CN109991092A - 变幅荷载下构件的自然暴露实验装置、***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变幅荷载下构件的自然暴露实验装置、***及方法，变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，包括若干条长条形的试件、平行设置的两条地梁、加载水箱以及控制装置，若干条试件放置于两条地梁上，两条地梁之间的距离与试件的长度相适应，试件的底部中间位置设有数显式应变计和位移计，试件的上方设有加载水箱，加载水箱与试件之间设有两个平行设置的加载头，加载水箱内侧底部设有液位传感器，水箱设有进水管和出水管，还包括储水装置、控制器、供水水泵、排水水泵、主进水管道和主出水管道。本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，能够实现多种环境与变幅荷载耦合/共同作用下构件的自然暴露实验，通用性好，适用范围广。

Description

变幅荷载下构件的自然暴露实验装置、***及方法
技术领域
本发明涉及材料和结构力学实验领域，特别是涉及变幅荷载下构件的自然暴露实验装置、***及方法。
背景技术
航空航天、陆上交通、土木建筑、船舶、海洋工程、水利水电、港口、风力发电、工程机械等领域的重大装备或重大工程结构，往往承受的外载是随时间和空间变化的变幅荷载甚至是随机荷载。对于这些重大装备及重大工程结构的抗疲劳/耐久性设计及安全评价，目前所依据的实验数据大都是来自室内材料(小试件)的恒幅疲劳加速实验、以及数量极少的变幅荷载加速实验。这些实验条件(环境与荷载)显然与上述重大装备及重大工程结构的实际服役条件有着较大的差别，采用室内加速实验所获得的数据为依据进行装备及结构设计和安全评价，将会留下安全隐患或者采取极其保守的设计方法而增加成本和浪费资源。
为了比较经济、准确地获得上述重大装备及重大工程结构在实际服役环境与荷载作用下的抗疲劳/耐久性能，最理想的方法是开展少量的重大装备及重大工程结构模型或重要构件在变幅荷载下的自然暴露实验，并与大量的模拟其服役环境与荷载耦合/共同作用下的加速实验相结合。然而，开展变幅荷载下结构或构件的自然暴露实验，面临着以下主要困难：1)在长期暴露实验中变幅荷载的设定、施加及精确控制困难。对于自然暴露实验中变幅荷载的长期、连续、精确施加及控制，目前还没有很好的方法；2)变幅荷载下结构或构件的自然暴露实验装置及方法未见报道，而能够适用于多环境、多试件的变幅荷载下结构或构件的自然暴露实验方法及装置更是闻所未闻；3)在自然暴露环境与变幅荷载耦合/共同作用下实验数据的长期连续精确测试和采集困难。目前报道的自然暴露实验中材料或小试件的静态变形是通过应变片等来测试，但采用应变片的测试方法由于其使用寿命过短、环境的影响及电力等保障措施困难而很难做到长期连续测试和采集；4)实验场地、实验条件和装置等的长期营运困难。自然暴露实验的周期一般需要几十年甚至上百年，在这样长的周期里维持设定的实验条件(环境、受力等)、保障实验装置的功能及稳定性、维护实验场地等，都是异常困难的；5)在自然暴露环境下，结构或构件(试件)在变幅荷载下的受力及变形测试方法有待完善。一方面，目前的测试方法无法适应试件随着所处环境变化而引起的变形和受力变化规律的测试，既无法完整、实时、高精度地捕捉到试件的变形和受力随环境变化而变化的数据，又很难在荷载剧变的瞬间准确地测量出试件的变形。另一方面，以往的自然暴露实验装置无法同时对多个或一批试件实施相同环境与荷载共同作用下的自然暴露实验，不利于对其长期力学性能进行统计分析。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一提供变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，其能够在长期实验中精确控制载荷，适合多环境下实验，便于实验数据的长期连续测试，便于采集数据，便于维护。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是提供变幅荷载下构件的自然暴露实验***，其能够进一步精确控制载荷，且能够同时对多个试件进行测试，适合多环境下实验，便于实验数据的长期连续测试，便于采集数据，便于维护。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之三是提供变幅荷载下构件的自然暴露实验方法，其能够在长期实验中精确地模拟、施加和控制变幅载荷，能够完整、实时、高精度地捕捉到试件的变形和受力随环境和荷载的变化而变化的数据，且能同时对多个试件实施相同环境和不同环境与变幅载荷耦合/共同作用下的自然暴露实验。