[发明专利]一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验方法及装置。

背景技术

通过室内实验测定各种材料的力学性能是进行科学研究的主要方法之一。目前常规加载实验装置多数仅在试件(样)的两个端面进行加载，当试件(样)横截面面积相同时，每个横截面上的静应力大小相等。这样的加载方法仅能测试小尺寸试件的力学性能，比如对立方体的混凝土试件，其尺寸一般根据骨料最大粒径不同而选不同的尺寸，一般情况下选用150mm×150mm×150mm；对岩石试件进行静载试验时，其圆柱体尺寸一般是这些试验一般得出是在极限荷载下材料的变形和强度特性，不能模拟研究工程构件实际承受的应力环境。

工程结构实际中许多构件在正常工作时，多数情况下每个横截面上的静应力大小不相等，其大小沿构件的轴向具有一定的变化，即所谓的梯度应力。比如高层建筑中框架结构的混凝土柱，若其横截面面积相同，其横截面上从上往下承受的轴力逐渐增大，导致其横截面上的轴向压应力也逐渐增大，呈梯度应力状态。地下工程岩体(特别是深部工程岩体)开挖时，围岩体承受的静应力也属于梯度应力状态，这主要有以下两方面引起的：一是在仅考虑自重应力时，原岩应力大小在竖直方向呈线性变化，围岩的位置越深，自重地应力值越大；二是地下工程岩体开挖卸荷导致附近围岩体中的应力场发生较大变化，例对深埋圆形巷道开挖的理论分析表明，开挖后围岩径向应力的大小为(p₀是未开挖前的原岩应力大小，R₀是巷道半径，r是围岩到巷道圆心的距离)。目前学术界有一个共识，在研究材料或构件力学特性时，应该考虑构件的实际受力环境，比如在研究材料或构件的动力特性时，应该先模拟出与实际吻合的静力环境。因此在研究上述构件的其他力学特性时，必须模拟出与实际一致的梯度静应力环境。基于此，本发明提出一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验方法及装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验方法及装置，它简便易行，能对不同固体材料施加轴向不同大小的梯度静应力。

本发明的技术方案如下：

一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验装置，包括平台，固定于平台四角的立柱，在平台的中央设置有基座；在立柱上配有上下滑动的水平框架，水平框架由升降装置驱动；在水平框架的中央设置有矩形框，矩形框的中心与基座中心位于同一铅垂线上(轴线)；试件直立于基座上，其上端套于矩形框中；试件自上而下的两组相对侧面上交替安装有加载梁；加载梁上对称地布置有加载孔，加载孔上对称地挂有砝码；同时位于试件同一侧面上相邻的下一加载梁的长度短于上一加载梁的长度，防止下一加载梁影响上一加载梁上砝码的悬挂。

所述的试件自上而下的两组相对侧面上交替安装有加载梁，即在试件上端前后侧面上安装第一级加载梁，紧挨第一级加载梁下边缘的左右侧面上安装第二级加载梁；紧挨第二级加载梁下边缘的前后侧面上安装第三级加载梁，紧挨第三级加载梁下边缘的左右侧面上安装第四级加载梁，以此类推安装所有加载梁。

所述的加载梁由等边角钢预制而成，两根长度相同的角钢组成一对加载梁(即一级加载梁)，通过螺栓连接夹紧在试件的两相对侧面上，角钢上对称地布置有加载孔。

加载梁与试件中间加一层橡胶垫，橡胶垫的厚度为2mm～5mm。

试件是由拟研究材料加工而成的、横截面为矩形的长方体，具体尺寸根据需要确定。一般可选取为：长×宽×高为30mm～100mm×30mm～100mm×1000mm～3000mm，试件竖直放置在混凝土基座上。

砝码的规格根据加载的需要选取，当所需静应力梯度较小时，砝码可为高密度合金钢预制成不同质量的正方体，规格为0.5kg、1kg、2kg、3kg、4kg等依次增加；当所需静应力梯度较大时，砝码用密度更大的材料铅预制，以节约有限的操作空间。但考虑到安全性和可操作性，单个砝码的质量不宜超过25kg。每个砝码的上下表面设有悬挂钩，以便于砝码和加载梁、砝码和砝码之间的连接。