土木工程材料原理與方法試驗機和變形儀分析重點PPT課件

1、2021-10-29標準的分類：按發(fā)布單位與通用范圍分為標準國際標準國內(nèi)標準國家標準行業(yè)標準地方標準(省標)企業(yè)標準其他：CCES，CECS一般地標、企業(yè)標準的平均相對誤差，相對標準差Sr小于國標、部標。標準適用范圍越廣，其被承認程度越高。第1頁/共49頁2021-10-29基本技能 試驗基本步驟 取樣原則：具有代表性 儀器選擇 試驗：方案設計與試驗 結(jié)果計算與評定 修約規(guī)則 試驗條件的影響第2頁/共49頁2021-10-29試驗條件的影響 溫度：部分材料影響不大，常溫1525時，但對感溫材料，應嚴格控制溫度。 濕度：材料內(nèi)部和外部的濕度；濕度對不同材料的影響不同； 試件尺寸：一般小試件強度比

2、大試件強度高，相同受壓面，高度大的比高度小的測試強度低。 受荷面平整度：如受荷面平整度不夠，會引起應力集中而降低強度，成型面一般不作受壓面 加荷速度：一般加荷速度快，強度高，反之則低，因為當加荷快時，應變來不及發(fā)展即已破壞。第3頁/共49頁2021-10-294試驗基本技能 取樣：代表性，有足夠數(shù)量，一般為隨機抽樣，采取標準規(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、試驗機等要注意最大量程和精度。 試驗方法 有標準按標準進行，否則，可參照類似標準或擬定； 要求：試驗方案可靠，取得的試驗結(jié)果能夠得到科學的認同，相對穩(wěn)定，結(jié)果能進行比較或者評定，且相對誤差小。

3、第4頁/共49頁2021-10-295結(jié)果計算與評定 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=準確數(shù)+最末位欠準數(shù)字；一般其位數(shù)越多，其準確度越高。 試驗目的，即評定。是否滿足要求，其等級如何，得出何種結(jié)論等第5頁/共49頁2021-10-296修約規(guī)則 四舍六入五單雙，五后非零應進一，五后為零視單雙，單進雙不進。 將以下數(shù)據(jù)保留4位有效數(shù)字。 3.14159 2.71729 4.51050 4.51150 4.510500023.1422.7174.5104.5124.511第6頁/共49頁2021-10-297試驗條件的影響溫度 部分材料影響不大，常溫1525時，但對感溫材料

4、，應嚴格控制溫度。 如瀝青針入度，延度試驗，需在25的恒溫水溶中進行，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，表示瀝青對溫度極為敏感到溫度敏感性很低。 粉狀材料密度實驗應控制在20，鋼筋測試1035 之間。第7頁/共49頁2021-10-298濕度 兩個含義：材料內(nèi)部和外部的濕度； 濕度對不同材料的影響不同； 如對碳化引起的鋼筋銹蝕，在不會發(fā)生銹蝕的干燥環(huán)境，碳化速度與時間 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

5、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)第8頁/共49頁2021-10-299水泥，砼，砂漿的溫濕度要求實驗室實驗室養(yǎng)護室養(yǎng)護室其他其他溫度溫度相對濕相對濕度度溫度溫度相對濕度相對濕度水泥水泥2022 5050 201190% 2011水水混凝混凝土土2055 202295% 2022 Ca(OH)2飽和溶飽和溶液液砂漿砂漿2055 2022自養(yǎng)自養(yǎng)6080%標養(yǎng)標養(yǎng)90% 第9頁/共49頁2021-10-2910試件尺寸 受壓縱向變形的同時按泊松比效應也會產(chǎn)生橫向變形，由于試件與試驗機承壓板變形不同，在支承面周界產(chǎn)生摩擦阻力，對試件的橫向變形起

6、限制和約束作用，從而提高測試強度。 周界與承壓面積之比值愈大，摩擦阻力也愈大，強度愈高，同時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，小試件強度比大試件強度高，相同受壓面，高度大的比高度小的測試強度低。 Weibull最弱鍵理論認為小試件內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)存在的概率小，易密實，如棱柱體受壓的抗壓強度約為正方體的0.65至0.85倍。第10頁/共49頁2021-10-2911受荷面平整度 如受荷面平整度不夠，會引起應力集中而降低強度，凸出來比凹下去對應力集中影響更大,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。第11頁/共49頁2021-10-29

7、12加荷速度 一般加荷速度快，強度高，反之則低，因為當加荷快時，應變來不及發(fā)展即已破壞。 日本： R=R1(1+klgs) K=0.08；R1-0.07kgf/cm2/s時的強度,S為加荷速度 kgf/cm2/s 試件大時加荷速度的影響小試件； 混凝土抗壓，C30 0.50.8MPa/s,C60 0.81.0MPa/s 抗折C30 0.050.08，C60 0.080.10MPa/s 水泥抗壓2500100NS。第12頁/共49頁2021-10-29材料試驗機 材料試驗機：在材料的力學性能試驗中，給試件施加荷載的設備。 常見有拉力、壓力及萬能試驗機。 構(gòu)造原理： 一般由三個系統(tǒng)組成：加荷載系統(tǒng)

