土木工程材料原理與方法2-試驗(yàn)機(jī)和變形儀2010

2024/1/14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(lèi)：選擇基本技能2024/1/14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(guó)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)2024/1/14標(biāo)準(zhǔn)的分類(lèi)：按發(fā)布單位與通用范圍分為標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)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δ，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差Sr小于國(guó)標(biāo)、部標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)適用范圍越廣，其被承認(rèn)程度越高。2024/1/14基本技能試驗(yàn)基本步驟取樣原則：具有代表性?xún)x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2024/1/14試驗(yàn)條件的影響溫度：部分材料影響不大，常溫15～25℃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(cè)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(lái)不及發(fā)展即已破壞。2024/1/146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(cè)試內(nèi)容取樣方法數(shù)量不同。儀器選擇稱(chēng)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(lèi)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。2024/1/147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(mǎn)足要求，其等級(jí)如何，得出何種結(jié)論等2024/1/148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。3.141592.717294.510504.511504.510500023.1422.7174.5104.5124.5112024/1/149試驗(yàn)條件的影響—溫度部分材料影響不大，常溫15～25℃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(lái)表示其溫度敏感性。LogP＝AT＋K，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)PI＝30/(1＋50A)－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(cè)試10－35℃之間。2024/1/1410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(zhǎng)期濕潤(rùn)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+α(W-15))

2024/1/1411水泥，砼，砂漿的溫濕度要求實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)室其他溫度相對(duì)濕度溫度相對(duì)濕度水泥20±2℃

≥50％

20±1℃>90%20±1℃水混凝土20±5℃

20±2℃>95%20±2℃

Ca(OH)2飽和溶液砂漿20±5℃

20±2℃自養(yǎng)60~80%標(biāo)養(yǎng)>90%

2024/1/1412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(cè)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(cè)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。2024/1/1413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(lái)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。2024/1/1414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(lái)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<小試件；混凝土抗壓，<C30，0.3~0.5MPa/s，>C300.5~0.8MPa/s,>C600.8~1.0MPa/s抗折<C30，0.02～0.05，>C300.05～0.08，>C600.08~0.10MPa/s水泥抗壓2500±100N／S。2024/1/14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(jiàn)有拉力、壓力及萬(wàn)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(cè)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。2024/1/14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(lái)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(lái)控制。2024/1/14荷載框架拉伸拉壓試件壓縮螺旋齒輪電動(dòng)機(jī)回油閥門(mén)推動(dòng)軸承液源進(jìn)油閥門(mén)油缸活塞圖1-2油壓式加荷系統(tǒng)示意圖圖1-3機(jī)械式加荷系統(tǒng)示意圖加荷系統(tǒng)圖2024/1/14測(cè)力系統(tǒng)常見(jiàn)的有螺旋狀背景簧測(cè)力機(jī)構(gòu)（2000KN壓力機(jī)）、油壓擺錘式測(cè)力機(jī)構(gòu)（萬(wàn)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)2024/1/14螺旋狀彈簧當(dāng)受荷，工作油缸的油壓傳至彈簧測(cè)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(guò)鋼皮帶或蠟線帶動(dòng)刻度盤(pán)上的指針旋轉(zhuǎn)而顯示荷載讀數(shù)。彈簧可變，通過(guò)彈簧大小的變化來(lái)選擇量程。圖1-4螺旋狀彈簧測(cè)力系統(tǒng)示意圖2024/1/14

油壓擺錘式

由工作油缸帶動(dòng)測(cè)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(cè)力系統(tǒng)示意圖2024/1/14水泥抗折強(qiáng)度儀2024/1/14水平杠桿式圖質(zhì)量mPAcdba游陀平衡錘BOT2024/1/14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m＝10kga＝d＝50mm，c＝200mm∴P＝g.b＝9.8b∵f＝(MPa)其中L＝100mm，b＝h＝40mm∴f＝＝0.230b(MPa)可通過(guò)變化與移動(dòng)O點(diǎn)變化C和d來(lái)改變量程。2024/1/14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?cè)?，通過(guò)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(lái)。2024/1/14（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(wàn)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。2024/1/14二、試驗(yàn)機(jī)的檢定精度反映試驗(yàn)機(jī)刻度盤(pán)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(cè)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(cè)力計(jì)式校正箱等。2024/1/141．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(guò)干分表測(cè)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(pán)上讀數(shù)記下則

