混凝土多轴疲劳试验系统与试验技术
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fatigue parameters are presented. Key words concrete，multiaxial fatigue test，triaxial fatigue machine，experimental technics
1引言
到目前为止，人们对混凝土多轴疲劳的研究尚 不够广泛深入[1]，只有如一侧约束另一侧循环受压 疲劳[2，3]、两轴受压疲劳[4～6]、围压与轴压作用下圆 柱体三轴疲劳[7，8]以及圆筒的压剪疲劳[9，10]等几种 情况，而且基本上都是常幅疲劳，对变幅的研究很 少，对两轴和三轴受拉疲劳的研究目前还没有。大 连理工大学对混凝土多轴波动拉和波动拉压疲劳性 能的试验研究正在进行。对混凝土多轴疲劳试验研 究较少的主要原因是混凝土多轴疲劳试验的难度比 较大，一方面多轴疲劳试验系统的研制技术难度 大、费用高，另一方面是试验中存在的几个关键技
图 3 球铰和加载头 Fig.3 Spherical hinge and loading plate
2.3 数据采集系统 系统共有 32 个数据采集通道，其中，前 12 个
通道用于系统控制，后 20 个通道用于荷载、变形等 数据的采集。疲劳试验中的数据采集设定为：1 次 间隔连续采集 2 个周期，采集间隔的长短可以人为 设定，免除采集多余数据。最大采集频率为 1 000 Hz。系统中，计算机通过 A/D 接口卡采集荷载和变 形传感器的模拟信号；由 D/A 接口卡发送加载控制 信号；I/0 接口卡与单片机进行数据通，完成反馈参 量的选择。 2.4 MTS 液压源与冷却系统
第 23 卷 第 2 期 2004 年 1 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
23(2)：187～191 Jan.，2004
混凝土多轴疲劳试验系统与试验技术*
赵东拂 宋玉普 李木国
(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室 大连 116024)
3.1 试验设计要点 (1) 析因试验设计。已有的研究表明，混凝土
的疲劳性能是受各种因素影响的，如循环荷载下的 应力水平、应力比、应力幅、频率、温度以及混凝 土强度等级等已有考虑以上各单个因素对混凝土疲 劳性能的影响的研究较多，但是对于以上各种因素 对疲劳性能产生综合影响的程度，人们的研究还不 够。而这种研究，必须借助方差分析的手段，分析 以上各种因素对混凝土疲劳性能影响的显著性程 度。这种方差分析方法要求进行析因试验设计[12]。 即将多个因素的多个水平相互组合进行试验，以考 察各因素的主效应与因素间的交互效应。因为各因 素各水平有机会相互组合，能全面反映各因素对试 验指标影响的显著性程度。
术问题。 大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验
室最新研制的大型电液伺服静、动多功能混凝土三 轴试验机已投入使用。该设备最大的特点是可以完 成混凝土及岩石等材料的两轴拉及三轴拉、压疲劳 试验，这一功能处于国内领先、国际先进水平。该 试验机系统是在原有的静三轴混凝土试验设备[11] 的基础上，由国家重点实验室和 211 工程重点学科 建设项目联合投资改造而成。改造后的三轴仪三方 向的加载均由计算机控制下的液压伺服作动器自动 实现，三方向有各自独立的液压缸，可以分别实现 各自独立异步的加、卸载。系统的控制和数据的采 集也全部由计算机自动实现。该系统可以对混凝土 进行各种静、动多轴拉压试验，能够满足混凝土多
2002 年 5 月 24 日收到初稿，2002 年 7 月 2 日收到修改稿。 * 国家自然科学基金(50078010)资助项目。 作者 赵东拂 简介：男，35 岁，1990 年毕业于上海交通大学海洋工程专业，现为博士研究生，主要从事混凝土疲劳试验方面的研究工作。
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岩石力学与工程学报
(2) 样本容量与误差。混凝土是一种复合材料， 其强度是很离散的，从而导致其疲劳寿命变异性更 大。因而要测定如此离散的混凝土强度及其疲劳寿 命，就需要做大量的试验。但由于条件的限制，不 可能做数量过多的试验，这就要求合理地确定相应 条件下样本容量。目前，我国相关的规范或规程中 对疲劳寿命试验所需试件数量尚无比较具体的规 定，试验人员在试验中采用试件个数不尽相同。根 据统计学原理[13]，样本容量
MULTIAXIAL FATIGUE EXPERIMENTAL APPARATUS OF CONCRETE AND RELEVANT TECHNICS
Zhao Dongfu，Song Yupu，Li Muguo (State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology， Dalian 116024 China)