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，包括若干条长条形的试件、平行设置的两条地梁、加载水箱以及控制装置，若干条试件放置于两条地梁上，两条地梁之间的距离与试件的长度相适应，试件的底部中间位置设有数显式应变计和位移计，试件的上方设有加载水箱，加载水箱与试件之间设有两个平行设置的加载头，加载水箱内侧底部设有液位传感器，加载水箱设有进水管和出水管，进水管上设有进水电磁阀，出水管上设有出水电磁阀。
进一步，加载头为圆柱形加载头，加载头与试件之间为线接触。
进一步，地梁朝向试件的一侧为圆柱面。
进一步，试件的下方还设有水池，水池连接水泵，水池内注有含盐量与海水相同的盐水，加载水箱、试件和水池上方设有能够遮挡雨水的挡雨装置。
进一步，加载头为实心圆钢柱，加载头焊接于加载水箱底部。
变幅荷载下构件的自然暴露实验***，包括若干个变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，还包括储水装置、控制器、供水水泵、排水水泵、主进水管道和主出水管道，每个加载水箱的进水管均连接于主进水管道，每个加载水箱的出水管均连接于主出水管道，主进水管道和主出水管道均与储水装置连通，供水水泵设置在主进水管道上，排水水泵设置在主出水管道上，供水水泵、排水水泵、进水电磁阀和出水电磁阀与控制装置电连接。
进一步，若干个变幅荷载下构件的自然暴露实验装置呈矩形阵列排布。
变幅荷载下构件的自然暴露实验方法，首先设定多级阶梯的变幅荷载谱，采取分阶段测量试件变形和受力的方法：在自然暴露实验的初期，根据各个荷载阶梯的持续时间，采取确保每个荷载阶梯作用时间内测试一次、连续测量两个月的方法；两个月后，按照气温和湿度的变化规律，采取每天在最低和最高气温的时点各测量一次的方法，测量试件的变形和受力情况，在测量时，记录当时的受力、应变、位移、温度、湿度和盐度等物理参量。
进一步，变幅荷载的设定是根据实际装备或结构承受的荷载，采用人工或检测***自动采集的荷载数据，应用损伤等效原理，将多个小荷载等效为对装备或结构造成的损伤量相等的一个大荷载，形成由大荷载组成的等效序列，然后采用概率分析方法计算该等效荷载序列的自相关数或功率谱密度，并检验其概率分布，从而获得等效荷载序列的概率分布函数和自相关函数或功率谱密度函数，再将其输入到备有随机过程模拟功能的商用软件或自编程序进行数值模拟，得到概率分布和自相关数或功率谱密度相同的能够反映实际荷载特征的典型荷载谱，然后根据荷载数据的最小样本容量、试件变形和受力测试频次，将荷载模拟谱按照变幅荷载的拟定阶梯数量划分区间、取各区间的均值为荷载幅值，生成多级阶梯的变幅荷载谱，最后，采用实际结构与试件所承受荷载等效(例如弯矩等效)的方法，确定试件所承受各级荷载的大小及频次。
进一步，荷载施加、监测及控制方法，是将对试件拟施加的荷载即变幅荷载谱编入控制软件，由控制器发出数值信号，指令供水水泵、排水水泵、进水电磁阀、出水电磁阀启动以实现加载，荷载由液位传感器监测并将控制信号发给控制器，再由控制器发出指令使供水水泵、排水水泵、进水电磁阀、出水电磁阀工作。
总的说来，本发明具有如下优点：
1)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及***，能够实现多种环境与变幅荷载耦合/共同作用下构件的自然暴露实验，通用性好，适用范围广；
2)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及***，能够同时对多个试件实施相同环境与荷载耦合/共同作用下的自然暴露实验，也能够同时对不同试件实施相同环境与不同荷载谱耦合/共同作用下的自然暴露实验，以便于对在相同及不同荷载谱与自然暴露环境的交互作用下试件的长期力学性能进行分析；
3)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及***，具有简单、合理的配置和布局，主要部件和元件具有优异的刚度、强度、稳定性、可靠性和耐久性，并具有安装及维护方便、成本低廉等特点。
4)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及***，可以解决在长期实验中变幅荷载的精确控制困难、以及实验条件、设备和场地的长期维护困难等问题。
