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力試驗(yàn)機(jī)自身位移度的評定
1 引言
混凝土材料力學(xué)性能試驗(yàn)中，一般關(guān)心的是材料的強(qiáng)度一本構(gòu)全程試驗(yàn)曲線和材料的彈性模量和泊松比等，即荷載作用下試件的真實(shí)位移反映。而普通的力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)在沒有配備試件位移傳感器的條件下，通過位移控制得到的荷載一位移關(guān)系曲線中的位移并不能直接反映試件的真實(shí)位移，其中含有試驗(yàn)機(jī)自身的位移，這個位移是由試驗(yàn)機(jī)的剛度決定的。這樣就給混凝土的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)帶來了一定的局限性。如增加位移傳感器則相應(yīng)的增加了通道數(shù)，現(xiàn)有的試驗(yàn)機(jī)采集軟件也必須配套修改，相應(yīng)的試驗(yàn)機(jī)成本也增加；也有提出利用試驗(yàn)機(jī)上下壓板相禍合的方法，借助位移計(jì)來測定試驗(yàn)機(jī)的位移，但裝配好的試驗(yàn)機(jī)由于行程開關(guān)的保護(hù)，上下壓板禍合比較麻煩，而且位移計(jì)的安裝位置也不好確定；直接在試件上貼電阻應(yīng)變片是測定材料的應(yīng)力一應(yīng)變簡單可行的辦法，但每次試驗(yàn)過程中都必須對試件貼應(yīng)變片，而且還必須借助應(yīng)變采集軟件和設(shè)備才能完成。是否有一種簡單而可行的辦法測定出試驗(yàn)機(jī)在荷載作用下的自身位移，這樣在材料試驗(yàn)過程中利用位移控制得出的荷載一位移關(guān)系曲線的基礎(chǔ)上再濾掉試驗(yàn)機(jī)的自身位移，就能得出試件的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線，使試驗(yàn)過程簡單，又能評定試驗(yàn)機(jī)的剛度。
2 試驗(yàn)過程
2.1試驗(yàn)方法
選取配制強(qiáng)度為C20的70mm、100mm、150mm、200mm、300mm、400mm自密實(shí)混凝土立方體試件各l組一3組進(jìn)行強(qiáng)度一本構(gòu)全程試驗(yàn)，以位移控制加載,其中70mm、100mm立方體試件在WAW-1000C的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，150mm立方體試件在WHY-3000的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，200mm、300mm、400mm立方體試件在YAW-J5000F的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。同時選取與混凝土立方體試件相同截面的Q235鋼試件，借助標(biāo)準(zhǔn)Q235鋼試件的應(yīng)力一應(yīng)變曲線為已知的條件來確定試驗(yàn)機(jī)位移。即選取70mm、100mm。的立方體鋼試件，用于確定WAW-1000C試驗(yàn)機(jī)上的位移；由于厚度為150mm、200mm、300mm、400mm的鋼錠市面上難以找到,所以本次試驗(yàn)選取150×150×100mm的鋼試件用于確定WHY-3000的試機(jī)上的位移;選取200×200×100mm的鋼試件用于確定YAW-J5000F試驗(yàn)機(jī)的位移。所用的試件和試驗(yàn)機(jī)如圖1一圖3所示。
圖1 混凝土試件
圖2 鋼試件
圖3 部分試驗(yàn)機(jī)
2.2 試驗(yàn)步驟和結(jié)果
（1）將三種尺寸的Q235鋼試件在相應(yīng)的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，利用位移控制加載，得到相應(yīng)的鋼試件的荷載一位移曲線，該位移是包含有試驗(yàn)機(jī)自身位位移在內(nèi)的試件位移。如圖4所示。
