本發(fā)明屬于混凝土構(gòu)件拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及了一種動(dòng)載作用下的緊湊型拉壓加載裝置，提供了一個(gè)模擬混凝土構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下，裂縫實(shí)現(xiàn)張開、閉合過程的動(dòng)載加載裝置。

背景技術(shù)：

近年來，我國(guó)已建或在建的一大批水利工程，這些水利工程大多位于地震活動(dòng)較頻繁的西北、西南地區(qū)，用于控制和調(diào)節(jié)江河水流，不僅能夠促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，關(guān)鍵時(shí)刻還可起到調(diào)節(jié)洪峰，防止洪澇災(zāi)害的發(fā)生。作為這些水工建筑物中應(yīng)用最為廣泛的工程材料之一，混凝土通常需要進(jìn)行配料、攪拌、養(yǎng)護(hù)成型等，每一個(gè)環(huán)節(jié)稍有不慎都將影響其質(zhì)量，再加上設(shè)計(jì)、施工控制不嚴(yán)、自然災(zāi)害或結(jié)構(gòu)老化等原因，在混凝土結(jié)構(gòu)中不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些裂縫、孔隙等缺陷。如印度的Koyna壩在遭受地震后，產(chǎn)生大量裂縫，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，探究地震等往復(fù)荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的擴(kuò)展機(jī)理與規(guī)律，對(duì)水利工程的安全評(píng)估具有重大意義。

斷裂力學(xué)中描述裂縫擴(kuò)展分為三種基本形式：張開型裂縫(I型)、滑開型裂縫(II型)、撕開型裂縫(III型)?；炷翞榈湫偷拇嘈圆牧?，其破壞形式主要為I型裂縫。盡管如此，這些裂縫在往復(fù)荷載作用下進(jìn)行擴(kuò)展，其過程也是相當(dāng)復(fù)雜的。建立合適的力學(xué)模型是探究地震等往復(fù)荷載下混凝土結(jié)構(gòu)擴(kuò)展規(guī)律的關(guān)鍵，而往復(fù)荷載作用下混凝土構(gòu)件的開裂擴(kuò)展試驗(yàn)研究對(duì)力學(xué)模型的驗(yàn)證與建立提供了非常重要的意義。

目前，常采用三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)和緊湊型拉伸試驗(yàn)獲取靜載下混凝土構(gòu)件斷裂韌度。由于大壩混凝土一般為全級(jí)配混凝土，相應(yīng)的試驗(yàn)中試件尺寸也比較大，而緊湊拉伸試驗(yàn)中，自重對(duì)測(cè)量的影響較小，所以采用緊湊拉伸試件進(jìn)行試驗(yàn)研究更能反映結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載下的受力特征。然而，大部分緊湊型拉伸試驗(yàn)都是用于靜荷載作用下的構(gòu)件，無法進(jìn)行動(dòng)載下測(cè)量；有部分專利建議采用彈簧或者磁鐵提供拉力，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)荷載的施加，但由于彈簧或磁鐵本身屬性的限制，所提供的拉力有限，難于完全實(shí)現(xiàn)裂縫的閉合過程，試驗(yàn)中的動(dòng)荷載與實(shí)際受力狀態(tài)有一定的差別。本發(fā)明提供了一種往復(fù)荷載作用下混凝土構(gòu)件開裂擴(kuò)展加載裝置，可為試驗(yàn)提供充足的拉壓力，完整實(shí)現(xiàn)裂縫的張開、閉合過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案存在的問題，本發(fā)明公開了一種在往復(fù)荷載作用下混凝土構(gòu)件發(fā)生開裂擴(kuò)展的拉壓加載裝置。該試驗(yàn)裝置方法可提供充足的拉壓力，完整實(shí)現(xiàn)裂縫在往復(fù)荷載作用下的張開、閉合過程，為探究混凝土構(gòu)件在動(dòng)載下的開裂擴(kuò)展機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)條件。

技術(shù)方案：

一種往復(fù)荷載作用下混凝土構(gòu)件開裂擴(kuò)展加載裝置，其特征在于由MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭、軸向力傳感器、山字形加載架、軸承、方形軸承架、傳力鋼軸組成；MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭、軸向力傳感器、山字形加載架依次相連，組成混凝土試件上的往復(fù)荷載加載部分；軸承、方形軸承架、傳力鋼軸組成混凝土試件上的往復(fù)荷載的傳動(dòng)部分；軸承對(duì)稱分布于方形軸承架四角；傳力鋼軸分布于混凝土試件上部?jī)蓚€(gè)四分點(diǎn)處；混凝土試件上部有一預(yù)制裂縫；混凝土試件底部置于試樣支座上。

