土木工程材料原理与方法2-试验机和变形仪

2020/6/7,内容回顾,概述技术标准定义：共同的技术依据，是以往实践经验的总结。暂时而相对稳定，修订、再修订的循环往复。定位：非法律，最低要求，分类：选择基本技能,2020/6/7,技术标准,概念：一种共同的技术依据，是以往实践经验的总结。要正确认识、正确定位标准技术标准不能违反国家和公共利益。是一种最低的要求。不可能适应各种情况，只适用于一般工程，仅代表一些成熟经验的总结，一般不能及时的跟上新技术的发展。从本质上讲，总体上是暂时而相对稳定的，必须进行不断的修订、再修订。技术标准的代号与编号,2020/6/7,标准的分类：,按发布单位与通用范围分为,标准,国际标准,国内标准,国家标准,行业标准,地方标准(省标),企业标准,其他：CCES，CECS,一般地标、企业标准的平均相对误差，相对标准差Sr小于国标、部标。标准适用范围越广，其被承认程度越高。,2020/6/7,基本技能,试验基本步骤取样原则：具有代表性仪器选择试验：方案设计与试验结果计算与评定修约规则试验条件的影响,2020/6/7,试验条件的影响,温度：部分材料影响不大，常温1525时，但对感温材料，应严格控制温度。湿度：材料内部和外部的湿度；湿度对不同材料的影响不同；试件尺寸：一般小试件强度比大试件强度高，相同受压面，高度大的比高度小的测试强度低。受荷面平整度：如受荷面平整度不够，会引起应力集中而降低强度，成型面一般不作受压面加荷速度：一般加荷速度快，强度高，反之则低，因为当加荷快时，应变来不及发展即已破坏。,2020/6/7,6,试验基本技能,取样：代表性，有足够数量，一般为随机抽样，采取标准规定的取样方法和取样数量，不同材料不同测试内容取样方法数量不同。仪器选择称量、试验机等要注意最大量程和精度。试验方法有标准按标准进行，否则，可参照类似标准或拟定；要求：试验方案可靠，取得的试验结果能够得到科学的认同，相对稳定，结果能进行比较或者评定，且相对误差小。,2020/6/7,7,结果计算与评定,一般取几次平均值，一般取三四位有效数字。有效数字为=准确数+最末位欠准数字；一般其位数越多，其准确度越高。试验目的，即评定。是否满足要求，其等级如何，得出何种结论等,2020/6/7,8,修约规则,四舍六入五单双，五后非零应进一，五后为零视单双，单进双不进。将以下数据保留4位有效数字。3.141592.717294.510504.511504.51050002,3.1422.7174.5104.5124.511,2020/6/7,9,试验条件的影响温度,部分材料影响不大，常温1525时，但对感温材料，应严格控制温度。如沥青针入度，延度试验，需在25的恒温水溶中进行，并用针入指数PI来表示其温度敏感性。LogPATK，T温度，P针入度：A针入度对温度的敏感性，K常数。其针入指数PI30/(150A)10，PI值的范围从约为-3到约为7，表示沥青对温度极为敏感到温度敏感性很低。粉状材料密度实验应控制在20，钢筋测试1035之间。,2020/6/7,10,湿度,两个含义：材料内部和外部的湿度；湿度对不同材料的影响不同；如对碳化引起的钢筋锈蚀，在不会发生锈蚀的干燥环境，碳化速度与时间t的0.5次方成正比。潮湿环境（RH=81%）下与t的0.4次方成正比，长期湿润下（高湿度又经常受雨淋）甚至与t的0.1次方成正比。木材R15=1+(W-15),2020/6/7,11,水泥，砼，砂浆的温湿度要求,2020/6/7,12,试件尺寸,受压纵向变形的同时按泊松比效应也会产生横向变形，由于试件与试验机承压板变形不同，在支承面周界产生摩擦阻力，对试件的横向变形起限制和约束作用，从而提高测试强度。周界与承压面积之比值愈大，摩擦阻力也愈大，强度愈高，同时阻力与接触面间距离成反比，可采取涂石蜡等措施。一般而言，小试件强度比大试件强度高，相同受压面，高度大的比高度小的测试强度低。Weibull最弱键理论认为小试件内部薄弱环节存在的概率小，易密实，如棱柱体受压的抗压强度约为正方体的0.65至0.85倍。,2020/6/7,13,受荷面平整度,如受荷面平整度不够，会引起应力集中而降低强度，凸出来比凹下去对应力集中影响更大,所以成型面一般不作受压面(水泥、抗折、抗压、砼抗压中)如一定要作受压面，必须找平。,2020/6/7,14,加荷速度,一般加荷速度快，强度高，反之则低，因为当加荷快时，应变来不及发展即已破坏。