图 1 控制面板 Fig.1 Controlling board of the system
图 2 承力框架和液压伺服作动器 Fig.2 Frame and hydraulic pressure actor
该控制系统重点解决了 3 个关键技术问题：(1) 设计的 PID 调节式全对称电流负反馈伺服放大器，
使系统运行平稳；(2) 系统采用智能型反馈选择器 来实现位移、荷载和应变 3 个参量的反馈控制变换 的平滑过度，即以 8032CPU 为核心的处理系统来 采集传感器传来的信号，按上位机的命令自动完成 平稳转换，而不产生强烈振动；(3) 采取电源滤波、 DC/DC 变换隔离、信号光电隔离和数字滤波等抗干 扰措施，消除由于工业现场中普遍存在的高 压、大电流的电力电线、大功率的电器设备、交流 接地电流和空中无线电波等干扰源等对系统的危害 作用，从而提高系统的控制精度。
摘要 介绍了一套具有世界领先水平的混凝土多轴疲劳试验系统以及相关试验的关键技术。该系统包括控制系统、
加载系统、数据采集系统和液压源与冷却系统等；试验技术有试验设计、试验操作和参数的测量等几个方面。
关键词 混凝土，多轴疲劳试验，三轴疲劳机，试验技术
分类号 TH 871.3
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2004)02-0187-05
Abstract This paper is concerned with the design and development of a multiaxial fatigue experimental apparatus for concrete and relevant experiment technics，which has reached the world advanced level in this field. The apparatus consists of four parts： control system，loading system，data collecting system and cooling system. The relevant experiment technics including experiment design，operation of the machine and measurement of
200统 三轴仪的控制系统由硬件和软件两部分组成。
硬件包括做控制用的计算机、主控制面板、位移传 感器(LVDT)、荷载传感器、电液伺服阀以及伺服放 大器、示波器、计数器、A/D 转换器(数摸转换器) 等电子设备组成。软件指三轴加载控制程序。
其中，计算机用于各种参数的设置，如加载频 率、疲劳荷载上下限、加载速率和数据采集间隔等； 控制面板用于实现手动加、卸载控操作和试验过程 中各种数据的实时显示(图 1)。电液伺服作动器用 于完成电控信号和液压油量信号的转换；3 个轴的 方向都安装有位移传感器和荷载传感器，分别用于 系统的位移与荷载的控制和测量，其中，荷载传感 器可同时用于控制系统和数据采集系统，而位移传 感器对于控制系统和数据采集系统所使用的却是不 同的，这样可以从系统的总变形中消除连妆设备、 加载板等的变形，从而直接得到试件的纯变形； A/D 转换器可实现模拟信号到数字信号的转换；放 大器用于信号的放大。软件即为控制程序，主要实 现多轴组合试验控制，疲劳频率及幅值的设置，多 路数据采集，并将采集到的数据显示、存储、画出 波形图，将控制信号输到计算机接口，用于控制硬 件。该软件功能体现了窗口化、多任务、事务响应 快、界面友好及直观等优点。
本系统采用了 MTS 单轴疲劳试验机的液压源 系统。同时，由于功率的增大，对冷却系统进行了 改造：潜水泵功率由原来的 1 kW 增加到 2 kW，冷 却塔风扇转数原来的 600 r/min 增加到 1 200 r/min， 从而提高了冷却效果，可以保证液压系统 24 h 昼夜 运行。
3 几点关键试验技术及试验结果
系统的主要技术性能指标如下：(1) 荷载或位 移 3 个方向同步控制，控制精度为 0.5%；(2) 最大 应变率 1 s－1；最大频率 12 Hz；(3) 液压缸每向出 力为：最大压力 2 500 kN，最大拉力 500 kN，最大 位移 150 mm。 2.2 加载系统
加载系统由承力框架、加载头、液压伺服作动 器和荷载传感器等设备组成。
3 方向的承力框架相互独立，彼此正交。且各 个方向的承力框架结构基本相同，都是由 4 根直径 为 90 mm 固定杆与两端的承力组合钢板连接而成， 一端用于固定液压伺服作动器(图 2)，另一端用于 安装荷载传感器。相互正交的两个水平方向的的承 力框架通过带滚轮的 4 辆小车安装在底部固定的导 轨上，可以沿各自的轴向自由移动，这样便于试件 的安装和调位，也使试件两端面均匀受力，避免机 械限制产生强制应力。每个方向的框架的水平度(或 垂直度)为 0.02 mm，3 个方向的同心度为 0.5 mm， 能够保证对中效果良好。
加载头对于试验人员来说是加载系统的关键组 成部分，因为它往往是根据试验具体要求，由试验