所述混凝土試件為全級(jí)配混凝土試件，其尺寸為450mm×450mm×200mm。為了使得對(duì)所施加的往復(fù)荷載有一參考范圍，應(yīng)同時(shí)澆筑一批相同配比的無裂縫試件，并測(cè)定其力學(xué)參數(shù)(如：彈模、泊松比、抗拉強(qiáng)度等)。再根據(jù)所測(cè)的力學(xué)參數(shù)，通過數(shù)值方法，計(jì)算出帶有裂縫的所述試件開裂擴(kuò)展時(shí)的往復(fù)荷載。

所述預(yù)制裂縫位于混凝土試件上部端面中心線處，寬度1～3mm，深度150～200mm為宜；所述的預(yù)制裂縫、混凝土試件、試樣支座三者中心線位于同一平面。

所述混凝土試件上部四分點(diǎn)處開有鋼軸孔洞，傳力鋼軸穿過位于混凝土試件上部四分點(diǎn)處鋼軸孔洞，兩端分別連接方形軸承架；所述的傳力鋼軸與混凝土試件之間是可轉(zhuǎn)動(dòng)的。

工作原理：

在試驗(yàn)過程中，由MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭施加往復(fù)荷載，通過軸向力傳感器、山字形加載架、軸承、方形軸承架及傳力鋼軸傳至混凝土試件。軸承的安裝可減小山字形加載架與傳動(dòng)部分之間摩擦影響。由于需要施加往復(fù)荷載，山字形加載架中間及兩側(cè)與軸承的接觸面使軸承轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，故需采用多軸承模式。軸承對(duì)稱布置于方形軸承架上是為了克服傳力鋼軸與混凝土試件間可轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。傳力鋼軸受軸承傳遞的往復(fù)荷載，可實(shí)現(xiàn)混凝土試件上預(yù)制裂縫的開裂、擴(kuò)展和閉合過程。

山字形加載架選取較小楔角α(如α＝15°)，這樣較小的豎向荷載P可以產(chǎn)生較大的水平荷載F。若加載往復(fù)過程豎向荷載P相同，則在向下加載過程，通過山字形加載架中間部分施加到混凝土試件上兩側(cè)的作用力豎直分量P/2的合力與混凝土試件的重力及試樣支座反力相互抵消，其作用力水平分量F，方向水平向外，山字形加載架兩側(cè)部分不產(chǎn)生額外作用力；當(dāng)加載過程向上時(shí)，通過山字形加載架兩側(cè)部分施加到混凝土試件上兩側(cè)的作用力豎直分量P/2的合力與混凝土試件的重力及試樣支座反力相互抵消，其作用力水平分量F，方向水平向內(nèi)，同樣，山字形加載架中間部分不產(chǎn)生額外作用力?；炷猎嚰芰η闆r見附圖4和附圖5，其作用力水平分量F的大小為：

F＝P/(2 tanα)。

有益效果：

本發(fā)明提供的一種往復(fù)荷載作用下混凝土構(gòu)件開裂擴(kuò)展加載裝置，采用緊湊型拉伸試件，重力影響較小，更重要的是能夠提供充足的拉壓力，完整實(shí)現(xiàn)裂縫在往復(fù)荷載作用下的張開、閉合往復(fù)過程，有利于觀測(cè)往復(fù)荷載作用下混凝土構(gòu)件中裂縫的開裂、擴(kuò)展及閉合過程，為探究混凝土結(jié)構(gòu)在動(dòng)載下的開裂擴(kuò)展機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)條件。本發(fā)明操作便捷、安全可控，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉、維修方便、可重復(fù)利用，制備的混凝土試件符合實(shí)驗(yàn)要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明往復(fù)荷載作用下混凝土構(gòu)件開裂擴(kuò)展加載裝置實(shí)施時(shí)的示意圖；