5)本发明的多阶梯变幅荷载的设定方法，是根据装备、结构或构件在实际服役过程中承受的荷载谱予以合理简化后确定，具有荷载的概率统计特征相同、易于模拟和编制、在长期实验过程中便于连续测量、精确施加和控制等优点。而且本发明的变幅荷载能够反映航空航天、陆上交通、土木建筑、船舶、海洋工程、水利水电、港口、风力发电、工程机械等领域的重大装备或重大工程结构的实际承载情况。
6)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验方法，具有能够针对试件随着所处环境和所受荷载变化而引起的变形和受力变化规律而灵活改变的特点、短期与长期相结合的测量方法，既有利于完整、实时、长期、连续、高精度地捕捉到试件的变形和受力随环境和荷载的变化而变化的数据，又可以避免大数据的处理工作量。
附图说明
图1为本发明变幅荷载下构件的自然暴露实验装置的亚热带陆地环境实例的结构示意图；
图2为本发明变幅荷载下构件的自然暴露实验装置的亚热带陆地环境实例的另外一个角度的结构示意图；
图3为本发明变幅荷载下构件的自然暴露实验装置的亚热带海浪飞溅区环境实例的结构示意图；
图4为本发明变幅荷载下构件的自然暴露实验装置的亚热带海浪飞溅区环境实例的另外一个角度的结构示意图；
图5为本发明变幅荷载下构件的自然暴露实验***的结构示意图；
图6为本发明实施例变幅荷载下构件的自然暴露实验的变幅阶梯荷载谱。
其中图1至图5中包括有：
1-加载水箱；2-加载头；3-试件；4-液位传感器；51-进水电磁阀；52-出水电磁阀；61-供水水泵；62-排水水泵；7-进水管；8-出水管；9-水塔；10-数显式应变计；11-位移计；12-地梁；131-主进水管道；132-主出水管道；14-控制器；15-水池；16-挡雨装置；17-电缆。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
实施例1、
如图1至图2所示，变幅荷载下构件的自然暴露实验装置、***及方法包括：亚热带环境设定、自然暴露实验装置、自然暴露实验***、自然暴露实验方法。所述的亚热带环境为亚热带陆地环境。
变幅荷载下构件的自然暴露实验装置包括若干条长条形的试件、平行设置的两条地梁、加载水箱以及控制装置，若干条试件放置于两条地梁上，两条地梁之间的距离与试件的长度相适应，试件的底部中间位置设有数显式应变计和位移计，试件的上方设有加载水箱，加载水箱与试件之间设有两个平行设置的加载头，加载水箱内侧底部设有液位传感器，加载水箱设有进水管和出水管，进水管上设有进水电磁阀，出水管上设有出水电磁阀。
加载头为圆柱形加载头，加载头与试件之间为线接触。
地梁朝向试件的一侧为圆柱面。
加载头为实心圆钢柱，加载头与加载水箱焊接。
变幅荷载下构件的自然暴露实验***，包括若干个变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，还包括储水装置(水塔)、控制器、供水水泵、排水水泵、主进水管道和主出水管道，每个加载水箱的进水管均连接于主进水管道，每个加载水箱的出水管均连接于主出水管道，主进水管道和主出水管道均与储水装置连通，供水水泵设置在主进水管道上，排水水泵设置在主出水管道上，供水水泵、排水水泵、进水电磁阀和出水电磁阀与控制装置电连接。
若干个变幅荷载下构件的自然暴露实验装置呈矩形阵列排布。
变幅荷载下构件的自然暴露实验方法，采取分阶段测量试件变形和受力的方法：首先设定多级阶梯的变幅荷载谱，在自然暴露实验的初期，根据各个荷载阶梯的持续时间，采取确保每个荷载阶梯作用时间内测试一次、连续测量两个月的方法；两个月后，按照气温和湿度的变化规律，采取每天在最低和最高气温的时点各测量一次的方法，测量试件的变形和受力情况，在测量时，记录当时的受力、应变、位移、温度、湿度和盐度等物理参量。
变幅荷载的设定是根据实际装备或结构承受的荷载，采用人工或检测***自动采集的荷载数据，应用损伤等效原理，将多个小荷载等效为对装备或结构造成的损伤量相等的一个大荷载，形成由大荷载组成的等效序列，然后采用概率分析方法计算该等效荷载序列的自相关数或功率谱密度，并检验其概率分布，从而获得等效荷载序列的概率分布函数和自相关函数或功率谱密度函数，再将其输入到备有随机过程模拟功能的商用软件或自编程序进行数值模拟，得到概率分布和自相关数或功率谱密度相同的能够反映实际荷载特征的典型荷载谱，然后根据荷载数据的最小样本容量、试件变形和受力测试频次，将荷载模拟谱按照变幅荷载的拟定阶梯数量划分区间、取各区间的均值为荷载幅值，生成如图6所示的多级阶梯的变幅荷载谱，最后，采用实际结构与试件所承受荷载等效(例如弯矩等效)的方法，确定试件所承受各级荷载的大小及频次。
