[发明专利]高应变率下混凝土拉伸模量的试验装置及方法

权利要求书

1.一种高应变率下混凝土拉伸模量的试验装置，包括气室(1)、子弹(2)、支座(3)、入射杆(4)、透射杆(9)，入射杆(4)、透射杆(9)放置于支座(3)上，通过调整支座(3)和气室(1)，使子弹(2)、入射杆(4)和透射杆(9)中心对准；其特征在于：所述入射杆(4)沿杆长方向在杆段尾段处黏贴有第一应变片(5)，所述透射杆(9)沿杆长方向在杆段中心处黏贴有第二应变片(11)；在巴西圆盘试件(8)中心处相对黏贴两块第三应变片(7)，第三应变片(7)方向垂直于受力方向，所述第二应变片(11)、第一应变片(5)与试件(8)之间的距离相等；在试件(8)与入射杆(4)、透射杆(9)接触位置对称放置有配合使用的刚性垫片(6)与刚性垫杆(10)，所述入射杆(4)和透射杆(9)的间距恰好使垫片(6)、垫杆(10)、试件(8)被夹持在入射杆(4)和透射杆(9)中心处；所述第一应变片(5)、第二应变片(11)、第三应变片(7)与应变仪桥路连接；

该试验装置通过如下步骤得到高应变率下混凝土的拉伸模量：

S1、放置并调整设备：将入射杆(4)、透射杆(9)放置于支座(3)上，调整支座(3)和气室(1)，保证子弹(2)、入射杆(4)和透射杆(9)的中心对准；

S2、黏贴应变片：将第一应变片(5)黏贴在入射杆(4)杆段尾段处，第一应变片(5)长边沿杆长方向；第二应变片(11)黏贴于透射杆(9)杆段中心处，第二应变片(11)长边平行于杆长方向并与第一应变片(5)保持在同一水平位置，所述第二应变片(11)与第一应变片(5)距离试件(8)的粘贴距离相等；第三应变片(7)共两块相对黏贴在试件(8)中心处，第三应变片(7)长边垂直于受力方向；第一应变片(5)、第二应变片(11)、第三应变片(7)尺寸相同；

S3、放置试件：将入射杆(4)、垫片(6)、垫杆(10)、试件(8)、垫杆(10)、垫片(6)、透射杆(9)依次按序排列放置，调整入射杆(4)和透射杆(9)间距，使垫片(6)、垫杆(10)、试件(8)刚好被夹持在入射杆(4)和透射杆(9)中心处；

S4、连接应变仪：将第一应变片(5)、第二应变片(11)、第三应变片(7)与应变仪桥路连接；

S5、取圆柱形圆盘试件进行实验，给气室(1)加压，对子弹(2)加以一定的冲击力，使其具有一定的撞击速度来撞击入射杆(4)，产生应力波，应力波经由入射杆 (4)、垫片(6)、垫杆(10)，传递到试件(8)上使其发生劈裂；

S6、采集应变片所记录的数据，带入公式进行计算即可得到高应变率下的混凝土拉伸模量；

其中，步骤S6中公式的计算方法为：

S61、当子弹(2)撞击入射杆(4)时，杆件内部产生纵向的入射压缩波，由于不同的阻抗，入射波在入射杆(4)和试件(8)接触的界面处被部分反射回入射杆(4)，基于三波法可得到：

P₁＝E(ε_i+ε_r)

P₂＝Eε_tr

其中，P₁为入射杆撞击线荷载、P₂为透射杆支持线荷载，单位为N/m；E为入射杆杨氏模量，E＝210GPa；ε_i为入射杆应变片所记录的入射波最大应变；ε_r为入射杆应变片所记录的反射波最大应变，ε_tr为透射杆应变片所记录的透射波最大应变；

S62、去除劈拉端头对试件撞击力计算的影响，求得试件实际所受撞击力P：

S63、对试件应力计算方法如下，取试件高度方向上任一横截面，截面任意位置处单元体应力状态如下：

其中，σ_r是单元体法向拉应力，σ_θ是单元体切向拉应力，τ_rθ是单元体切应力，R是试件截面半径，r,θ是极坐标系下的单元体坐标，α为应力作用范围所对应的圆心角的一半，参考ISRM国际岩石力学学会试验规范，取2α＝10°；经过参数转换，x,y为直角坐标系下的单元体坐标，坐标原点为应变片中心点，应变片中心线处，取y＝0时，即沿x轴方向上任意一点应力状态如下：

τ_xy＝0

其中，σ_x是单元体x轴方向拉应力，σ_y是单元体y轴方向拉应力，τ_xy是单元体切应力，l为试件厚度，l＝74mm；D为试件截面直径；

S64、试件中心应变片测量值等于如下理论公式的计算值，因y轴方向上的压应力是x轴方向上拉应力的两倍，故因为泊松效应引起的拉伸模量不可忽视；沿直径水平方向上，应变片范围内，第三应变片测量的试件劈裂拉伸应变量ε_t按如下理论公式计算：

其中，L取第三应变片长度的一半，E_t为所求混凝土拉伸模量，v为试件泊松比；化简最终得出混凝土拉伸模量：

其中，劈裂拉伸模量E_s＝2P/πDlε_t由所测应力应变曲线决定，其中应力σ_t＝2P/πDl，取应力应变曲线线性段斜率；或者，取E_s＝[(1/2)σ_t,max]/ε_t，其中σ_t,max/2取应力应变曲线中最大应力的一半，ε_t则是达到最大应力一半时所对应拉伸应变量。