第 23 卷 第 2 期
赵东佛等. 混凝土多轴疲劳试验系统与试验技术
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到目前为止，人们对混凝土多轴疲劳的研究尚 不够广泛深入[1]，只有如一侧约束另一侧循环受压 疲劳[2，3]、两轴受压疲劳[4～6]、围压与轴压作用下圆 柱体三轴疲劳[7，8]以及圆筒的压剪疲劳[9，10]等几种 情况，而且基本上都是常幅疲劳，对变幅的研究很 少，对两轴和三轴受拉疲劳的研究目前还没有。大 连理工大学对混凝土多轴波动拉和波动拉压疲劳性 能的试验研究正在进行。对混凝土多轴疲劳试验研 究较少的主要原因是混凝土多轴疲劳试验的难度比 较大，一方面多轴疲劳试验系统的研制技术难度 大、费用高，另一方面是试验中存在的几个关键技
图 3 球铰和加载头 Fig.3 Spherical hinge and loading plate
2.3 数据采集系统 系统共有 32 个数据采集通道，其中，前 12 个
通道用于系统控制，后 20 个通道用于荷载、变形等 数据的采集。疲劳试验中的数据采集设定为：1 次 间隔连续采集 2 个周期，采集间隔的长短可以人为 设定，免除采集多余数据。最大采集频率为 1 000 Hz。系统中，计算机通过 A/D 接口卡采集荷载和变 形传感器的模拟信号；由 D/A 接口卡发送加载控制 信号；I/0 接口卡与单片机进行数据通，完成反馈参 量的选择。 2.4 MTS 液压源与冷却系统
第 23 卷 第 2 期 2004 年 1 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
23(2)：187～191 Jan.，2004
混凝土多轴疲劳试验系统与试验技术*
赵东拂 宋玉普 李木国
(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室 大连 116024)
3.1 试验设计要点 (1) 析因试验设计。已有的研究表明，混凝土
的疲劳性能是受各种因素影响的，如循环荷载下的 应力水平、应力比、应力幅、频率、温度以及混凝 土强度等级等已有考虑以上各单个因素对混凝土疲 劳性能的影响的研究较多，但是对于以上各种因素 对疲劳性能产生综合影响的程度，人们的研究还不 够。而这种研究，必须借助方差分析的手段，分析 以上各种因素对混凝土疲劳性能影响的显著性程 度。这种方差分析方法要求进行析因试验设计[12]。 即将多个因素的多个水平相互组合进行试验，以考 察各因素的主效应与因素间的交互效应。因为各因 素各水平有机会相互组合，能全面反映各因素对试 验指标影响的显著性程度。
术问题。 大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验
室最新研制的大型电液伺服静、动多功能混凝土三 轴试验机已投入使用。该设备最大的特点是可以完 成混凝土及岩石等材料的两轴拉及三轴拉、压疲劳 试验，这一功能处于国内领先、国际先进水平。该 试验机系统是在原有的静三轴混凝土试验设备[11] 的基础上，由国家重点实验室和 211 工程重点学科 建设项目联合投资改造而成。改造后的三轴仪三方 向的加载均由计算机控制下的液压伺服作动器自动 实现，三方向有各自独立的液压缸，可以分别实现 各自独立异步的加、卸载。系统的控制和数据的采 集也全部由计算机自动实现。该系统可以对混凝土 进行各种静、动多轴拉压试验，能够满足混凝土多
2002 年 5 月 24 日收到初稿，2002 年 7 月 2 日收到修改稿。 * 国家自然科学基金(50078010)资助项目。 作者 赵东拂 简介：男，35 岁，1990 年毕业于上海交通大学海洋工程专业，现为博士研究生，主要从事混凝土疲劳试验方面的研究工作。
• 188 •
岩石力学与工程学报
(2) 样本容量与误差。混凝土是一种复合材料， 其强度是很离散的，从而导致其疲劳寿命变异性更 大。因而要测定如此离散的混凝土强度及其疲劳寿 命，就需要做大量的试验。但由于条件的限制，不 可能做数量过多的试验，这就要求合理地确定相应 条件下样本容量。目前，我国相关的规范或规程中 对疲劳寿命试验所需试件数量尚无比较具体的规 定，试验人员在试验中采用试件个数不尽相同。根 据统计学原理[13]，样本容量
MULTIAXIAL FATIGUE EXPERIMENTAL APPARATUS OF CONCRETE AND RELEVANT TECHNICS
Zhao Dongfu，Song Yupu，Li Muguo (State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology， Dalian 116024 China)
图 1 控制面板 Fig.1 Controlling board of the system
图 2 承力框架和液压伺服作动器 Fig.2 Frame and hydraulic pressure actor
该控制系统重点解决了 3 个关键技术问题：(1) 设计的 PID 调节式全对称电流负反馈伺服放大器，
