模具，然后靜置室內24小時拆模編號，放入標準養護室養護28天后進行直接拉伸 試驗，每組9個試件，試驗結果見表2。
由表2中的試驗結果可以看出，利用本發明的混凝土直接拉伸試驗拉伸試件、成型模具 及成套裝置可方便測得普通混凝土應力和應變值，所測強度值的變異系數為5.4%，測試精 度較高。
[0054] 以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發 明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明進行修改或者等 同替換，而不脫離本發明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權 利要求范圍當中。
[0055] 在本發明的描述中，需要理解的是，術語"中心"、"縱向"、"前"、"后"、"左"、"右"、 "豎直"、"水平"、"頂"、"內"、"外"等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置 關系，僅是為便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗指所指的裝置或元件必須具有 特定的方位、為特定的方位構造和操作，因而不能理解為對本發明保護內容的限制。
【主權項】
1. 混凝土直接拉伸試驗試件，其特征在于:所述試件為方截面等厚度啞鈴型抗拉試件， 其由上至下依次為上強固段、上加載段、上傳力段、測試段、下傳力段、下加載段和下強固 段，測試段即為預定破壞段;各段的橫截面均呈方形，且截面厚度均相等，截面寬度由預定 破壞段向上強固段和下強固段逐漸增大;上加載段和下加載段側面均設置為與試件縱向成 不大于45度的斜面，上傳力段兩側面設置為弧面，且弧面兩端切面即為上加載段和預定破 壞段的側面，上傳力段兩側面與上加載段和預定破壞段的側面的連接界面平滑過渡，下傳 力段兩側面設置為弧面，且弧面兩端切面即為下加載段和預定破壞段的側面，下傳力段兩 側面與下加載段和預定破壞段的側面的連接界面平滑過渡。2. 混凝土直接拉伸試驗試件成型模具，該試件模具的型腔與權利要求1所述的試件相 對應，其特征在于:所述試件成型模具包括側模框架和底板;側模框架由兩組鏈合側板對接 形成，每組鏈合側板均由橫側板和縱側板鉸接連接而成，每組鏈合側板的縱側板的對應位 置處均設置有限位槽，對接時一組鏈合側板橫側板的端部插入另一組鏈合側板縱側板端部 設置的限位槽中； 每組鏈合側板的橫側板端部外側中心設置有側板轉軸螺栓，側板轉軸螺栓配設鎖緊螺 母，每組鏈合側板的縱側板端部與所述轉軸螺栓對應位置處設置有側板螺栓卡槽，兩組鏈 合側板通過兩套側板螺栓卡槽、側板轉軸螺栓和鎖緊螺母進行緊固連接，對接時一組鏈合 側板橫側板的側板轉軸螺栓卡入另一組鏈合側板縱側板的側板螺栓卡槽中； 底板的四周側邊中心向外均設置有底板轉軸螺栓，底板轉軸螺栓配設鎖緊螺母，側模 框架的每塊橫側板和縱側板上與底板轉軸螺栓相應位置處設置有底板螺栓卡槽，所述的底 板螺栓卡槽和底板設置的底板轉軸螺栓將底板和側模框架連接為一整體的試件成型模具， 連接時底板的底板轉軸螺栓卡入側模框架的的底板螺栓卡槽中。3. 根據權利要求2所述的混凝土直接拉伸試驗試件成型模具，其特征在于:所述每組鏈 合側板的縱側板的構型與所述試件的縱向側面一致;所述底板上設置有臺階，臺階形狀與 所述試件的縱向截面相對應。4. 混凝土直接拉伸試驗成套裝置，所述成套裝置包括與權利要求1所述試件相配合的 試件張拉夾持夾具，其特征在于:所述試件張拉夾持夾具包括連板、肢板、夾持梁、球鉸頭和 T型卡板； 所述連板內端部的前后側均固定連接有倒Y字型的肢板，每個肢板均向下左右兩側分 出兩個肢臂，肢臂端部均設置有圓形套孔，前后側肢板的左側兩對應肢臂和右側兩對應肢 臂之間均設置有夾持梁，夾持梁通過兩端設置的轉軸限位在前后側肢板對應肢臂的兩個圓 形套孔中，夾持梁通過轉軸與圓形套孔轉動連接;夾持梁中間設置有球鉸窩，球鉸窩內設置 球鉸頭，球鉸頭與T型卡板通過頂柱固定連接為整體，左右兩T型卡板的夾持面與所述試件 的上加載段或下加載段的兩側面貼合。5. 