一种冰力学性能实验装置的制作方法

1.本发明涉及寒区水工结构物抗冰试验技术领域，具体涉及一种冰力学性能实验装置。


背景技术：

2.在寒冷地区的冬季，河流、水库、湖泊、海洋等水域表面会结冰形成冰盖，使水域内的水工结构物被固结于冰盖内。当冰盖受到温度、风、水流等环境因素作用时会发生变形，对结构产生很大的作用力，导致其发生较大位移或产生损伤甚至破坏。随着我国交通和水利事业的不断发展，高寒地区的桥梁和水利设施越来越多，对寒区水工结构物进行抗冰性能评估与抗冰设计已成为寒区水工结构建设的重大需求。由于冰的强度和变形受环境温度、应力、加载时间的耦合影响，如果不能准确得到冰的力学性能，特别是抗压强度和长期变形性能，结构物的抗冰设计就会产生很大偏差，不能保证其安全性和经济性。因此，研制一种能够准确测量冰的力学性能且便于安装的实验装置，对于寒区工程的抗冰设计具有重要意义。
3.目前，研究低温环境下冰的力学性能试验需要在大型低温环境实验室内进行，但存在诸多不足：(1)大型实验室的建设需要较大场地，且建设成本较高；(2)由于冰的长期变形性能试验所需时间较长，使大型实验室内长期保持低温状态，能耗较大，成本高；(3)不能适应野外现场实验的需要；上述原因造成了冰的力学性能研究受到了限制。