使系统运行平稳；(2) 系统采用智能型反馈选择器 来实现位移、荷载和应变 3 个参量的反馈控制变换 的平滑过度，即以 8032CPU 为核心的处理系统来 采集传感器传来的信号，按上位机的命令自动完成 平稳转换，而不产生强烈振动；(3) 采取电源滤波、 DC/DC 变换隔离、信号光电隔离和数字滤波等抗干 扰措施，消除由于工业现场中普遍存在的高 压、大电流的电力电线、大功率的电器设备、交流 接地电流和空中无线电波等干扰源等对系统的危害 作用，从而提高系统的控制精度。
摘要 介绍了一套具有世界领先水平的混凝土多轴疲劳试验系统以及相关试验的关键技术。该系统包括控制系统、
加载系统、数据采集系统和液压源与冷却系统等；试验技术有试验设计、试验操作和参数的测量等几个方面。
关键词 混凝土，多轴疲劳试验，三轴疲劳机，试验技术
分类号 TH 871.3
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2004)02-0187-05
Abstract This paper is concerned with the design and development of a multiaxial fatigue experimental apparatus for concrete and relevant experiment technics，which has reached the world advanced level in this field. The apparatus consists of four parts： control system，loading system，data collecting system and cooling system. The relevant experiment technics including experiment design，operation of the machine and measurement of
200统 三轴仪的控制系统由硬件和软件两部分组成。
硬件包括做控制用的计算机、主控制面板、位移传 感器(LVDT)、荷载传感器、电液伺服阀以及伺服放 大器、示波器、计数器、A/D 转换器(数摸转换器) 等电子设备组成。软件指三轴加载控制程序。
其中，计算机用于各种参数的设置，如加载频 率、疲劳荷载上下限、加载速率和数据采集间隔等； 控制面板用于实现手动加、卸载控操作和试验过程 中各种数据的实时显示(图 1)。电液伺服作动器用 于完成电控信号和液压油量信号的转换；3 个轴的 方向都安装有位移传感器和荷载传感器，分别用于 系统的位移与荷载的控制和测量，其中，荷载传感 器可同时用于控制系统和数据采集系统，而位移传 感器对于控制系统和数据采集系统所使用的却是不 同的，这样可以从系统的总变形中消除连妆设备、 加载板等的变形，从而直接得到试件的纯变形； A/D 转换器可实现模拟信号到数字信号的转换；放 大器用于信号的放大。软件即为控制程序，主要实 现多轴组合试验控制，疲劳频率及幅值的设置，多 路数据采集，并将采集到的数据显示、存储、画出 波形图，将控制信号输到计算机接口，用于控制硬 件。该软件功能体现了窗口化、多任务、事务响应 快、界面友好及直观等优点。
本系统采用了 MTS 单轴疲劳试验机的液压源 系统。同时，由于功率的增大，对冷却系统进行了 改造：潜水泵功率由原来的 1 kW 增加到 2 kW，冷 却塔风扇转数原来的 600 r/min 增加到 1 200 r/min， 从而提高了冷却效果，可以保证液压系统 24 h 昼夜 运行。
3 几点关键试验技术及试验结果
系统的主要技术性能指标如下：(1) 荷载或位 移 3 个方向同步控制，控制精度为 0.5%；(2) 最大 应变率 1 s－1；最大频率 12 Hz；(3) 液压缸每向出 力为：最大压力 2 500 kN，最大拉力 500 kN，最大 位移 150 mm。 2.2 加载系统
加载系统由承力框架、加载头、液压伺服作动 器和荷载传感器等设备组成。
3 方向的承力框架相互独立，彼此正交。且各 个方向的承力框架结构基本相同，都是由 4 根直径 为 90 mm 固定杆与两端的承力组合钢板连接而成， 一端用于固定液压伺服作动器(图 2)，另一端用于 安装荷载传感器。相互正交的两个水平方向的的承 力框架通过带滚轮的 4 辆小车安装在底部固定的导 轨上，可以沿各自的轴向自由移动，这样便于试件 的安装和调位，也使试件两端面均匀受力，避免机 械限制产生强制应力。每个方向的框架的水平度(或 垂直度)为 0.02 mm，3 个方向的同心度为 0.5 mm， 能够保证对中效果良好。
加载头对于试验人员来说是加载系统的关键组 成部分，因为它往往是根据试验具体要求，由试验
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赵东佛等. 混凝土多轴疲劳试验系统与试验技术
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