日本：R=R1(1+klgs)K=0.08；R1-0.07kgf/cm2/s时的强度,S为加荷速度kgf/cm2/s试件大时加荷速度的影响C300.50.8MPa/s,C600.81.0MPa/s抗折C300.050.08，C600.080.10MPa/s水泥抗压2500100NS。,2020/6/7,材料试验机,材料试验机：在材料的力学性能试验中，给试件施加荷载的设备。常见有拉力、压力及万能试验机。构造原理：一般由三个系统组成：加荷载系统、测力系统与试件装置系统。系统彼此之间由机器支架联系在一起，有的试验机还备有自动绘图装置及其它配件。,2020/6/7,加荷系统,两种加荷形式：油压式和机械传动式。油压式：占大部分。利用手动油泵式电动机驱动油泵，将油箱中的油打入工作油缸产生油压，并作用到活塞上，活塞移动并将力传到试件夹具，给试件加荷，加荷速度由进油量来控制。机械式传动式：利用螺旋与齿轮传动机构式带动装有活动横梁的螺旋杆旋转，使试件受荷，加荷速度取决于螺旋杆旋转速度，旋转速度由控制电机速度来控制。,2020/6/7,加荷系统图,2020/6/7,测力系统,常见的有螺旋状背景簧测力机构（2000KN压力机）、油压摆锤式测力机构（万能试验机）、水平杠杆式（水泥电动抗折仪）、电脑自动采集系统,2020/6/7,螺旋状弹簧,当受荷，工作油缸的油压传至弹簧测力计小油缸，在相应油压作用下小油缸活塞下降,带动弹簧变形，其变形值与油缸油压成正比，并通过钢皮带或蜡线带动刻度盘上的指针旋转而显示荷载读数。弹簧可变，通过弹簧大小的变化来选择量程。,图1-4螺旋状弹簧测力系统示意图,2020/6/7,油压摆锤式,由工作油缸带动测力小油缸，以相应的油压使小油缸活塞下降，带动摆锤扬起平移齿条，使装有指针的齿轮旋转，指出荷载读数，根据其摆锤重量的变化，找到可以选择相应的量程。,图1-5油压摆锤式测力系统示意图,2020/6/7,水泥抗折强度仪,2020/6/7,水平杠杆式图,T,2020/6/7,由力矩平衡有Ta=mg*b，T=mg.b/a；P.d=T.(c+d)P=T.(c+d)/d=mg.b.(c+d)/(a.d)一般m10kgad50mm，c200mmPg.b9.8bf(MPa)其中L100mm，bh40mmf0.230b(MPa)可通过变化与移动O点变化C和d来改变量程。,2020/6/7,电脑自动采集系统,采用电阻应变式传感装置，根据电阻应变原理，通过电子原器件，将受力荷载直接传输到计算机里，并在计算机的显示屏上显示出来。,2020/6/7,（三）试件装置系统,压力试验机主要由上、下承压板组成，一般带有球面座以使承压板与试件表面紧贴。万能试验机由固定框架与活动框架，可装置压力试件，弯曲试件引剪切试件。,2020/6/7,二、试验机的检定,精度反映试验机刻度盘上反应的读数与试件承受的实际荷载之间的误差的大小精度越高，误差越小，精度等级:0.5,1,2,3。相应示值误差为0.5%、1%、2%、3%常用检定工具:标准测力计，有机械传递式的压力环，有液压传递式的水银测力计式校正箱等。,2020/6/7,1弹性圈（压力环）,原理:弹性变形范围内荷载与变形成直线关系，备有荷载一变形表格，可供对照查阅。弹性圈因受力而变形,带动悬格于通过干分表测其变形，对照表可知实际荷载，同时将试验机刻度盘上读数记下则P标准值根据变形表查阅；多次测定的平均值；e（%）示值误差,2020/6/7,弹性圈；2.上螺旋头；3.下螺旋头；4.悬桁；5.千分表座；6.千分表图1-8弹性圈,2020/6/7,2水银箱,通过测定体积变化，荷载与何种变化成直线关系，也备有荷载体积标准表格可供查阅对照。检定试验机时，室温应为2010，检定过程中室温变动不超过1。水银箱受压，体积缩小，水银溢出，读出体积。,2020/6/7,第四节变形测量仪,测量试件受荷（拉、压、弯、折等）时微小变形或位移所用仪器即为变形测量仪。根据变形放大原理，有齿轮、杠杆、弹簧等机械式变形测量仪，如千分表、引伸仪、应变仪等。引伸仪有杠杆式、镜式等引伸仪，应变仪有手持式，电阻式应变仪等。百分表（千分表）：利用机械中齿轮传动原理、使变形通过放大齿轮放大，从而提高灵敏度。,2020/6/7,二、手持式应变仪,主要部件：千分表或百分表A、B为支点，C、D间板弹簧连接，可自由相对移动，C、D距离的相对变化引起中间百分表（千分表）上读数的变化，从而测得A、B两点间距离的变化。