技术实现要素：

4.针对目前冰力学性能试验研究存在的上述问题，本发明提供一种制作简便、建设费用和使用成本低、使用方便、测量精度高的冰力学性能实验装置，为寒区水工结构物的抗冰试验研究提供了一种简单有效的解决方案。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种冰力学性能实验装置，包括底座、铰座、加载板、立柱、限位支架、横梁、铰轴、加载杆、吊耳、吊篮、保温箱和液氮瓶，所述底座上放置有铰座，该铰座顶面设有冰试件，所述冰试件顶面设有加载板，该加载板上表面焊接有加载杆，所述加载杆位于横梁下面；所述铰座、冰试件、加载板均位于保温箱内，所述保温箱的腔室通过进气管与液氮瓶上的控制气阀相连；在保温箱两侧分别设有位于底座上的立柱和限位支架，所述立柱通过铰轴与横梁活动端相连，该横梁中部与限位支架卡接，横梁承重端顶部与支架之间设有位移传感器，底部通过吊耳与吊篮相连，在吊篮中装有加载重物给横梁施加竖向力。
6.进一步的，所述保温箱粘合在底座上，在保温箱底部开有圆孔，使加载板、冰试件、铰座能够置于箱体内部，在保温箱顶部开有使加载杆穿过的避让孔。
7.进一步的，处于保温箱外的加载杆上套接有保温套，该保温套底端与保温箱顶面粘合在一起，顶端通过卡箍紧箍在加载杆上。
8.进一步的，所述保温箱包括内壁箱、外壁箱、排气管、发泡；所述内壁箱放置于外壁
箱内部，二者之间布置有多个排气管，所述排气管一端穿过内壁箱与保温箱内部连通，另一端穿过外壁箱与保温箱外部大气连通，所述发泡用于填充内壁箱和外壁箱之间的空间。
9.进一步的，所述内壁箱上安装有摄像探头与温度传感器，所述温度传感器用于检测箱内部温度，所述摄像探头用于采集箱内试验情况。
10.更进一步的，所述铰座包括上座板和下座板，所述上座板顶面为圆形平面，底面为凹球面；所述下座板底面为圆形平面，顶面为凸球面；二者之间为球面接触，且在接触面涂润滑油。
11.更进一步的，所述支架包括底板、竖杆、横杆；所述底板水平放置在地面上并与竖杆底端焊接，所述竖杆顶端与水平放置的横杆一端焊接，所述横杆另一端位于横梁承重端的正上方。
12.更进一步的，所述限位支架顶部设有u形卡槽，该u形卡槽宽度比横梁底部宽度略大；当横梁处于水平状态时，卡槽底部低于横梁底部一定距离。
13.作为更进一步的，所述加载杆为圆柱形，顶端设计为凸球面，以保证横梁对加载杆施加竖向作用力；加载杆外周的保温套设计为圆筒形，采用隔热性能好的柔性材料制作而成，使之具有良好的隔热和伸缩变形功能。
14.作为更进一步的，所述进气管采用隔热、耐低温的管线，其长度尽量小，必要时应在管线外包裹保温材料，以尽量减少热传递，节约液氮用量；所述排气管采用导热性较好的金属管，均匀密布于内壁箱和外壁箱之间，其长度尽量大，以便箱内冷气排放到箱外前可用于降低箱体温度，达到保持箱内低温、节约液氮的目的。
15.本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下有益效果：(1)该实验装置构造简单，易于加工制作，无需建设大型低温环境室即可满足试验要求，大大降低了试验设备建设费用；(2)该装置占地小，易于安装、拆卸和移动，无需供电，可以在室内、室外甚至野外使用，操作方便，适应性强；(3)该装置保温箱体积小，相对于在低温环境室内进行试验，可以大大节约能耗，降低使用成本；(4)该装置利用杠杆原理进行加载，大大减小了加载力，采用重物加载的方式可以满足长期加载过程中保持试件受力不变的要求，避免传统机械加载需要不断调整加载力的弊端；(5)该装置通过测量横梁端部的位移来得到试件的变形，提高了测量精度，降低对测量设备的精度要求；且测量设备不需要低温性能，处于室温状态即可，测量便捷。
附图说明
16.图1是一种冰力学性能实验装置的主视图；
17.图2是一种冰力学性能实验装置的俯视图；
18.图3是一种冰力学性能实验装置的侧视图；
19.图4是一种冰力学性能实验装置的结构示意图；
20.图5是一种冰力学性能实验装置的力和位移计算示意图。
21.图中序号说明：1底座、2铰座、3加载板、4立柱、5限位支架、6横梁、7铰轴、8加载杆、9吊耳、10吊篮、11保温箱、12保温套、13卡箍、14液氮瓶、15控制气阀、16进气管、17摄像探头、18温度传感器、19支架、20位移传感器、21冰试件、22加载重物、201上座板、202下座板、1101内壁箱、1102外壁箱、1103排气管、1104发泡、1901底板、1902竖杆、1903横杆。
具体实施方式
22.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术，即所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
23.实施例1：
