【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及混凝土材料超高周(107周次以上)疲劳寿命测试，具体涉及的是一种基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统及方法。
技术介绍
1、混凝土是目前最为常见的建筑材料之一，在大型桥梁、高速铁路、高速公路、城市地铁等重大工程中得到了广泛的应用。在服役过程中，上述结构往往需要承受107至109次疲劳交变荷载，而当前混凝土结构设计认为混凝土材料在2×106周次内未发生疲劳破坏则无需考虑混凝土的疲劳失效问题。这导致了混凝土构件和结构的实际服役寿命往往低于其设计寿命，造成上述结构中的混凝土构件在服役寿命期内发生性能退化乃至失效。
2、疲劳寿命是由材料在发生疲劳失效之前所能承受的循环载荷次数来衡量的。根据疲劳寿命的概念，疲劳可细分为三大类。低周疲劳，疲劳寿命小于104周次，加载应力一般大于宏观屈服强度；高周疲劳，疲劳寿命在104-107周次范围，加载应力一般低于宏观屈服强度；超高周疲劳，疲劳寿命大于107周次，加载应力更低。传统的混凝土疲劳试验系统，根据其结构设计，主要适用于107周次以内的相关疲劳测试与研究，并不适用于107周次以上的疲劳研究，即超长寿命疲劳研究。这是因为传统的混凝土疲劳试验系统的工作频率一般小于200hz，要达到109周次疲劳寿命的测试要求平均需要57.87天，时间成本过高。
3、超声振动加速疲劳试验技术利用试样的共振，加载频率达到20khz，可以极大地缩短混凝土超长寿命疲劳试验所需要的时间，因而也成为当前开展107周次以上疲劳测试与研究最为有效的手段。典型的超声疲劳试验系统主要由超声频率
4、此外，也有一种超声疲劳试验系统，试件下端利用夹具进行夹持，并采用了超声振动加载结合静载荷加载的方式为试件提供叠加载荷，例如专利公开号：cn110411872a所公开的超声波疲劳试验机。
5、然而，混凝土在建筑结构中通常用于承受压力荷载的材料，针对其的疲劳试验加载也多以非对称的压-压疲劳循环加载为主，而上述超声疲劳试验系统只能实现对称拉-压循环加载，并且主要针对金属材料(例如航空发动机零件)进行超长疲劳寿命测试，无法直接用于混凝土的非对称压-压疲劳循环加载和超长疲劳寿命测试。此外，单轴拉压超声疲劳技术所使用的试件多为含过渡弧段的圆柱形试件，但由于混凝土成型精度相较于传统超声疲劳所测试的金属材料成型精度更低，过渡弧段的成型精度难以控制，因此使用传统的含过渡弧段的圆柱形形状进行测试较为困难。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的不足之处，本专利技术提供了一种基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统及方法，可以有效实现对混凝土材料超长寿命(107周次以上)疲劳的测试。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统，包括万能试验机、超声频率发生器、超声换能器、上位移放大器和下位移放大器；所述上位移放大器和下位放大器共同配合对混凝土试件进行固定，还包括与万能试验机连接、用于减小系统加载偏心力矩从而获得理想的轴心压缩载荷的球铰机构，该球铰机构通过夹持连接盘与下位移放大器底部连接。
4、进一步地，本专利技术还包括用于在系统对混凝土试件施加载荷时向混凝土试件施加强对流气流的冷却气流施加装置。
5、具体地，所述球铰机构包括与夹持连接盘连接、从而与下位移放大器具有相同滑移角度的滚动体，以及位于该滚动体下方的球座；所述球座截面形状为上长下短的“工”字形，该“工”字形的上部与滚动体连接，下部与万能试验机底座连接，并且所述球铰机构上下接触面上的最大径向压应力p与竖向承载力f之间满足如下关系：
6、
7、式中，r为球铰机构接触面的球面半径；r1为球座槽平面投影半径；竖向承载力f根据以下公式计算：
8、f＝1.05σs
9、式中，σ为混凝土试件强度；s为混凝土试件横截面积。
10、再进一步地，所述滚动体与球座通过第一螺杆连接，第一螺杆两端采用法兰螺母保持位置，以进行二者相对滑移位置的限制，并且第一螺杆中还套有弹簧，弹簧位于滚动体和球座之间，用于卸载后球铰机构位置的自动回正。
11、作为优选，所述球座的材质为304不锈钢。
12、作为优选，所述球铰机构的接触面粗糙度ra<1.6μm。
13、本专利技术还提供了基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验方法，硬件采用上述系统，其试验方法过程为：将等截面圆柱形的混凝土试件固定于上位移放大器和下位移放大器之间，然后开启万能试验机、超声频率发生器和超声换能器，通过调整上位移放大器、下位移放大器各自的输出振幅和万能试验机施加的静压荷载的大小，实现对混凝土试件的超声振动非对称压-压疲劳循环加载；其中，超声振动为间歇性振动，使混凝土试件内部热量传导到其表面，并通过冷却气流施加装置施加强对流进行冷却，实现混凝土试件温度控制。
14、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
15、(1)本专利技术通过调整上下位移放大器输出振幅和万能试验机施加的静压荷载的大小实现对试样的超声振动压-压疲劳加载，由于压缩加载无法通过试件夹持位置的小幅度滑移实现荷载的自调整，因此理想的轴心压缩荷载通常会变为实际加载中的偏心压缩荷载，偏心力矩会导致试件一侧实际应力偏大，缩小试验所测得的疲劳寿命。基于此，本专利技术在加载序列底部设计了一个球铰机构，该球铰机构由上部的滚动体和下部的球座构成，通过对滚动体和球座各自的形状、构造以及与下位移放大器之间连接关系的设计，结合超声振动加载和静载荷加载的叠加，实现了超声疲劳测试技术对混凝土试件的非对称压-压疲劳测试。因此，本专利技术有效代替了传统的混凝土疲劳试验系统，解决了传统混凝土疲劳试验系统在超长寿命疲劳测试中存在时间成本过高的问题。