,图1-11手持式应变仪工作原理图,2020/6/7,三、杠杆式引伸仪,主要部件：固定刀刃与活动刀刃、杠杆、T形联杆、刻度与反光镜等。其工作原理为当活动刀刃变化时带动T形联杆作水平移动；与T联杆相连的指针也发生相应的移动，从而读出变化。如试件的标距为L，变形前的读数为A1，受力变形L后的读数为A2，则读数差为A=A2-A1,2020/6/7,由三角形相似放大倍数一般K=10001200,图1-13杠杆式引伸仪工作原理,2020/6/7,电阻应变测试法,凭借粘贴在试件上的应变片将力学量（应变、位移）等转化成电阻，并利用专门仪器转变为电压、电流或功率输出，从而获得构件的表面应变，再根据应变应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。,2020/6/7,电测法的优点,测量灵敏度和精度高，其最小应变读数可达1微应变（110-6/）；测量范围广，范围为1到2万；频率响应好，从静态到数10万赫兹的动态效应；应变片尺寸小，最小的应变片栅长可短到0.178，重量轻，安装方便，不影响构件的应力状态，可在高温、低温、高速旋转或强磁场的环境下测量；由于在测量过程中输出的是电信号，因此易于实现数字化、自动化及无线电遥控，还可制成各种传感器，测量力、位移、加速度等物理量。,2020/6/7,缺点,1.只能测量构件表面的应变，不能测量构件内部的应变；2.不能进行全范围的测量。a.一个应变片只能测定构件表面一个点沿某一个方向的应变；b.只能测得电阻应变栅长范围内的平均应变值。,2020/6/7,仪器组成,电阻应变片,变形测量仪,简称应变片，是一种电阻式的传感器，是关键性原件，它通过本身电阻的变化来反映所需要测量的应变,又称电阻应变仪，对变形起转换放大作用，将应变片阻值的变化转换成电压（或电流）变化，通过电子放大器将信号放大，并指示出变形的大小。,通过电阻应变仪中的电桥来完成,2020/6/7,一、工作原理,导体具有应变效应，其阻值随其机械变形而变化。受力后发生变化，如受到拉力，则L变长L，A减小A，则R也相应变化R，则分别对微分,2020/6/7,令（横向应变/纵向应变）,令金属电阻丝的灵敏系数,2020/6/7,Ks一般在单向应力状态下标准标定上由实验来确定,，KS将为定值，呈线性关系，当电阻丝制成应变片以后，灵敏系数会发生变化令K为应变片的灵敏系数，通常为1.82.5，常用微应变表示1=10-6。,2020/6/7,(二)常用种类与构造,1.种类:可按电阻材料的不同,基底材料的不同,应变绕线形成的不同等分类,常用的有是丝式纸其绕线式。,构造,由电阻丝栅、引出线和绝缘材料。电阻丝：采用高电阻的合金丝做成，一般为康铜丝和镍路丝两种，直径为0.0120.05；引出线:由直径为0.150.18的镀银或镀锡铜线组成；其层复盖层:良好的机械性能和电绝缘性能,质地柔软易于粘贴，不易吸潮，能在一定的温度下工作，主要有低质和胶质两种。,2020/6/7,2020/6/7,应变片图,2020/6/7,（三）主要规格与特性,几何尺寸与标距敏感栅工作面积bLb为基宽，指敏感栅外侧之间的距离。应变法根据L分为三类，长标距L=50200mm；中标距L=1020mm；小标距L=13mm；不同应变片基宽b是基本一致的。应变片的标距选择取决于被测体的匀质性，应变片所测得之应变，是被测试体在L长内的平均值。,电阻R,名义电阻：是指设计值，未经粘贴的电阻片在室温下测定电阻值，一般为120，也有60、350、600等系列。在允许通过同样电流的情况下，选用较大电阻的应变片，可提高应变片的工作电压，因而输出信号加大，提高了测量灵敏度。使用前应测定实际电阻，在同一组试体上应变片的阻值差应0.5。,2020/6/7,2020/6/7,灵敏系数大K即单向轴向应力作用下，应变片的电阻相对变化R/R与试件表面沿应变片轴线方向的应变之比值，一般为1.82.5。,4.机械滞后,机械应变:在机械荷载作用下试件产生的应变;指示应变:从电阻应变仪上读出的应变。机械滞后:在恒定温度下，对安装有应变片的试件加载和卸载，以试件的机械应变为横坐标，应变片的指示应变为纵坐标，绘制曲线，加载与卸载曲线不相重合。机械滞后的现象总是存在，是由于敏感栅、基底和粘结剂在承受机械应变后产生的残余变形所致。减小机械滞后方法：预加、卸载若干次。,2020/6/7,2020/6/7,温度效应,由于温度变化而引起的电阻相对变化的现象。需要:由于机械压力而引起的试体变形