混凝土通水冷卻全過程試驗(yàn)裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水利水電工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于真實(shí)環(huán)境的混凝土通水冷卻全 過程仿真試驗(yàn)方法以及采用該方法的試驗(yàn)裝置，更具體地，涉及大體積混凝土通水冷卻的 全過程仿真試驗(yàn)的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 長期以來，"無壩不裂"一直是未能解決的世界難題，裂縫的出現(xiàn)影響著大壩結(jié)構(gòu) 的外觀、性能和安全，最終影響到人民的生命財產(chǎn)。如何減小甚至防止裂縫的產(chǎn)生就成為工 程建設(shè)者必須考慮的問題。隨著相關(guān)領(lǐng)域理論及技術(shù)研究的進(jìn)步，大壩混凝土裂縫的研究 工作取得了較明顯的進(jìn)展，特別是大體積混凝土溫控防裂工作，目前已形成了相對完善的 基礎(chǔ)理論與方法體系。但鑒于水利水電工程的復(fù)雜性，特別是所在地區(qū)環(huán)境的惡劣性，大壩 混凝土裂縫問題仍然沒有徹底解決。
[0003] 導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的因素很多，結(jié)構(gòu)、材料和施工因素均有可能成為裂縫出現(xiàn) 的誘因，但是對于大壩而言，特別是在大溫差高海拔地區(qū)修筑的大壩，周圍氣象環(huán)境逐漸成 為溫控防裂控制的重點(diǎn)因素。大氣環(huán)境不但把整個混凝土工程實(shí)時包圍著，而且大氣環(huán)境 的變化無常也對工程產(chǎn)生重要的影響，特別是周圍環(huán)境的溫度、濕度、降雨、風(fēng)速和太陽輻 射等因素，嚴(yán)重影響著混凝土裂縫的產(chǎn)生，大氣環(huán)境影響因素對混凝土裂縫產(chǎn)生的影響規(guī) 律如何，其影響程度又有多大，目前還沒有定論。因此，研制基于真實(shí)環(huán)境的混凝土開裂全 過程試驗(yàn)裝置和方法就成為大壩混凝土工程建設(shè)所需。
[0004] 從20世紀(jì)30年代水管冷卻技術(shù)在美國胡佛壩成功應(yīng)用以來，已在全世界的大壩 等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，并成為一項重要的混凝土溫控防裂措施。水管冷卻的原理是 通過在混凝土內(nèi)布置水管，利用水管中流動的冷卻水把水化熱量帶走，達(dá)到混凝土降溫的 效果。冷卻水管既可以降低早期的最高溫度，消減溫度峰值，又可以降低內(nèi)外溫差和溫度梯 度，削峰和減差效果顯著。但是水管冷卻對混凝土的影響規(guī)律如何，其對溫度、應(yīng)力、變形和 裂縫發(fā)展的影響規(guī)律如何、影響程度又有多大，目前也一直處于理論仿真方面，并沒有直接 的試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，一種混凝土通水冷卻全過程仿真試驗(yàn)裝置和方法就成為大體積混凝土 工程建設(shè)所需。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于改進(jìn)現(xiàn)有混凝土溫度應(yīng)力模擬和裂縫研究中的局限和不足，提 供一種從試驗(yàn)角度出發(fā)，對混凝土的溫度和應(yīng)力等因素在多變環(huán)境條件和/或通水冷卻下 的發(fā)展全過程進(jìn)行試驗(yàn)的裝置，并且還提供在該裝置中進(jìn)行試驗(yàn)的方法，為防止混凝土裂 縫產(chǎn)生提供依據(jù)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0007] 本發(fā)明提供的混凝土通水冷卻全過程試驗(yàn)裝置，包括一主試驗(yàn)機(jī)，其包括一底座， 在該底座上設(shè)置有：