16、(2)本专利技术通过螺杆、法兰螺母以及夹持连接盘的配合，将下位移放大器、滚动体和球座实现连接，既能在承受较大偏心力矩时确保滚动体和球座不发生相互脱离，又能使下位移放大器与滚动体形成一个几何不变的整体，二者具有相同的滑移角度；同时，通过弹簧的设计，能在卸载后实现球铰机构位置的自动回正。如此一来，不仅确保了系统使用的安全性，而且使得下位移放大器与球铰机构具有相同的滑移角度，这也为下位移放大器提供了一个转动自由度，当受到偏心力矩作用时，试件及下位移放大器将发生转动，并在转动至偏心力矩为0的位置时停止。因此，本专利技术通过巧妙的连接设计，利用球铰机构在疲劳试验过程中实现了减小偏心力矩的目的。
17、(3)考虑到混凝土成型精度较差的因素，本专利技术采用等截面圆柱形试件进行超声疲劳测试，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统，包括万能试验机(1)、超声频率发生器(2)、超声换能器(3)、上位移放大器(4)和下位移放大器(7)；所述上位移放大器(4)和下位放大器(7)共同配合对混凝土试件进行固定，其特征在于，还包括与万能试验机(1)连接、用于减小系统加载偏心力矩从而获得理想的轴心压缩载荷的球铰机构，该球铰机构通过夹持连接盘(8)与下位移放大器(7)底部连接。
2.根据权利要求1所述的基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统，其特征在于，还包括用于在系统对混凝土试件施加载荷时向混凝土试件施加强对流气流的冷却气流施加装置(6)。
3.根据权利要求2所述的基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统，其特征在于，所述球铰机构包括与夹持连接盘(8)连接、从而与下位移放大器(7)具有相同滑移角度的滚动体(9)，以及位于该滚动体(9)下方的球座(12)；所述球座(12)截面形状为上长下短的“工”字形，该“工”字形的上部与滚动体(9)连接，下部与万能试验机(1)底座连接，并且所述球铰机构上下接触面上的最大径向压应力p与竖向承载力F之间满足如下关系
4.根据权利要求3所述的基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统，其特征在于，所述滚动体(9)与球座(12)通过螺杆(10)连接，螺杆两端采用法兰螺母保持位置，以进行二者相对滑移位置的限制，并且螺杆中还套有弹簧(11)，弹簧(11)位于滚动体(9)和球座(12)之间，用于卸载后球铰机构位置的自动回正。
5.根据权利要求4所述的基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统，其特征在于，所述球座(12)的材质为304不锈钢。
6.根据权利要求3～5任一项所述的基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统，其特征在于，所述球铰机构的接触面粗糙度Ra<1.6μm。
7.基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验方法，采用权利要求1～6任一项所述的系统，其特征在于，试验方法的过程为：将等截面圆柱形的混凝土试件固定于上位移放大器和下位移放大器之间，然后开启万能试验机、超声频率发生器和超声换能器，通过调整上位移放大器、下位移放大器各自的输出振幅和万能试验机施加的静压荷载的大小，实现对混凝土试件的超声振动非对称压-压疲劳循环加载。
8.根据权利要求7所述的基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验方法，其特征在于，超声振动为间歇性振动，使混凝土试件内部热量传导到其表面，并通过冷却气流施加装置施加强对流进行冷却，实现混凝土试件温度控制。
...【技术特征摘要】
1.基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统，包括万能试验机(1)、超声频率发生器(2)、超声换能器(3)、上位移放大器(4)和下位移放大器(7)；所述上位移放大器(4)和下位放大器(7)共同配合对混凝土试件进行固定，其特征在于，还包括与万能试验机(1)连接、用于减小系统加载偏心力矩从而获得理想的轴心压缩载荷的球铰机构，该球铰机构通过夹持连接盘(8)与下位移放大器(7)底部连接。
2.根据权利要求1所述的基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统，其特征在于，还包括用于在系统对混凝土试件施加载荷时向混凝土试件施加强对流气流的冷却气流施加装置(6)。
3.根据权利要求2所述的基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统，其特征在于，所述球铰机构包括与夹持连接盘(8)连接、从而与下位移放大器(7)具有相同滑移角度的滚动体(9)，以及位于该滚动体(9)下方的球座(12)；所述球座(12)截面形状为上长下短的“工”字形，该“工”字形的上部与滚动体(9)连接，下部与万能试验机(1)底座连接，并且所述球铰机构上下接触面上的最大径向压应力p与竖向承载力f之间满足如下关系：
4.根据权利要求3所述的基于超声振动加载的混凝土非对称疲劳试验系统，其特征在于，所述滚...
【专利技术属性】
技术研发人员：李浪，宓林，陈尧，王清远，刘永杰，王宠，何超，张宏，刘福林，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：
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