圖2為本發(fā)明往復(fù)荷載作用下混凝土構(gòu)件開裂擴(kuò)展加載裝置實(shí)施時(shí)的正面示意圖；

圖3為本發(fā)明往復(fù)荷載作用下混凝土構(gòu)件開裂擴(kuò)展加載裝置實(shí)施時(shí)的側(cè)立示意圖；

圖4為本發(fā)明向下加載過程中所述混凝土試件受力示意圖；

圖5為本發(fā)明向上加載過程中所述混凝土試件受力示意圖。

圖中：

1-試樣支座 2-混凝土試件

3-軸承 4-方形軸承架

5-山字形加載架 6-MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭

7-軸向力傳感器 8-預(yù)制裂縫

9-傳力鋼軸

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的往復(fù)荷載作用下混凝土構(gòu)件開裂擴(kuò)展加載裝置實(shí)施時(shí)的示意圖，包括MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(6)、軸向力傳感器(7)、山字形加載架(5)、軸承(3)、方形軸承架(4)、傳力鋼軸(9)組成；MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(6)、軸向力傳感器(7)、山字形加載架(5)依次相連，組成混凝土試件(2)上往復(fù)荷載加載部分；軸承(3)、方形軸承架(4)、傳力鋼軸(9)組成混凝土試件(2)上的往復(fù)荷載的傳動(dòng)部分；軸承(3)對(duì)稱分布于方形軸承架(4)四角；傳力鋼軸(9)分布于混凝土試件(2)上部?jī)蓚€(gè)四分點(diǎn)處；混凝土試件(2)上部有一預(yù)制裂縫(8)；混凝土試件(2)底部置于試樣支座(1)上。

具體的，所述混凝土試件(2)為全級(jí)配混凝土試件，其尺寸為450mm×450mm×200mm。為了使得對(duì)所施加的往復(fù)荷載有一參考范圍，應(yīng)同時(shí)澆筑一批相同配比的無裂縫試件，并測(cè)定其力學(xué)參數(shù)(如：彈模、泊松比、抗拉強(qiáng)度等)。再根據(jù)所測(cè)的力學(xué)參數(shù)，通過數(shù)值方法，計(jì)算出帶有裂縫的所述試件開裂擴(kuò)展時(shí)的往復(fù)荷載。

具體的，所述預(yù)制裂縫(8)位于混凝土試件(2)上部端面中心線處，寬度2mm、深度180mm；預(yù)制裂縫(8)、混凝土試件(2)、試樣支座(1)三者中心線位于同一平面，如圖2所示。

具體的，所述山字形加載架(5)其楔角α＝15°，加載架兩側(cè)與中間部分對(duì)應(yīng)平行，如圖2所示，這樣較小的豎向荷載可以提供較大的水平荷載。

具體的，如圖3所示，所述傳力鋼軸(9)穿過位于混凝土試件(2)上部四分點(diǎn)處鋼軸孔洞，兩端分別連接方形軸承架(4)；所述傳力鋼軸(9)與所述混凝土試件(2)之間是轉(zhuǎn)動(dòng)的。

在試驗(yàn)過程中，由MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(6)施加往復(fù)荷載，通過軸向力傳感器(7)、山字形加載架(5)、軸承(3)、方形軸承架(4)及傳力鋼軸(9)傳至混凝土試件(2)。

若加載往復(fù)過程豎向荷載P相同，則在向下加載過程，通過山字形加載架(5)中間部分施加到混凝土試件(2)上兩側(cè)的作用力豎直分量P/2的合力與混凝土試件(2)的重力及試樣支座(1)反力相互抵消，其作用力水平分量F，方向水平向外，此時(shí)山字形加載架(5)兩側(cè)部分不產(chǎn)生額外作用力；當(dāng)加載過程向上時(shí)，通過山字形加載架(5)兩側(cè)部分施加到混凝土試件(2)上兩側(cè)的作用力豎直分量P/2的合力與混凝土試件(2)的重力及試樣支座(1)反力相互抵消，其作用力水平分量F，方向水平向內(nèi)，同樣，此時(shí)山字形加載架中間部分不產(chǎn)生額外作用力。水平分量F的大小為：

F＝P/(2 tanα)

整個(gè)加載過程中，水平荷載F作用方向水平向外、向內(nèi)交替出現(xiàn)，形成往復(fù)荷載，混凝土試件(2)在往復(fù)荷載作用下，預(yù)制裂縫(8)實(shí)現(xiàn)開裂、擴(kuò)展與閉合過程，混凝土試件(2)在往復(fù)荷載作用下的受力情況分別如圖4和圖5所示。