[0008] -混凝土試件容置裝置，其設(shè)置在該環(huán)境箱中，其包括固定夾頭、活動夾頭、試件 中部固定側(cè)模板，三者拼合構(gòu)成一個上端敞口或者上下端均敞口的混凝土試件容置空間， 所述固定夾頭固定設(shè)置在該底座上，所述活動夾頭可沿所述混凝土試件容置空間的長度方 向的軸線移動地設(shè)置；在該混凝土試件容置空間中設(shè)置通水冷卻模擬系統(tǒng)，其包括一水管， 使該水管置于混凝土試件中，該水管上設(shè)進(jìn)出水接管穿出該容置空間與供水裝置連為回 路，在該回路上設(shè)置兩個執(zhí)行機(jī)構(gòu)：冷卻裝置和循環(huán)動力裝置；在所述回路中設(shè)置流量計 和水溫傳感器；
[0009] 在混凝土試件容置空間設(shè)置溫度傳感器；
[0010] -加載系統(tǒng)，包括一框架、一傳動裝置和一動力裝置，所述框架設(shè)置在所述底座 上，該傳動裝置包括一直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其中的從動件與所述活動夾頭固定而使得該活動夾 頭位置固定或在所述軸線方向移動，該直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)中的主動件固定在該框架上；所述動 力裝置設(shè)置在所述框架上，連接所述直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)中的該主動件；該動力裝置構(gòu)成加載執(zhí) 行機(jī)構(gòu)；
[0011] 在所述活動夾頭或與活動夾頭連接的部件上設(shè)置位移/變形傳感器感知混凝土 試件的變形；在所述直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)上設(shè)置應(yīng)力傳感器感知試件承受的負(fù)荷；
[0012] 一計算機(jī)，該計算機(jī)通過數(shù)據(jù)線與一控制系統(tǒng)連接，該控制系統(tǒng)包括：控制主試驗(yàn) 機(jī)中通水冷卻模擬系統(tǒng)中的冷卻裝置和循環(huán)動力裝置中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的控制單元以及 主試驗(yàn)機(jī)中控制混凝土試件加載系統(tǒng)中動力裝置動作的控制單元；
[0013] 所述計算機(jī)還通過數(shù)據(jù)線所述監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的溫度傳感器的信號輸出端；
[0014] 所述監(jiān)測混凝土試件的位移/變形的位移/變形傳感器的信號輸出端；
[0015] 所述監(jiān)測試件應(yīng)力的應(yīng)力傳感器的信號輸出端相連；
[0016] 監(jiān)測通水冷卻模擬系統(tǒng)中循環(huán)水的水溫傳感器的信號輸出端；
[0017] 所述控制系統(tǒng)的控制信號輸出端與各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制端相連。
[0018] 上述方案中，試件在混凝土試件容置空間中被通水冷卻模擬系統(tǒng)而降溫，在此狀 態(tài)下進(jìn)行各種試驗(yàn)，可獲得在這種狀態(tài)下的各種性能參數(shù)以及降溫與各性能參數(shù)的關(guān)系。
[0019] 進(jìn)一步地，在本試驗(yàn)裝置中還可以包括：
[0020] -環(huán)境箱，至少具有四壁和上蓋，形成一個封閉的空間，與周圍環(huán)境隔開；所述混 凝土試件容置裝置置于該環(huán)境箱中，所述直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)中的從動件通過所述環(huán)境箱的側(cè)壁 進(jìn)入環(huán)境箱與所述活動夾頭連接；
[0021] 還包括一真實(shí)環(huán)境模擬系統(tǒng)，其至少包括至少一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)：其包括一溫度調(diào)節(jié) 裝置，其為加熱和/或冷卻裝置，其設(shè)置在所述環(huán)境箱和混凝土試件容置裝置上以提供至 少在溫度上模擬設(shè)定的的真實(shí)環(huán)境；
[0022] 在所述環(huán)境箱中設(shè)置溫度傳感器；
[0023] 該控制系統(tǒng)還包括所述真實(shí)環(huán)境模擬系統(tǒng)中各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的控制單元；
