土木工程材料原理與方法2-試驗(yàn)機(jī)和變形儀VIP

2020/6/7,內(nèi)容回顧,概述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義：共同的技術(shù)依據(jù)，是以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。暫時(shí)而相對(duì)穩(wěn)定，修訂、再修訂的循環(huán)往復(fù)。定位：非法律，最低要求，分類：選擇基本技能,2020/6/7,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),概念：一種共同的技術(shù)依據(jù)，是以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。要正確認(rèn)識(shí)、正確定位標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不能違反國家和公共利益。是一種最低的要求。不可能適應(yīng)各種情況，只適用于一般工程，僅代表一些成熟經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，一般不能及時(shí)的跟上新技術(shù)的發(fā)展。從本質(zhì)上講，總體上是暫時(shí)而相對(duì)穩(wěn)定的，必須進(jìn)行不斷的修訂、再修訂。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的代號(hào)與編號(hào),2020/6/7,標(biāo)準(zhǔn)的分類：,按發(fā)布單位與通用范圍分為,標(biāo)準(zhǔn),國際標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn),國家標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),地方標(biāo)準(zhǔn)(省標(biāo)),企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),其他：CCES，CECS,一般地標(biāo)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的平均相對(duì)誤差，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差Sr小于國標(biāo)、部標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)適用范圍越廣，其被承認(rèn)程度越高。,2020/6/7,基本技能,試驗(yàn)基本步驟取樣原則：具有代表性儀器選擇試驗(yàn)：方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算與評(píng)定修約規(guī)則試驗(yàn)條件的影響,2020/6/7,試驗(yàn)條件的影響,溫度：部分材料影響不大，常溫1525時(shí)，但對(duì)感溫材料，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度。濕度：材料內(nèi)部和外部的濕度；濕度對(duì)不同材料的影響不同；試件尺寸：一般小試件強(qiáng)度比大試件強(qiáng)度高，相同受壓面，高度大的比高度小的測試強(qiáng)度低。受荷面平整度：如受荷面平整度不夠，會(huì)引起應(yīng)力集中而降低強(qiáng)度，成型面一般不作受壓面加荷速度：一般加荷速度快，強(qiáng)度高，反之則低，因?yàn)楫?dāng)加荷快時(shí)，應(yīng)變來不及發(fā)展即已破壞。,2020/6/7,6,試驗(yàn)基本技能,取樣：代表性，有足夠數(shù)量，一般為隨機(jī)抽樣，采取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的取樣方法和取樣數(shù)量，不同材料不同測試內(nèi)容取樣方法數(shù)量不同。儀器選擇稱量、試驗(yàn)機(jī)等要注意最大量程和精度。