一種實現(xiàn)軸向近似梯度靜應(yīng)力的加載實驗方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)軸向近似梯度靜應(yīng)力的加載實驗方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過室內(nèi)實驗測定各種材料的力學(xué)性能是進(jìn)行科學(xué)研究的主要方法之一。目前常 規(guī)加載實驗裝置多數(shù)僅在試件(樣）的兩個端面進(jìn)行加載，當(dāng)試件(樣)橫截面面積相同時， 每個橫截面上的靜應(yīng)力大小相等。這樣的加載方法僅能測試小尺寸試件的力學(xué)性能，比如 對立方體的混凝土試件，其尺寸一般根據(jù)骨料最大粒徑不同而選不同的尺寸，一般情況下 選用1 50mm X 1 50mm X 1 50mm ;對巖石試件進(jìn)行靜載試驗時，其圓柱體尺寸一般是 的OMOOmm 〃這些試驗一般得出是在極限荷載下材料的變形和強(qiáng)度特性，不能模擬研究工 程構(gòu)件實際承受的應(yīng)力環(huán)境。
[0003] 工程結(jié)構(gòu)實際中許多構(gòu)件在正常工作時，多數(shù)情況下每個橫截面上的靜應(yīng)力大小 不相等，其大小沿構(gòu)件的軸向具有一定的變化，即所謂的梯度應(yīng)力。比如高層建筑中框架結(jié) 構(gòu)的混凝土柱，若其橫截面面積相同，其橫截面上從上往下承受的軸力逐漸增大，導(dǎo)致其橫 截面上的軸向壓應(yīng)力也逐漸增大，呈梯度應(yīng)力狀態(tài)。地下工程巖體(特別是深部工程巖體） 開挖時，圍巖體承受的靜應(yīng)力也屬于梯度應(yīng)力狀態(tài)，這主要有以下兩方面引起的：一是在僅 考慮自重應(yīng)力時，原巖應(yīng)力大小在豎直方向呈線性變化，圍巖的位置越深，自重地應(yīng)力值越 大;二是地下工程巖體開挖卸荷導(dǎo)致附近圍巖體中的應(yīng)力場發(fā)生較大變化，例對深埋圓形 巷道開挖的理論分析表明，開挖后圍巖徑向應(yīng)力的大小為~是未開挖前 的原巖應(yīng)力大小，Ro是巷道半徑，r是圍巖到巷道圓心的距離）。目前學(xué)術(shù)界有一個共識，在 研究材料或構(gòu)件力學(xué)特性時，應(yīng)該考慮構(gòu)件的實際受力環(huán)境，比如在研究材料或構(gòu)件的動 力特性時，應(yīng)該先模擬出與實際吻合的靜力環(huán)境。因此在研究上述構(gòu)件的其他力學(xué)特性時， 必須模擬出與實際一致的梯度靜應(yīng)力環(huán)境。基于此，本發(fā)明提出一種實現(xiàn)軸向近似梯度靜 應(yīng)力的加載實驗方法及裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種實現(xiàn)軸向近似梯度靜應(yīng)力的加載實驗方法及裝置，它簡 便易行，能對不同固體材料施加軸向不同大小的梯度靜應(yīng)力。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種實現(xiàn)軸向近似梯度靜應(yīng)力的加載實驗裝置，包括平臺，固定于平臺四角的立 柱，在平臺的中央設(shè)置有基座;在立柱上配有上下滑動的水平框架，水平框架由升降裝置驅(qū) 動;在水平框架的中央設(shè)置有矩形框，矩形框的中心與基座中心位于同一鉛垂線上(軸線）； 試件直立于基座上，其上端套于矩形框中；試件自上而下的兩組相對側(cè)面上交替安裝有加 載梁;加載梁上對稱地布置有加載孔，加載孔上對稱地掛有砝碼；同時位于試件同一側(cè)面上 相鄰的下一加載梁的長度短于上一加載梁的長度，防止下一加載梁影響上一加載梁上砝碼 的懸掛。
[0007] 所述的試件自上而下的兩組相對側(cè)面上交替安裝有加載梁，即在試件上端前后側(cè) 面上安裝第一級加載梁，緊挨第一級加載梁下邊緣的左右側(cè)面上安裝第二級加載梁;緊挨 第二級加載梁下邊緣的前后側(cè)面上安裝第三級加載梁，緊挨第三級加載梁下邊緣的左右側(cè) 面上安裝第四級加載梁，以此類推安裝所有加載梁。