根據權利要求4所述的混凝土直接拉伸試驗成套裝置，其特征在于:它還包括試件變 形測試夾具，所述試件變形測試夾具包括上框架和下框架，上框架和下框架均包括由前肢、 左肢和后肢組成的固定結構和由右肢組成的可動結構，固定結構的后肢右端和右肢的后端 鉸接連接，固定結構的前肢右端和右肢前端通過鎖銷連接，所述鎖銷設置在右肢前端的限 位槽內，限位槽的前后側壁設置有限制鎖銷位置的滑動導孔，鎖銷中間設置有把手，介于把 手和限位槽后側壁之間的鎖銷桿上套裝有復位彈簧，所述前肢右端部朝向鎖銷的側面設置 有與鎖銷相對應的鎖銷插槽，鎖銷壓入插槽后可動結構的右肢即與固定結構組成一體的結 構框架;所述左肢內側面排列設置有至少兩個頂錐，右肢內側面中心設置有試件夾持螺釘， 試件夾持螺釘穿過右肢且其頂端指向左側； 上框架和下框架均通過兩個頂錐和一個試件夾持螺釘夾持在所述試件的測試段處； 上框架左肢和右肢下側面均固定連接有標距柱，標距柱外側壁均設置有上卡箍，下框 架的左肢和右肢與標距柱上的卡箍對應位置處分別設置有下卡箍，上卡箍和下卡箍構成變 形傳感器夾具。6. 根據權利要求5所述的混凝土直接拉伸試驗成套裝置，其特征在于:它還包括加載框 架和加載機構，所述加載框架包括由左至右依次布置的左柱、中柱與右柱和由上至下依次 布置的主梁、導向梁和底座，左柱、中柱和右柱固結于底座上，導向梁固結于左柱和中柱上， 主梁固結于左柱、中柱和右柱上，主梁和導向梁左側處沿垂直方向設置有上下對應的導桿 滑動導向套孔;主梁右側處沿垂直方向設置有拉桿滑動導向套孔；中柱位于主梁和導向梁 之間的柱體中心處設置有杠桿方孔； 所述加載機構包括加載導桿、杠桿、轉軸、轉盤手柄、加載螺母和拉桿，加載導桿通過所 述導桿滑動導向套孔與加載框架形成滑動連接，加載導桿頂端設置承載帽，杠桿分別通過 轉軸與加載導桿、中柱和拉桿鉸接連接，杠桿與加載導桿、杠桿與拉桿的連接孔均為長圓 孔，杠桿與中柱的連接孔為圓孔，拉桿中部通過軸銷與杠桿鉸接連接，拉桿上端穿過所述拉 桿滑動導向套孔并與主梁滑動連接，拉桿伸出主梁滑動導孔的上端部分設置有外螺紋，設 置外螺紋的桿體處套設有加載螺母； 所述試件的上加載段和下加載段位置處各設置一套所述試件張拉夾持夾具，上加載段 處的所述試件張拉夾持夾具和下加載段處的所述試件張拉夾持夾具上下對稱設置，每套試 件張拉夾持夾具的連板的外端部對應于所述試件中心拉伸軸線處均設置有半球形球鉸孔， 半球形球鉸孔內設置球鉸連接件，上加載段處的試件張拉夾持夾具通過對應的球鉸連接件 與拉桿連接，下加載段處的試件張拉夾持夾具通過對應的球鉸連接件與荷載傳感器連接。7. 根據權利要求6所述的混凝土直接拉伸試驗成套裝置，其特征在于:它還包括數據采 集系統，所述數據采集系統包括荷載傳感器、變形傳感器、控制器、計算機，兩個變形傳感器 夾持在對應的變形傳感器夾具上，荷載傳感器的上端通過對應的球鉸連接件與對應的試件 張拉夾持夾具連接，荷載傳感器的下端與所述底座連接，荷載傳感器和變形傳感器分別通 過數據電纜與控制器連接，控制器通過數據電纜與計算機連接。8. 根據權利要求7所述的混凝土直接拉伸試驗成套裝置，其特征在于： 所述T型卡板的夾持面上設置有緩沖層； 所述T型卡板的外邊緣設置有限位擋板，所述限位擋板與T型卡板夾持面形成的夾角與 所述試件對應處的邊角相等； 所述變形傳感器卡箍上設置有緊固螺釘； 所述鎖銷和滑動導孔的橫截面均為方形，所述插槽也為方形，所述鎖銷的鎖頭的縱向 內側面為弧面； 加載螺母外固定連接有轉盤手柄，加載螺母和主梁的滑動導孔間設置有軸承； 拉桿中部靠上側處固定套設有圓盤，緩沖裝置設在杠桿上位于主梁和圓盤之間的位置 處； 所述緩沖裝置為彈簧或阻尼器； 所述底座與荷載傳感器下端對應位置處也設置有半球形球鉸孔，半球形球鉸孔內設置 球鉸連接件，荷載傳感器的下端通過對應的球鉸頭連接件與所述底座連接。9. 根據權利要求7所述的混凝土直接拉伸試驗成套裝置，其特征在于:所述變形傳感器 為差動變壓器式位移計，所述標距柱上的上卡箍是固定差動變壓器式位移計的主體，對應 的下卡箍固定頂板，差動變壓器式位移計測試端的球珠頂在頂板上，測試過程中差動變壓 器式位移計通過自身的彈性元件始終使球珠與頂板接觸，通過上框架和下框架傳遞的相對 位移獲得試件預定破壞段的變形量。10. 根據權利要求7所述的混凝土直接拉伸試驗成套裝置，其特征在于:所述變形傳感 器為電阻應變計式引伸計，所述標距柱上的上卡箍和下框架對應設置的下卡箍均分別固定 有上下對稱的限位桿，所述限位桿內端部一側均設置有用于限定引伸計刀刃位置的刀刃卡 槽，電阻應變計式引伸計的兩刀刃分別卡接在對應的刀刃卡槽內，每個限位桿與刀刃卡槽 對應另一側均設置有防滑槽，測試過程中電阻應變計式引伸計的兩刀刃始終固定在限位桿 上，通過上框架和下框架傳遞的相對位移獲得試件預定破壞段的變形量。
【文檔編號】G01N1/28GK106018044SQ201610659029
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月12日
【發明人】湯寄予, 高丹盈, 趙軍, 朱海堂, 王寶庭, 趙 卓, 齊新華, 尤培波
【申請人】鄭州大學