試驗(yàn)方法有標(biāo)準(zhǔn)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，否則，可參照類似標(biāo)準(zhǔn)或擬定；要求：試驗(yàn)方案可靠，取得的試驗(yàn)結(jié)果能夠得到科學(xué)的認(rèn)同，相對(duì)穩(wěn)定，結(jié)果能進(jìn)行比較或者評(píng)定，且相對(duì)誤差小。,2020/6/7,7,結(jié)果計(jì)算與評(píng)定,一般取幾次平均值，一般取三四位有效數(shù)字。有效數(shù)字為=準(zhǔn)確數(shù)+最末位欠準(zhǔn)數(shù)字；一般其位數(shù)越多，其準(zhǔn)確度越高。試驗(yàn)?zāi)康?，即評(píng)定。是否滿足要求，其等級(jí)如何，得出何種結(jié)論等,2020/6/7,8,修約規(guī)則,四舍六入五單雙，五后非零應(yīng)進(jìn)一，五后為零視單雙，單進(jìn)雙不進(jìn)。將以下數(shù)據(jù)保留4位有效數(shù)字。3.141592.717294.510504.511504.51050002,3.1422.7174.5104.5124.511,2020/6/7,9,試驗(yàn)條件的影響溫度,部分材料影響不大，常溫1525時(shí)，但對(duì)感溫材料，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度。如瀝青針入度，延度試驗(yàn)，需在25的恒溫水溶中進(jìn)行，并用針入指數(shù)PI來表示其溫度敏感性。LogPATK，T溫度，P針入度：A針入度對(duì)溫度的敏感性，K常數(shù)。其針入指數(shù)PI30/(150A)10，PI值的范圍從約為-3到約為7，表示瀝青對(duì)溫度極為敏感到溫度敏感性很低。粉狀材料密度實(shí)驗(yàn)應(yīng)控制在20，鋼筋測試1035之間。,2020/6/7,10,濕度,兩個(gè)含義：材料內(nèi)部和外部的濕度；濕度對(duì)不同材料的影響不同；如對(duì)碳化引起的鋼筋銹蝕，在不會(huì)發(fā)生銹蝕的干燥環(huán)境，碳化速度與時(shí)間t的0.5次方成正比。潮濕環(huán)境（RH=81%）下與t的0.4次方成正比，長期濕潤下（高濕度又經(jīng)常受雨淋）甚至與t的0.1次方成正比。木材R15=1+(W-15),2020/6/7,11,水泥，砼，砂漿的溫濕度要求,2020/6/7,12,試件尺寸,受壓縱向變形的同時(shí)按泊松比效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生橫向變形，由于試件與試驗(yàn)機(jī)承壓板變形不同，在支承面周界產(chǎn)生摩擦阻力，對(duì)試件的橫向變形起限制和約束作用，從而提高測試強(qiáng)度。周界與承壓面積之比值愈大，摩擦阻力也愈大，強(qiáng)度愈高，同時(shí)阻力與接觸面間距離成反比，可采取涂石蠟等措施。一般而言，小試件強(qiáng)度比大試件強(qiáng)度高，相同受壓面，高度大的比高度小的測試強(qiáng)度低。Weibull最弱鍵理論認(rèn)為小試件內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)存在的概率小，易密實(shí)，如棱柱體受壓的抗壓強(qiáng)度約為正方體的0.65至0.85倍。,2020/6/7,13,受荷面平整度,如受荷面平整度不夠，會(huì)引起應(yīng)力集中而降低強(qiáng)度，凸出來比凹下去對(duì)應(yīng)力集中影響更大,所以成型面一般不作受壓面(水泥、抗折、抗壓、砼抗壓中)如一定要作受壓面，必須找平。,2020/6/7,14,加荷速度,一般加荷速度快，強(qiáng)度高，反之則低，因?yàn)楫?dāng)加荷快時(shí)，應(yīng)變來不及發(fā)展即已破壞。日本：R=R1(1+klgs)K=0.08；R1-0.07kgf/cm2/s時(shí)的強(qiáng)度,S為加荷速度kgf/cm2/s試件大時(shí)加荷速度的影響C300.50.8MPa/s,C600.81.0MPa/s抗折C300.050.08，C600.080.10MPa/s水泥抗壓2500100NS。