8、、測力系統(tǒng)與試件裝置系統(tǒng)。 系統(tǒng)彼此之間由機器支架聯(lián)系在一起，有的試驗機還備有自動繪圖裝置及其它配件。第13頁/共49頁2021-10-29加荷系統(tǒng) 兩種加荷形式：油壓式和機械傳動式。 油壓式：占大部分。利用手動油泵式電動機驅(qū)動油泵，將油箱中的油打入工作油缸產(chǎn)生油壓，并作用到活塞上，活塞移動并將力傳到試件夾具，給試件加荷，加荷速度由進油量來控制。 機械式傳動式：利用螺旋與齒輪傳動機構(gòu)式帶動裝有活動橫梁的螺旋桿旋轉(zhuǎn)，使試件受荷，加荷速度取決于螺旋桿旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)速度由控制電機速度來控制。第14頁/共49頁2021-10-29荷載框架拉伸拉壓試件壓縮螺旋齒輪電動機回油閥門推動軸承液源進油閥門油缸活

9、塞圖1-2 油壓式加荷系統(tǒng)示意圖 圖1-3 機械式加荷系統(tǒng)示意圖加荷系統(tǒng)圖第15頁/共49頁2021-10-29測力系統(tǒng) 常見的有螺旋狀背景簧測力機構(gòu)（2000KN壓力機）、油壓擺錘式測力機構(gòu)（萬能試驗機）、水平杠桿式（水泥電動抗折儀）、電腦自動采集系統(tǒng)第16頁/共49頁2021-10-29螺旋狀彈簧 當受荷，工作油缸的油壓傳至彈簧測力計小油缸，在相應油壓作用下小油缸活塞下降,帶動彈簧變形，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)示意圖第17頁/共49頁2021-10-29 油壓擺錘

10、式 由工作油缸帶動測力小油缸，以相應的油壓使小油缸活塞下降，帶動擺錘揚起平移齒條，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，找到可以選擇相應的量程。圖1-5 油壓擺錘式測力系統(tǒng)示意圖第18頁/共49頁2021-10-29水泥抗折強度儀第19頁/共49頁2021-10-29水平杠桿式圖質(zhì)量mPAcdba游陀平衡錘BOT第20頁/共49頁2021-10-29 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m10kg ad50mm，c200mm Pg.b9.8b f (MPa) 其中L100mm

11、，bh40mm f 0.230 b(MPa) 可通過變化與移動O點變化C和d來改變量程。223bhPL240402100b8.93第21頁/共49頁2021-10-29電腦自動采集系統(tǒng) 采用電阻應變式傳感裝置，根據(jù)電阻應變原理，通過電子原器件，將受力荷載直接傳輸?shù)接嬎銠C里，并在計算機的顯示屏上顯示出來。第22頁/共49頁2021-10-29（三）試件裝置系統(tǒng) 壓力試驗機主要由上、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。 萬能試驗機由固定框架與活動框架 ，可裝置壓力試件，彎曲試件引剪切試件。第23頁/共49頁2021-10-29二、試驗機的檢定 精度反映試驗機刻度盤上反應的讀數(shù)與試

12、件承受的實際荷載之間的誤差的大小 精度越高，誤差越小， 精度等級:0.5,1,2,3。相應示值誤差為0.5%、1%、2%、3% 常用檢定工具:標準測力計，有機械傳遞式的壓力環(huán)，有液壓傳遞式的水銀測力計式校正箱等。第24頁/共49頁2021-10-291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，可供對照查閱。 彈性圈因受力而變形,帶動懸格于通過干分表測其變形，對照表可知實際荷載，同時將試驗機刻度盤上讀數(shù)記下則 P標準值根據(jù)變形表查閱； 多次測定的平均值；e（%）示值誤差100(%)pppep第25頁/共49頁2021-10-291彈性圈；2.上螺旋頭；3.下

13、螺旋頭；4.懸桁；5.千分表座；6.千分表圖1-8彈性圈第26頁/共49頁2021-10-292水銀箱 通過測定體積變化，荷載與何種變化成直線關(guān)系，也備有荷載體積標準表格可供查閱對照。 檢定試驗機時，室溫應為2010，檢定過程中室溫變動不超過1。 水銀箱受壓，體積縮小，水銀溢出，讀出體積。第27頁/共49頁2021-10-29第四節(jié) 變形測量儀 測量試件受荷（拉、壓、彎、折等）時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、彈簧等機械式變形測量儀，如千分表、引伸儀、應變儀等。引伸儀有杠桿式、鏡式等引伸儀，應變儀有手持式，電阻式應變儀等。百分表（千分表）：利用機械中齒輪傳