[0024] 所述通水冷卻模擬系統(tǒng)包括制冷設(shè)備、制冷水存儲設(shè)備、增壓設(shè)備和循環(huán)水存儲 設(shè)備，該循環(huán)水存儲設(shè)備上連接循環(huán)水管，該循環(huán)水管連接所述水管上的進(jìn)出水接管構(gòu)成 循環(huán)回路，在所述循環(huán)回路上設(shè)置所述增壓設(shè)備、水溫傳感器以及流量計和通水換向裝置， 所述制冷水存儲設(shè)備上連接循環(huán)管，該循環(huán)管通過所述循環(huán)水存儲設(shè)備以冷卻所述循環(huán) 水，所述制冷設(shè)備與所述制冷水存儲設(shè)備連接用于制冷水存儲設(shè)備中的制冷水的降溫；和 /或，
[0025] 在該混凝土試件容置空間中設(shè)置的所述水管沿所述容置空間的長度方向的軸線 設(shè)置；和/或，
[0026] 在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，所述各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制單元包括：真實(shí)環(huán)境模擬系統(tǒng) 中的溫度控制單元、位移/變形控制單元和加載控制單元以及通水冷卻模擬系統(tǒng)中的水溫 控制單元、增壓設(shè)備控制單元。
[0027] 溫度控制單元接受計算機(jī)的指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)即加熱/冷卻裝置工作，使得混 凝土試件容置空間也可以包括環(huán)境箱的溫度符合設(shè)定的參數(shù)。
[0028] 位移/變形控制單元和加載控制單元一起控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)即加載系統(tǒng)中的動力裝 置。
[0029] 通水冷卻模擬系統(tǒng)中的水溫控制單元接受計算機(jī)的指令，控制增壓設(shè)備的工作， 調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量，以使得混凝土試件達(dá)到設(shè)定的溫度。
[0030] 計算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算出混凝土試件在所述模擬的真實(shí)環(huán)境中的包括約 束應(yīng)力、自由變量、彈性模量、變形分離、徐變中至少一種結(jié)果并輸出。
[0031] 所述容置空間的橫截面形狀為：兩端是寬度較大長度較短的頭部，中間是寬度較 小長度較長的中間段，所述頭部和中間段通過錐段連接過渡；所述固定夾頭和活動夾頭與 試件中部固定側(cè)模板之間的拼接縫位于該容置空間的中間段范圍內(nèi)。
[0032] 進(jìn)一步地，所述試件容置固定裝置還可以包括一個上模板，其封閉所述混凝土試 件容置空間的所述上端敞口。
[0033] 所述側(cè)模板和所述活動夾頭和/或固定夾頭之間的接縫留有間隙，該間隙包括側(cè) 模板的端頭與所述活動夾頭之間的間隙，以保證試件在壓縮時側(cè)模板與活動夾頭不抵觸， 還包括側(cè)模板的側(cè)面與固定夾頭和活動夾頭之間的間隙。
[0034] 所述側(cè)模板可橫向移動地設(shè)置在該環(huán)境箱中。
[0035] 在使用中，可以將混凝土直接澆注到所述混凝土試件容置空間中形成試件，也可 以將制成的與該試件容置空間形狀匹配的試件置于所述混凝土試件容置空間中。
[0036] 設(shè)置在所述環(huán)境箱中的所述氣溫控制系統(tǒng)中的加熱和/或冷卻裝置可以是設(shè)置 在所述環(huán)境箱的箱壁中或封閉的空間中，所述箱壁具有中空腔室，和/或，設(shè)置試件容置固 定裝置中的所述固定夾頭、活動夾頭和側(cè)模板至少其一具有中空腔室；
[0037] 各所述中空腔室設(shè)置進(jìn)口和出口與所述加熱或冷卻裝置的介質(zhì)通道連通，所述執(zhí) 行機(jī)構(gòu)可以是在該加熱冷卻裝置的介質(zhì)通道上設(shè)置的電加熱線圈或驅(qū)動加熱或冷卻的介 質(zhì)流動的輸送栗，用于在試驗(yàn)中根據(jù)需要提供熱能或冷能。