[0008] 所述的加載梁由等邊角鋼預(yù)制而成，兩根長度相同的角鋼組成一對加載梁（即一 級加載梁），通過螺栓連接夾緊在試件的兩相對側(cè)面上，角鋼上對稱地布置有加載孔。
[0009] 加載梁與試件中間加一層橡膠墊，橡膠墊的厚度為2mm~5_。
[0010]試件是由擬研究材料加工而成的、橫截面為矩形的長方體，具體尺寸根據(jù)需要確 定。一般可選取為:長X寬X高為30mm~lOOmmX 30mm~lOOmmX 1000mm~3000mm，試件豎直 放置在混凝土基座上。
[0011]砝碼的規(guī)格根據(jù)加載的需要選取，當(dāng)所需靜應(yīng)力梯度較小時，砝碼可為高密度合 金鋼預(yù)制成不同質(zhì)量的正方體，規(guī)格為〇.5kg、lkg、2kg、3kg、4kg等依次增加；當(dāng)所需靜應(yīng)力 梯度較大時，砝碼用密度更大的材料鉛預(yù)制，以節(jié)約有限的操作空間。但考慮到安全性和可 操作性，單個砝碼的質(zhì)量不宜超過25kg。每個砝碼的上下表面設(shè)有懸掛鉤，以便于砝碼和加 載梁、砝碼和砝碼之間的連接。
[0012]加載梁由相同型號、不同長度的等邊角鋼預(yù)制而成，兩根長度相同的角鋼組成一 對加載梁(構(gòu)成一級加載梁），通過螺栓連接夾在試件的兩相對側(cè)面上(前后側(cè)面或左右側(cè) 面）。每根角鋼上預(yù)留兩個對稱螺栓孔和若干個對稱的加載孔，通過螺栓孔用螺栓將一對加 載梁固定在試件的兩相對側(cè)面上，將相應(yīng)的砝碼左右對稱懸掛在加載孔上，進(jìn)而對試件施 加軸向載荷。為保證施加載荷的合力作用線與試件的軸線平行，進(jìn)而消除偏心壓縮現(xiàn)象，兩 螺栓孔中心的連線與角鋼的軸線必須平行，且螺栓孔和加載孔在加載梁上必須左右對稱分 布。在保證加載梁剛度和穩(wěn)定性的前提下，等邊角鋼的邊寬應(yīng)盡量小，對同一試件，邊寬越 小應(yīng)力梯度越精確，邊寬越大應(yīng)力梯度越接近階躍突變應(yīng)力，根據(jù)材料力學(xué)中集中力和分 布力的知識，當(dāng)邊寬與試件長度之比小于等于0.05時，即可認(rèn)為不同橫截面上的應(yīng)力沿試 件軸向方向呈梯度形式變化。
[0013] 為便于在試件上布置其他測試件，以及最大程度消除安裝加載梁旋緊螺栓時對試 件的擠壓影響，沿試件軸線方向從上往下安裝的加載梁分別交替布置在試件的兩組不同相 對側(cè)面上（前后側(cè)面固定一對加載梁，再在左右側(cè)面固定一對加載梁），即前后相對側(cè)面上 加載梁的安裝方向與左右相對側(cè)面上加載梁的安裝方向垂直。為消除加載梁對試件產(chǎn)生的 不利影響，加載梁與試件中間加一層橡膠墊，橡膠墊的厚度以2mm~5_為宜。螺栓孔到試件 表面的距離應(yīng)根據(jù)測試設(shè)備的尺寸確定，且應(yīng)盡可能小，以增大加載梁、橡膠墊和試件之間 的摩擦，防止相對滑動。
[0014] 為確保加載梁和砝碼的重量施加在試件上，安裝加載梁的順序自上至下，上級加 載梁和砝碼安裝牢固之后，才能安裝下一級加載梁和砝碼，避免由于加載梁往下滑動而出 現(xiàn)上一級加載梁上的載荷傳遞到下一級加載梁上。
[0015] 螺栓用于固定一對加載梁，其規(guī)格依據(jù)施加砝碼的質(zhì)量采用普通螺栓或高強(qiáng)度螺 栓。
[0016] 基座固定于平臺上，其作用有兩個，一是使試件最下端距地面有一段距離，以使最 下一級加載梁上的砝碼不接觸地面;二是基座上表面水平，使試件最大限度保持豎直。基座 采用高強(qiáng)度混凝土制備，其形狀為長方體，其長X寬X高為150mm - 200mm X 150mm-200mm X 200mm-500mm，具體尺寸由試件橫截面尺寸和加載級數(shù)確定。