14、動原理、使變形通過放大齒輪放大，從而提高靈敏度。第28頁/共49頁2021-10-29二、手持式應變儀 主要部件：千分表或百分表 A、B為支點，C、D間板彈簧連接，可自由相對移動，C、D距離的相對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兩點間距離的變化。圖1-11手持式應變儀工作原理圖第29頁/共49頁2021-10-29三、杠桿式引伸儀 主要部件：固定刀刃與活動刀刃、杠桿、T形聯(lián)桿、刻度與反光鏡等。 其工作原理為當活動刀刃變化時帶動T形聯(lián)桿作水平移動；與T聯(lián)桿相連的指針也發(fā)生相應的移動，從而讀出變化。 如試件的標距為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

15、A=A2-A1第30頁/共49頁2021-10-29 由三角形相似 放大倍數(shù)一般K=100012004123hAAh4213421312)(21hhhhAhhhhAAhhL1342hhhhLAK21hhL圖1-13杠桿式引伸儀工作原理第31頁/共49頁2021-10-29電阻應變測試法 憑借粘貼在試件上的應變片將力學量（應變、位移）等轉(zhuǎn)化成電阻，并利用專門儀器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?、電流或功率輸出，從而獲得構(gòu)件的表面應變，再根據(jù)應變應力關(guān)系確定構(gòu)件表面應力狀態(tài)的一種實驗應力分析方法。第32頁/共49頁2021-10-29電測法的優(yōu)點 測量靈敏度和精度高，其最小應變讀數(shù)可達1微應變（110-6/）； 測量范

16、圍廣，范圍為1到2萬； 頻率響應好，從靜態(tài)到數(shù)10萬赫茲的動態(tài)效應； 應變片尺寸小，最小的應變片柵長可短到0.178，重量輕，安裝方便，不影響構(gòu)件的應力狀態(tài)，可在高溫、低溫、高速旋轉(zhuǎn)或強磁場的環(huán)境下測量； 由于在測量過程中輸出的是電信號，因此易于實現(xiàn)數(shù)字化、自動化及無線電遙控，還可制成各種傳感器，測量力、位移、加速度等物理量。第33頁/共49頁2021-10-29 缺點 1.只能測量構(gòu)件表面的應變，不能測量構(gòu)件內(nèi)部的應變； 2.不能進行全范圍的測量。 a.一個應變片只能測定構(gòu)件表面一個點沿某一個方向的應變； b.只能測得電阻應變柵長范圍內(nèi)的平均應變值。第34頁/共49頁2021-10-29儀器

17、組成 電阻應變片 變形測量儀 簡稱應變片，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變 又稱電阻應變儀，對變形起轉(zhuǎn)換放大作用，將應變片阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）變化，通過電子放大器將信號放大，并指示出變形的大小。 通過電阻應變儀中的電橋來完成 第35頁/共49頁2021-10-29一、工作原理 導體具有應變效應，其阻值隨其機械變形而變化。受力后發(fā)生變化，如受到拉力，則L變長L，A減小A，則R也相應變化R，則分別對微分 24dLALRddLLddLR322844ddLLdL242第36頁/共49頁2021-10-29 令 （橫向應變/縱向應變）, 令金屬電阻

18、絲的靈敏系數(shù) LL)21 ( RRLLdd/)21 (/RRKsLLLLddLLRR22第37頁/共49頁2021-10-29 Ks一般在單向應力狀態(tài)下標準標定上由實驗來確定, ，KS將為定值，呈線性關(guān)系，當電阻絲制成應變片以后，靈敏系數(shù)會發(fā)生變化 令 K為應變片的靈敏系數(shù)，通常為1.82.5， 常用微應變 表示1=10-6 。KRR第38頁/共49頁2021-10-29(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,應變繞線形成的不同等分類,常用的有是絲式紙其繞線式。第39頁/共49頁構(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

19、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； 其層復蓋層:良好的機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。2021-10-29第40頁/共49頁2021-10-29應變片圖Lb引線金屬電阻絲第41頁/共49頁2021-10-29（三）主要規(guī)格與特性 幾何尺寸與標距 敏感柵工作面積bL b為基寬，指敏感柵外側(cè)之間的距離。 應變法根據(jù)L分為三類，長標距L=50200mm；中標距L=1020mm；小標距L=13mm；不同應變片基寬b是基本一致的。 應變片的標距選擇取決于被測體的勻質(zhì)性，應變片所測得之應變，是被測試體在L長內(nèi)的平均值。第42頁/共49頁電阻R 名義電阻：是指設計值，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，選用較大電阻的應變片，可提高應變片的工作電壓，因而輸出信號加大，提高了測量靈敏度。 使用前應測定實際電阻，在同一組試體上應變片的阻值差應0.5。2021-10-29第43頁/共49頁2021-10-29 靈敏系數(shù)大K 即單向軸向應力作用下，應變片的電阻相對變化R/R與試件表面沿應變片