24.如图1-4所示，一种冰力学性能实验装置，包括底座1采用钢材制作，设计为长方形平台，放置在稳定的水平地面上。立柱2和限位支架3分别竖直焊接在底座1上面，且位于端部两个短边中间位置；立柱2顶部设置有圆孔。横梁6采用方钢管制作，在试验场地空间满足要求的情况下，其长度越大越好，根据杠杆原理，长度越大，所需加载重量越小，横梁端部位移越大，位移测量精度越高；横梁一端设圆孔，与立柱2顶部通过铰轴7连接，铰轴7涂润滑油后可自由转动；横梁6另一端下方焊接吊耳9；限位支架5顶部设有u形卡槽，卡槽宽度比横梁6截面宽度大4mm左右，卡槽深度可以为50mm，当横梁6处于水平状态时，卡槽底部低于横梁6底部20mm左右。吊篮10通过吊耳9悬吊于横梁6下方，利用钢材制作，可以放置加载重物22。铰座2和加载板3均为圆板形，直径可以相同，铰座2厚度大于加载板3厚度，均采用钢材制作。铰座2包括上座板201和下座板202，上座板201的顶面为圆形平面，底面为凹球面；下座板202的底面为圆形平面，顶面为凸球面；二者之间为球面接触，接触面涂润滑油，以便二者之间可自由滑动。加载杆8为圆柱形，下端焊接在加载板3上表面，当横梁6处于水平状态时，上端与横梁6底部接触，上端设计为凸球面，以保证横梁6对加载杆8施加竖向作用力。上述铰座、冰试件、加载板、加载杆的轴线应位于同一竖直轴线上，以保证加载的精度和受力稳定性。
25.所述保温箱11为试验提供低温环境，需具有良好的保温性能，箱体包括内壁箱1101、外壁箱1102以及二者之间分布的排气管1103和填充的发泡1104。内壁箱1101和外壁箱1102采用铝合金板制作成圆柱筒形，二者之间预留的间距用发泡1104填充密实；在发泡1104填充前，将金属排气管1103均匀密布环绕在内壁箱1101和外壁箱1102的圆筒之间，排气管1103的一端穿过内壁箱1101与保温箱11内部连通，另一端穿过外壁箱1102与保温箱11外部大气连通；在保温箱11制作的同时，将内部摄像探头17和温度传感器18固定在内壁上，并将与二者连接的数据传输线穿过侧壁，端部放置在保温箱11外，以便与数据采集设备连接。在保温箱11的底部中心开圆孔，顶部中心开避让孔。试验时，将保温箱11放置于与底座1上，并将箱体底部边缘与底座11之间用胶密封。
26.保温套12设计为可以自由伸缩变形的波纹圆筒，采用多孔橡胶制作，使之具有良好的隔热和变形功能；保温套12放置于保温箱11顶部避让孔正上方，其下端与保温箱11顶面粘合在一起；卡箍套13在保温套12上部，可以将保温套11紧箍在加载杆8上。
27.支架19包括底板1901、竖杆1902、横杆1903，底板1901水平放置在地面上，竖杆1902竖直放置，下端焊接在底板1901上；横杆1903水平放置，一端焊接在竖杆1902上端，另一端位于横梁6设有吊耳9一端的正上方。
28.位移传感器20安装在横梁6和横杆1903悬臂端之间，能够测量横梁6端部的竖向位移，并以此可得到冰试件21(可以为立方体或圆柱体，且上下面与轴线垂直)的变形。
29.液氮瓶14为常规产品，可根据液氮用量及使用便利选择型号；控制气阀15选择与
液氮瓶14配套的产品，安装在液氮瓶14上；进气管16选择与控制气阀15配套的产品，一端与控制气阀15连接，另一端穿过保温箱11侧壁伸入箱体内部。
30.本发明的工作过程如下：(1)将铰座2放置于底座1上，顶面保持水平；将冰试件21竖直放置于铰座2上，将加载板3放置于冰试件21上，使铰座2、冰试件21、加载杆8的轴心线位于同一竖直线上。(2)将顶部安装有保温套12及卡箍13的保温箱11从上向下放置于底座1上，使加载杆8穿过保温箱11顶板避让孔及保温套12，且位于孔中心。(3)将横梁6与立柱4通过铰轴7连接，并使横梁6底部压在加载杆8上，拧紧卡箍13，使保温套12紧箍在加载杆8上。(4)将连接液氮瓶14的进气管16与保温箱11连接，开启控制气阀15向箱内通气降温，同时利用温度传感器18检测保温箱11内部温度，以达到试验要求温度，并使箱内温度保持稳定。(5)在横梁6端部悬吊吊篮10，并在吊篮10内放置一定数量的铅块作为加载重物22。(6)在横梁6与支架19之间安装位移传感器20，持续测量横梁6端部变形，同时利用摄像探头17观察箱内试验情况。
31.如图5所示，标记铰轴7中心为o点，加载杆8顶面和横梁6接触点为a点，吊篮10在横梁6上的悬吊点为b点，横梁6承重端端部为c点，位移传感器20在横梁6上的连接点为d点；准确测量o点与a、b、c、d四点之间的水平距离，分别记为l
oa
、l
ob
、l
oc
、l
od
。准确测量加载板3和加载杆8的总重量为g1，吊篮10和加载重物22的总重量g2，横梁6重量为g3。根据杠杆原理，利用以下公式得到冰试件21顶部所受压力p和顶部压缩位移δ：
32.p＝g1+g2×
l
ob
/l
oa
+g3×
l
oc
/(2l
oa
)
33.δ＝δd×
l
od
/l
oa
34.其中，δd为位移传感器20测得的横梁6上d点的竖向位移。由于测量值δd在持续加载过程中不断变化，由此可以得到冰试件21的变形δ随时间的变化关系，即可获得冰的长期变形性能。通过改变保温箱11内的温度、加载重物22的重量、冰试件21的截面尺寸，可以实现不同参数情况下冰的性能试验。
35.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。