[0017] 平臺上固定有立柱，由四根直徑為50mm、高度為3500mm-4000mm的40Cr合金鋼制 作。立柱上套有可升降的水平框架，水平框架的中央設(shè)有矩形框，矩形框的尺寸與試件的橫 截面相同，矩形框無間隙套在試件上端外側(cè)，使試件在實驗過程中保持穩(wěn)定豎直狀態(tài)的作 用，但其僅對試件產(chǎn)生水平向的約束，對試件沒有豎直方向的約束，即試驗過程中，試件可 以自由產(chǎn)生豎直方向的變形。
[0018] 升降裝置采用電動萌蘆，根據(jù)不同試件的高度，使用升降裝置調(diào)整水平框架的高 度，以固定試件。
[0019] 一種實現(xiàn)軸向近似梯度靜應(yīng)力的加載實驗方法，包括以下步驟：
[0020] (1)根據(jù)所需應(yīng)力梯度選擇加載梁尺寸并計算砝碼規(guī)格和數(shù)量，對確定的試件尺 寸并結(jié)合需要加載的應(yīng)力梯度，計算加載梁尺寸。如試件的橫截面尺寸長X寬為30mm X 30mm時，宜選擇邊寬為30mm的3號角鋼制備加載梁。在此基礎(chǔ)上，計算每級加載需要的砝碼 規(guī)格和數(shù)量。比如，擬實現(xiàn)線性梯度時，即= 為關(guān)于X的 線性函數(shù)，也即σ(χ) =Kx，K稱為應(yīng)力梯度，單位為MPa/m，x為試件橫截面的坐標(biāo)，以第一級 加載梁的上邊緣為起點x = 〇,單位為m。式中，A為試件1橫截面面積;Gi(x)為X橫截面(包含X 截面）以上所有加載級砝碼的重量之和;G2(x)為X橫截面(包含X截面）以上所有加載級橫梁 的重量之和;G 3(x)為X橫截面(包含X截面)以上試件的自重;G4(x)為X橫截面(包含X截面)以 上所有螺栓的重量之和。在忽略試件自重G 3 (X)和螺栓重G4(X)的前提下，砝碼重61 (X)和加 載梁重G2(x)之和為X的線性函數(shù)，依據(jù)選擇的每級加載梁的規(guī)格計算其重量，進(jìn)而可以確 定對應(yīng)加載級的砝碼重量和所需規(guī)格及個數(shù)。
[0021] (2)在試件側(cè)面上標(biāo)記出加載梁的安裝位置并黏貼橡膠墊。兩根角鋼組成一對加 載梁，兩根角鋼安裝在試件相對的兩側(cè)面(前后面或左右面），在確定加載梁尺寸的基礎(chǔ)上， 從試件上端沿軸線方向交替在其前后側(cè)面和左右側(cè)面分別標(biāo)記出加載梁的安裝位置。根據(jù) 加載梁安裝位置的尺寸，用厚度為2_5mm橡膠制備橡膠墊，并用502膠水黏貼在安裝位置處， 以保證固定好加載梁并預(yù)防加載梁對試件造成損傷。
[0022] (3)調(diào)整水平框架高度固定試件;將試件豎直放在基座的中心位置，升降電萌蘆調(diào) 整水平框架的高度，使其中的矩形框正好套在試件的最上端;通過固定電萌蘆高度保持水 平框架固定，保證試驗過程中試件始終保持豎直狀態(tài)。
[0023] (4)加載梁和砝碼的安裝;緊貼矩形框的下邊緣，用螺栓將第一級的一對加載梁水 平安裝到試件上兩相對側(cè)面的已標(biāo)示區(qū)域，調(diào)整加載梁的位置，使其與試件的軸線對稱布 置并且垂直后，擰緊螺栓，固定加載梁的位置，然后在加載梁的對稱加載孔上懸掛相應(yīng)砝 碼。待第一級加載梁安裝和砝碼懸掛完畢并穩(wěn)定后，在另一相對的兩側(cè)面上，緊貼著第一級 加載梁的下邊緣，用螺栓將第二級加載梁安裝到試件上，方法與第一級加載梁相同，完成第 二級加載梁的安裝和相應(yīng)砝碼懸掛。依次重復(fù)上述步驟，完成所有加載梁的安裝和相應(yīng)砝 碼的懸掛。
[0024] 本發(fā)明實現(xiàn)了對固體材料施加梯度靜荷載，使其內(nèi)部產(chǎn)生近似的梯度靜應(yīng)力，為 研究材料在梯度靜應(yīng)力下相應(yīng)力學(xué)特性提供一種有效的實驗方法與裝置。其簡明，操作簡 單易行，可以實現(xiàn)多種應(yīng)力梯度，如線性梯度靜應(yīng)力、非線性梯度靜應(yīng)力等，能夠較為真實 地模擬出工程結(jié)構(gòu)(或介質(zhì))所處的應(yīng)力環(huán)境，以便對其相應(yīng)力學(xué)特性進(jìn)行深入研究。
【附圖說明】<