,2020/6/7,材料試驗(yàn)機(jī),材料試驗(yàn)機(jī)：在材料的力學(xué)性能試驗(yàn)中，給試件施加荷載的設(shè)備。常見有拉力、壓力及萬能試驗(yàn)機(jī)。構(gòu)造原理：一般由三個(gè)系統(tǒng)組成：加荷載系統(tǒng)、測力系統(tǒng)與試件裝置系統(tǒng)。系統(tǒng)彼此之間由機(jī)器支架聯(lián)系在一起，有的試驗(yàn)機(jī)還備有自動(dòng)繪圖裝置及其它配件。,2020/6/7,加荷系統(tǒng),兩種加荷形式：油壓式和機(jī)械傳動(dòng)式。油壓式：占大部分。利用手動(dòng)油泵式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵，將油箱中的油打入工作油缸產(chǎn)生油壓，并作用到活塞上，活塞移動(dòng)并將力傳到試件夾具，給試件加荷，加荷速度由進(jìn)油量來控制。機(jī)械式傳動(dòng)式：利用螺旋與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)式帶動(dòng)裝有活動(dòng)橫梁的螺旋桿旋轉(zhuǎn)，使試件受荷，加荷速度取決于螺旋桿旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)速度由控制電機(jī)速度來控制。,2020/6/7,加荷系統(tǒng)圖,2020/6/7,測力系統(tǒng),常見的有螺旋狀背景簧測力機(jī)構(gòu)（2000KN壓力機(jī)）、油壓擺錘式測力機(jī)構(gòu)（萬能試驗(yàn)機(jī)）、水平杠桿式（水泥電動(dòng)抗折儀）、電腦自動(dòng)采集系統(tǒng),2020/6/7,螺旋狀彈簧,當(dāng)受荷，工作油缸的油壓傳至彈簧測力計(jì)小油缸，在相應(yīng)油壓作用下小油缸活塞下降,帶動(dòng)彈簧變形，其變形值與油缸油壓成正比，并通過鋼皮帶或蠟線帶動(dòng)刻度盤上的指針旋轉(zhuǎn)而顯示荷載讀數(shù)。彈簧可變，通過彈簧大小的變化來選擇量程。,圖1-4螺旋狀彈簧測力系統(tǒng)示意圖,2020/6/7,油壓擺錘式,由工作油缸帶動(dòng)測力小油缸，以相應(yīng)的油壓使小油缸活塞下降，帶動(dòng)擺錘揚(yáng)起平移齒條，使裝有指針的齒輪旋轉(zhuǎn)，指出荷載讀數(shù)，根據(jù)其擺錘重量的變化，找到可以選擇相應(yīng)的量程。,圖1-5油壓擺錘式測力系統(tǒng)示意圖,2020/6/7,水泥抗折強(qiáng)度儀,2020/6/7,水平杠桿式圖,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)可通過變化與移動(dòng)O點(diǎn)變化C和d來改變量程。,2020/6/7,電腦自動(dòng)采集系統(tǒng),采用電阻應(yīng)變式傳感裝置，根據(jù)電阻應(yīng)變原理，通過電子原器件，將受力荷載直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里，并在計(jì)算機(jī)的顯示屏上顯示出來。,2020/6/7,（三）試件裝置系統(tǒng),壓力試驗(yàn)機(jī)主要由上、下承壓板組成，一般帶有球面座以使承壓板與試件表面緊貼。萬能試驗(yàn)機(jī)由固定框架與活動(dòng)框架，可裝置壓力試件，彎曲試件引剪切試件。,2020/6/7,二、試驗(yàn)機(jī)的檢定,精度反映試驗(yàn)機(jī)刻度盤上反應(yīng)的讀數(shù)與試件承受的實(shí)際荷載之間的誤差的大小精度越高，誤差越小，精度等級(jí):0.5,1,2,3。相應(yīng)示值誤差為0.5%、1%、2%、3%常用檢定工具:標(biāo)準(zhǔn)測力計(jì)，有機(jī)械傳遞式的壓力環(huán)，有液壓傳遞式的水銀測力計(jì)式校正箱等。,2020/6/7,1彈性圈（壓力環(huán)）,原理:彈性變形范圍內(nèi)荷載與變形成直線關(guān)系，備有荷載一變形表格，可供對(duì)照查閱。彈性圈因受力而變形,帶動(dòng)懸格于通過干分表測其變形，對(duì)照表可知實(shí)際荷載，同時(shí)將試驗(yàn)機(jī)刻度盤上讀數(shù)記下則P標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)變形表查閱；多次測定的平均值；e（%）示值誤差,2020/6/7,彈性圈；2.