P—標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)變形表查閱；—多次測(cè)定的平均值；e（%）—示值誤差2024/1/14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2024/1/142．水銀箱通過(guò)測(cè)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20±10℃，檢定過(guò)程中室溫變動(dòng)不超過(guò)1℃。水銀箱受壓，體積縮小，水銀溢出，讀出體積。2024/1/14第四節(jié)

變形測(cè)量?jī)x測(cè)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(cè)量?jī)x。根據(jù)變形放大原理，有齒輪、杠桿、彈簧等機(jī)械式變形測(cè)量?jī)x，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(guò)放大齒輪放大，從而提高靈敏度。2024/1/14二、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(cè)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2024/1/14三、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(zhǎng)，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-A12024/1/14由三角形相似∴放大倍數(shù)一般K=1000～1200圖1-13杠桿式引伸儀工作原理2024/1/14電阻應(yīng)變測(cè)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(zhuān)門(mén)儀器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?、電流或功率輸出，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。

2024/1/14電測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)測(cè)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（1με＝10-6㎜/㎜）；測(cè)量范圍廣，范圍為1με到2萬(wàn)με；頻率響應(yīng)好，從靜態(tài)到數(shù)10萬(wàn)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(zhǎng)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(chǎng)的環(huán)境下測(cè)量；由于在測(cè)量過(guò)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(wú)線電遙控，還可制成各種傳感器，測(cè)量力、位移、加速度等物理量。2024/1/14

缺點(diǎn)1.只能測(cè)量構(gòu)件表面的應(yīng)變，不能測(cè)量構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變；2.不能進(jìn)行全范圍的測(cè)量。a.一個(gè)應(yīng)變片只能測(cè)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(cè)得電阻應(yīng)變柵長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均應(yīng)變值。2024/1/14儀器組成電阻應(yīng)變片

變形測(cè)量?jī)x

簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)變片，是一種電阻式的傳感器，是關(guān)鍵性原件，它通過(guò)本身電阻的變化來(lái)反映所需要測(cè)量的應(yīng)變

又稱(chēng)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(guò)電子放大器將信號(hào)放大，并指示出變形的大小。

通過(guò)電阻應(yīng)變儀中的電橋來(lái)完成

2024/1/14一、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(zhǎng)△L，A減小△A，則R也相應(yīng)變化△R，則分別對(duì)微分

2024/1/14令（橫向應(yīng)變/縱向應(yīng)變）,

∴∴

令金屬電阻絲的靈敏系數(shù)2024/1/14

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(lái)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1.8～2.5，ε常用微應(yīng)變?chǔ)苔疟硎?με=10-6ε。2024/1/14(二)常用種類(lèi)與構(gòu)造1.種類(lèi):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(lèi),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。①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0.012～0.05㎜；②引出線:由直徑為0.15～0.18㎜的鍍銀或鍍錫銅線組成；③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。2024/1/142024/1/14應(yīng)變片圖Lb引線金屬電阻絲2024/1/14（三）主要規(guī)格與特性幾何尺寸與標(biāo)距

敏感柵工作面積b×Lb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(lèi)，①長(zhǎng)標(biāo)距L=50～200mm；②中標(biāo)距L=10～20mm；③小標(biāo)距L=1～3mm；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(cè)體的勻質(zhì)性，應(yīng)變片所測(cè)得之應(yīng)變，是被測(cè)試體在L長(zhǎng)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(cè)定電阻值，一般為120Ω，也有60、350、600等系列。在允許通過(guò)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(cè)量靈敏度。使用前應(yīng)測(cè)定實(shí)際電阻，在同一組試體上應(yīng)變片的阻值差應(yīng)≯0.5Ω。2024/1/142024/1/14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ΔR/R與試件表面沿應(yīng)變片軸線方向的應(yīng)變?chǔ)胖戎?，一般?.8～2