[0038] 在本發(fā)明中，模擬真實(shí)環(huán)境系統(tǒng)中主要的氣溫控制系統(tǒng)，可以有兩部分，一部分是 在環(huán)境箱體上設(shè)置，另一部分在試件容置固定裝置上設(shè)置。在環(huán)境箱上設(shè)置，更多的是模擬 真實(shí)環(huán)境中的氣溫，而在試件容置固定裝置上設(shè)置，能在短時間內(nèi)模擬出真實(shí)環(huán)境中例如 混凝土大壩的溫度?，F(xiàn)有技術(shù)中的試驗(yàn)裝置中都沒有如此全面的氣溫控制系統(tǒng)。
[0039] 在本發(fā)明中，能夠直接將混凝土直接澆注在試件容置固定裝置的混凝土試件容置 空間中，這樣，就可以在模擬的真實(shí)環(huán)境中測試混凝土從稀態(tài)到凝固再到硬化完整過程的 膨脹變形和應(yīng)力的變化，這樣，對于例如大壩從澆筑、凝固到硬化過程的應(yīng)力、應(yīng)變在不同 環(huán)境條件下都可以進(jìn)行測試，獲得全面的數(shù)據(jù)，為大壩的設(shè)計、施工提供寶貴的信息?，F(xiàn)有 技術(shù)中的試驗(yàn)裝置都沒有想到也做不到這種完整過程的測試。當(dāng)然，本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝 置中的試件容置固定裝置也可以對已經(jīng)制成的混凝土試件進(jìn)行測試。
[0040] 本發(fā)明提供的計算機(jī)控制系統(tǒng)基本上為現(xiàn)有技術(shù)，在其中實(shí)現(xiàn)如下功能：當(dāng)由于 試件在模擬的真實(shí)環(huán)境中變形而推抵所述活動夾頭時，應(yīng)力傳感器采集到應(yīng)力，通過數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)的信號輸出端與動力裝置連接而啟動動力裝置驅(qū)動活動夾頭移 動直到應(yīng)力傳感器上感測的應(yīng)力降低到零，所述動力裝置停止。
[0041] 這樣的結(jié)構(gòu)可以使得本試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)自由變量等試驗(yàn)。
[0042] 還有就是在自由變量之后，啟動動力裝置驅(qū)動活動夾頭移動而縮小變形量，由所 述位移傳感器獲得位移量，由所述應(yīng)力傳感器獲得相應(yīng)的應(yīng)力值。
[0043] 所述真實(shí)環(huán)境模擬系統(tǒng)除了所述的氣溫調(diào)節(jié)裝置之外，還可以包括設(shè)置所述環(huán)境 箱中的如下傳感器中的至少一種：濕度傳感器、太陽輻射傳感器、降雨傳感器和風(fēng)速傳感 器，其與所述計算機(jī)連接，所述控制系統(tǒng)連接的所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還連接如下執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的全 部或部分：濕度調(diào)節(jié)裝置、太陽輻射調(diào)節(jié)裝置、降雨調(diào)節(jié)裝置、風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置。
[0044] 具體地，可以在所述環(huán)境箱的箱壁上設(shè)孔，連接管路，該管路連接送氣、送汽、送風(fēng) 和噴水裝置中的至少一種，相應(yīng)地構(gòu)成濕度調(diào)節(jié)裝置、降雨調(diào)節(jié)裝置和風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置；和/ 或，所述環(huán)境箱的箱壁上設(shè)孔，在孔中設(shè)置模擬太陽照射的燈具構(gòu)成太陽輻射調(diào)節(jié)裝置。
[0045] 各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)與所述控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)使得模擬出設(shè)定的真實(shí)環(huán)境。