上螺旋頭；3.下螺旋頭；4.懸桁；5.千分表座；6.千分表圖1-8彈性圈,2020/6/7,2水銀箱,通過測定體積變化，荷載與何種變化成直線關(guān)系，也備有荷載體積標(biāo)準(zhǔn)表格可供查閱對(duì)照。檢定試驗(yàn)機(jī)時(shí)，室溫應(yīng)為2010，檢定過程中室溫變動(dòng)不超過1。水銀箱受壓，體積縮小，水銀溢出，讀出體積。,2020/6/7,第四節(jié)變形測量儀,測量試件受荷（拉、壓、彎、折等）時(shí)微小變形或位移所用儀器即為變形測量儀。根據(jù)變形放大原理，有齒輪、杠桿、彈簧等機(jī)械式變形測量儀，如千分表、引伸儀、應(yīng)變儀等。引伸儀有杠桿式、鏡式等引伸儀，應(yīng)變儀有手持式，電阻式應(yīng)變儀等。百分表（千分表）：利用機(jī)械中齒輪傳動(dòng)原理、使變形通過放大齒輪放大，從而提高靈敏度。,2020/6/7,二、手持式應(yīng)變儀,主要部件：千分表或百分表A、B為支點(diǎn)，C、D間板彈簧連接，可自由相對(duì)移動(dòng)，C、D距離的相對(duì)變化引起中間百分表（千分表）上讀數(shù)的變化，從而測得A、B兩點(diǎn)間距離的變化。,圖1-11手持式應(yīng)變儀工作原理圖,2020/6/7,三、杠桿式引伸儀,主要部件：固定刀刃與活動(dòng)刀刃、杠桿、T形聯(lián)桿、刻度與反光鏡等。其工作原理為當(dāng)活動(dòng)刀刃變化時(shí)帶動(dòng)T形聯(lián)桿作水平移動(dòng)；與T聯(lián)桿相連的指針也發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，從而讀出變化。如試件的標(biāo)距為L，變形前的讀數(shù)為A1，受力變形L后的讀數(shù)為A2，則讀數(shù)差為A=A2-A1,2020/6/7,由三角形相似放大倍數(shù)一般K=10001200,圖1-13杠桿式引伸儀工作原理,2020/6/7,電阻應(yīng)變測試法,憑借粘貼在試件上的應(yīng)變片將力學(xué)量（應(yīng)變、位移）等轉(zhuǎn)化成電阻，并利用專門儀器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸㈦娏骰蚬β瘦敵?，從而獲得構(gòu)件的表面應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。,2020/6/7,電測法的優(yōu)點(diǎn),測量靈敏度和精度高，其最小應(yīng)變讀數(shù)可達(dá)1微應(yīng)變（110-6/）；測量范圍廣，范圍為1到2萬；頻率響應(yīng)好，從靜態(tài)到數(shù)10萬赫茲的動(dòng)態(tài)效應(yīng)；應(yīng)變片尺寸小，最小的應(yīng)變片柵長可短到0.178，重量輕，安裝方便，不影響構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，可在高溫、低溫、高速旋轉(zhuǎn)或強(qiáng)磁場的環(huán)境下測量；由于在測量過程中輸出的是電信號(hào)，因此易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化及無線電遙控，還可制成各種傳感器，測量力、位移、加速度等物理量。,2020/6/7,缺點(diǎn),1.只能測量構(gòu)件表面的應(yīng)變，不能測量構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變；2.不能進(jìn)行全范圍的測量。a.一個(gè)應(yīng)變片只能測定構(gòu)件表面一個(gè)點(diǎn)沿某一個(gè)方向的應(yīng)變；b.只能測得電阻應(yīng)變柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變值。