（2）借助普通Q235鋼單軸抗壓應(yīng)力一應(yīng)變曲線的上升段[4]作為標(biāo)準(zhǔn)曲線，固定同一級荷載作用下，將所得鋼試件的荷載位移曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對比分析，從而利用總位移減去標(biāo)準(zhǔn)曲線上的位移即為相應(yīng)試驗(yàn)機(jī)的位移。
（3）將不同尺寸的自密實(shí)混凝土試件在相應(yīng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以位移控制加載，在所得的荷載一位移曲線的基礎(chǔ)上，減去相應(yīng)試驗(yàn)機(jī)自身的位移，即得混凝土試件的真實(shí)的荷載一位移全曲線，如圖5所示。
（4）為了驗(yàn)證所得結(jié)果，本次試驗(yàn)還另取一組150mm的自密實(shí)混凝土立方體試件，其上貼有橫向和縱向電阻應(yīng)變片，在WHY-3000的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)變通過DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)采集，將試驗(yàn)所得荷載一位移曲線與同尺寸試件直接抗壓試驗(yàn)扣除試壓機(jī)位移后的荷載一位移曲線對比，分析表明兩者較吻合。
圖4 鋼試件荷載-位移曲線
圖5 自密實(shí)混凝土試件載荷-位移曲線
3 結(jié)論
（1）借助Q235鋼抗壓應(yīng)力一應(yīng)變曲線作為標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以簡單的推定壓力試驗(yàn)機(jī)自身的位移量，從而使在無位移傳感器的基礎(chǔ)上，在普通壓力試驗(yàn)機(jī)上獲得材料的單軸強(qiáng)度一本構(gòu)全程試驗(yàn)曲線和彈性模量等參數(shù)成為可能。
（2）本次試驗(yàn)得到WAW-1000C的位移量為1.2-1.4mm，HWY-3000的位移量為1.0-1.2mm，YAW-J5000F的位移量為0.8-1.0mm。
理論上力F與傳感器的信號有一定的線性函數(shù)關(guān)系:
F= F(v)= kv
以1000kN一級屏顯試驗(yàn)機(jī)為例，傳感器的有效值為100kN-1000kN，線性為0.1 %；等價于四檔的屏顯試驗(yàn)機(jī)測量范圍為20kN-1000kN，示值精度為±1 %。對于試驗(yàn)機(jī)測量的小點(diǎn)20kN這點(diǎn)，按傳感器的線性允許產(chǎn)生1000kN×0.1%=1kN的誤差，按試驗(yàn)機(jī)的示值精度允許產(chǎn)生20kN×±1% =±0.2kN。這樣傳感器示值的大誤差為1kN÷20kN=5%，就超出了±1%的要求，這時就需要對這點(diǎn)進(jìn)行非線性修正，提高試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度，減少誤差。因此在不分檔、寬量程的試驗(yàn)機(jī)軟件中，使用分段標(biāo)定提高示值準(zhǔn)確度是必要的。
當(dāng)傳感器的線性不能夠滿足試驗(yàn)機(jī)測量試驗(yàn)力的要求時，如圖（1），線性函數(shù)的偏差超出允許的范圍時，就要通過軟件對試驗(yàn)機(jī)的力值進(jìn)行分段標(biāo)定。分段標(biāo)定的算法很多，主要使用的是插值法，在整個信號區(qū)間內(nèi)找到一個或者是幾個線性偏差大的點(diǎn)，然后得出曲線Kl和K2，其斜率分別為Kl和K2，如圖2所示：
試驗(yàn)力F的函數(shù)為：
經(jīng)過分段標(biāo)定以后，所有的測量點(diǎn)的力值都在允許的范圍以內(nèi)了。
當(dāng)插入的點(diǎn)更多，達(dá)到無窮多個時就有
試驗(yàn)機(jī)所有的點(diǎn)的示值都與實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)值相同了。在實(shí)際應(yīng)用過程中，力F對標(biāo)準(zhǔn)值的誤差在±1%以內(nèi)就達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，所以只需將F= F（v）=kv中偏離標(biāo)準(zhǔn)值大的幾個點(diǎn)分段標(biāo)定就能夠滿足試驗(yàn)機(jī)的使用要求了。