[0046] 各個所述調(diào)節(jié)裝置還可以是自成體系，例如溫度調(diào)節(jié)裝置，包括加熱控制器、溫控 儀，其連接加熱元件和溫度傳感器而實(shí)現(xiàn)加熱功能。這樣，可以簡化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0047] 進(jìn)一步地，所述框架為包括兩個橫梁和兩個立柱構(gòu)成的矩形的框架，一個固定橫 梁固定在所述固定夾頭一側(cè)的所述底座上，兩個所述立柱平行地固連所述固定橫梁位于所 述環(huán)境箱兩側(cè)，一個微動橫梁設(shè)置在所述活動夾頭一側(cè)的所述底座上，與所述立柱連接，所 述動力裝置設(shè)置在該微動橫梁上，由此形成反力框架，所述直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)穿過該微動橫梁 與活動夾頭連接，所述位移/變形傳感器和所述應(yīng)力傳感器的支撐部分直接或間接地固定 在所述底座上。
[0048] 本發(fā)明提供的框架，兩個橫梁一個固定在所述底座上形成固定橫梁，另一個只是 設(shè)置在所述底座上與該底座沒有固定結(jié)構(gòu)形成微動橫梁，且加載系統(tǒng)設(shè)置在微動橫梁上。
[0049] 這樣，當(dāng)加載系統(tǒng)向試件施力時，框架會承受很大的應(yīng)力且可能會有很小的變形， 但這種力和變形不會傳給底座。因此，位移傳感器和力傳感器的測量精度不受框架變形的 影響，保證很好的測量精度。
[0050] 所述立柱的材料和截面尺寸為：保證其剛度為承受混凝土最大的強(qiáng)度應(yīng)力的 5-20倍的力而不變形，或者剛度K大于等于2MN/mm;和/或，保證其溫度穩(wěn)定性為在試驗(yàn)的 溫度范圍（例如-20-80°C)內(nèi)時其溫差變形小于10微米。
[0051] 本發(fā)明提供的所述框架，采用立柱橫梁式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，加之其中的立柱具有足夠的 剛度和溫差變形穩(wěn)定性，可以很好地保證試驗(yàn)的精度。
[0052] 進(jìn)一步地，所述環(huán)境箱的所述箱蓋上設(shè)置視窗，使得試驗(yàn)過程可視化。
[0053] 所述動力裝置優(yōu)選伺服電機(jī)，連接蝸輪減速機(jī)傳動機(jī)構(gòu)。這樣的動力裝置使控制 精度、反饋速度、效率大提高。
[0054] 所述直線運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)采用螺旋傳動機(jī)構(gòu)。
[0055] 在所述底座還設(shè)置一提升機(jī)構(gòu)，在所述試件容置固定裝置中設(shè)置一個底板用于放 置試件或在其上澆注試件，該底板連接該提升機(jī)構(gòu)，通過運(yùn)行該提升機(jī)構(gòu)，能夠?qū)⒃嚰幕?凝土試件容置空間中移入或移出。
[0056] 本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置中還可以包括一輔助試驗(yàn)機(jī)，該輔助試驗(yàn)機(jī)包括一個試件 容置腔用于放置與所述主試驗(yàn)機(jī)中試驗(yàn)的試件相同的試件，該試件容置腔中設(shè)置所述溫度 調(diào)節(jié)裝置，或者設(shè)置所述溫度調(diào)節(jié)裝置以及如下調(diào)節(jié)裝置中的至少一種：濕度調(diào)節(jié)裝置、太 陽輻射調(diào)節(jié)裝置、降雨調(diào)節(jié)裝置和風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置；該試件容置腔中設(shè)置溫度傳感器，還設(shè)置 如下傳感器中的至少一種：濕度傳感器、太陽輻射傳感器、降雨傳感器和風(fēng)速傳感器，各個 所述傳感器與所述計算機(jī)連接，該控制系統(tǒng)連接所述調(diào)節(jié)裝置而調(diào)節(jié)所述試件容置腔內(nèi)環(huán) 境參數(shù)與所述主試驗(yàn)環(huán)境箱相同；該試件容置腔中還設(shè)置位移/變形傳感器以感知試件的 變形。
[0057] 所述控制系統(tǒng)還包括控制所述輔助試驗(yàn)機(jī)中真實(shí)環(huán)境模擬系統(tǒng)各種所述執(zhí)行機(jī) 構(gòu)動作的控制單元。