,2020/6/7,儀器組成,電阻應(yīng)變片,變形測量儀,簡稱應(yīng)變片，是一種電阻式的傳感器，是關(guān)鍵性原件，它通過本身電阻的變化來反映所需要測量的應(yīng)變,又稱電阻應(yīng)變儀，對(duì)變形起轉(zhuǎn)換放大作用，將應(yīng)變片阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）變化，通過電子放大器將信號(hào)放大，并指示出變形的大小。,通過電阻應(yīng)變儀中的電橋來完成,2020/6/7,一、工作原理,導(dǎo)體具有應(yīng)變效應(yīng)，其阻值隨其機(jī)械變形而變化。受力后發(fā)生變化，如受到拉力，則L變長L，A減小A，則R也相應(yīng)變化R，則分別對(duì)微分,2020/6/7,令（橫向應(yīng)變/縱向應(yīng)變）,令金屬電阻絲的靈敏系數(shù),2020/6/7,Ks一般在單向應(yīng)力狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定上由實(shí)驗(yàn)來確定,，KS將為定值，呈線性關(guān)系，當(dāng)電阻絲制成應(yīng)變片以后，靈敏系數(shù)會(huì)發(fā)生變化令K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，通常為1.82.5，常用微應(yīng)變表示1=10-6。,2020/6/7,(二)常用種類與構(gòu)造,1.種類:可按電阻材料的不同,基底材料的不同,應(yīng)變繞線形成的不同等分類,常用的有是絲式紙其繞線式。,構(gòu)造,由電阻絲柵、引出線和絕緣材料。電阻絲：采用高電阻的合金絲做成，一般為康銅絲和鎳路絲兩種，直徑為0.0120.05；引出線:由直徑為0.150.18的鍍銀或鍍錫銅線組成；其層復(fù)蓋層:良好的機(jī)械性能和電絕緣性能,質(zhì)地柔軟易于粘貼，不易吸潮，能在一定的溫度下工作，主要有低質(zhì)和膠質(zhì)兩種。,2020/6/7,2020/6/7,應(yīng)變片圖,2020/6/7,（三）主要規(guī)格與特性,幾何尺寸與標(biāo)距敏感柵工作面積bLb為基寬，指敏感柵外側(cè)之間的距離。應(yīng)變法根據(jù)L分為三類，長標(biāo)距L=50200mm；中標(biāo)距L=1020mm；小標(biāo)距L=13mm；不同應(yīng)變片基寬b是基本一致的。應(yīng)變片的標(biāo)距選擇取決于被測體的勻質(zhì)性，應(yīng)變片所測得之應(yīng)變，是被測試體在L長內(nèi)的平均值。,電阻R,名義電阻：是指設(shè)計(jì)值，未經(jīng)粘貼的電阻片在室溫下測定電阻值，一般為120，也有60、350、600等系列。在允許通過同樣電流的情況下，選用較大電阻的應(yīng)變片，可提高應(yīng)變片的工作電壓，因而輸出信號(hào)加大，提高了測量靈敏度。使用前應(yīng)測定實(shí)際電阻，在同一組試體上應(yīng)變片的阻值差應(yīng)0.5。,2020/6/7,2020/6/7,靈敏系數(shù)大K即單向軸向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化R/R與試件表面沿應(yīng)變片軸線方向的應(yīng)變之比值，一般為1.82.5。,4.機(jī)械滯后,機(jī)械應(yīng)變:在機(jī)械荷載作用下試件產(chǎn)生的應(yīng)變;指示應(yīng)變:從電阻應(yīng)變儀上讀出的應(yīng)變。機(jī)械滯后:在恒定溫度下，對(duì)安裝有應(yīng)變片的試件加載和卸載，以試件的機(jī)械應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，應(yīng)變片的指示應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)，繪制曲線，加載與卸載曲線不相重合。機(jī)械滯后的現(xiàn)象總是存在，是由于敏感柵、基底和粘結(jié)劑在承受機(jī)械應(yīng)變后產(chǎn)生的殘余變形所致。減小機(jī)械滯后方法：預(yù)加、卸載若干次。,2020/6/7,2020/6/7,溫度效應(yīng),由于溫度變化而引起的電阻相對(duì)變化的現(xiàn)象。需要:由于機(jī)械壓力而引起的試體變形