荷载施加、监测及控制方法，是将对试件拟施加的荷载即变幅荷载谱编入控制软件，由控制器发出数值信号，指令供水水泵、排水水泵、进水电磁阀、出水电磁阀启动以实现加载。荷载由液位传感器监测并将控制信号发给控制器，再由控制器发出指令使供水水泵、排水水泵、进水电磁阀、出水电磁阀工作。
变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，包括用于给试件3加载的加载头2、加载水箱1、地梁12。每两个试件3平行地放置于地梁12上，通过加载头2将加载水箱1及其内装液体的重量施加给试件3与重力方向相同的力。液体传输及储蓄***用以提供和调节水量给加载水箱，包括进水管7和出水管8、进水电磁阀51、出水电磁阀52、供水水泵61、排水水泵62、水塔9，主进水管131和主出水管132分别与加载水箱1的进水管7和出水管8、以及水塔9相连。测试装置包括液位传感器4、位移计11和数显式应变计10，液位传感器4位于加载水箱1内侧壁的底部，用于测量水压力，位移计11位于试件3中部的下表面，用于测试试件3的挠度(垂直位移)，数显式应变计10位于试件3中部的下表面(受拉部位)，用于测量试件3的受拉部位的受力和变形情况。控制装置包括控制器14，控制器14与进水电磁阀51、出水电磁阀52、供水水泵61、排水水泵62电连接。每个加载水箱1的进水管7和出水管8分别设置1个进水电磁阀51和出水电磁阀52，用以控制加载水箱1的进水和排水，水泵分为供水水泵61和排水水泵62，分别与主进水管道131和主出水管道132相连，用于各个加载水箱1的进水和排水，控制器14位于室内的监控室，通过电缆17与液位传感器4、进水电磁阀51、出水电磁阀52、供水水泵61以及排水水泵62相连，用于控制各加载水箱1的供水和排水，以保证各加载水箱1的重量与变幅载荷谱一致。
如图1所示，地梁12具有两条以上的数量，每两条地梁12之间的间距与试件3的跨距相适应。地梁12设计成顶部为半圆形、长度任意(按照实验场地尺寸设置)、高度为20～30cm、宽度20～30cm的条带状钢筋混凝土(RC)构件，设置在平整的水泥地面上，能够平稳放置试件3为准。地梁12既起到支座的作用，又能防止积水浸泡试件3，并方便对试件3的受力及变形进行测量。地梁12的上方平行地放置若干组试件3，组成若干个加载装置，每个加载装置有两个试件3、两个加载头2和一个加载水箱1，两个试件3的间距与加载水箱1的底板宽度及加载头2的长度相适应。
所述加载头2为实心圆钢柱，加载头2的轴向沿试件3和加载水箱1的宽度方向设置，加载头2的长度与加载水箱1的底板宽度相同，其底部与试件上表面形成线接触，上部焊接于加载水箱1底板外表面。每个加载水箱1底部焊接有两个平行的加载头2，两个加载头2的间距与试件3跨距的三分点相等，形成四点弯曲的加载形式。
图1所示加载水箱1为矩形容器，每两个试件3的上面放置一个加载水箱1，其容积大小根据实验荷载设定，其底板及侧板在满载下不发生明显的变形，并在强风作用下不发生侧翻。加载水箱1的顶板设置成能够方便开启的盖板；底板和侧板设有加强筋，其中底板中间两条加强筋的间距与四点弯曲的两个加载头2之距离相同，并与上述加载头2相连；侧板上设置有进水口和出水口，分别与进水管7和出水管8相连。
图5所示水塔9为耐候结构钢制成的矩形厚壁容器，其尺寸根据各加载水箱1的高度(以保证有一定的供水压力)、实验中所需调节的总水量等予以设定。其顶部设置有进水口和出水口，与主进水管道131、主出水管道132、供水水泵61、排水水泵62相连，底板和侧板设有加强筋。水塔9放置于平整的水泥场地上，在运营过程中不发生明显的变形。
控制器14的主要元器件包括:中央处理器(CPU)用以编程、与触摸屏和输出模块进行通信，数字输出模块用以控制进水电磁阀51、出水电磁阀52开闭，PLC模拟量采集模块用以采集传感器信号，交流接触器用以控制供水水泵61、排水水泵62开关，空气开关等保护元器件。
变幅荷载下构件在亚热带自然环境下的暴露实验方法，包括以下步骤：
1)变幅荷载设定。采用人工或检测***自动采集的荷载数据，应用损伤等效原理，经过概率统计分析，得到其统计特性相同、且能够数值模拟的桥梁结构的典型荷载谱，再将其简化为多级阶梯的变幅荷载谱。然后，采用实际结构与试件3所承受荷载等效的方法，确定试件3所承受各级荷载的大小及频次。
2)试件3设计及制作。根据实际承载构件的形状、尺寸、受力情况以及自然暴露实验场的实验条件，按照一定的缩比设计试件3，并按照相关标准/规定制作一批试件3。
3)自然暴露环境的设定。按照构件所处的亚热带实际服役环境，设定为亚热带陆地环境。对于亚热带陆地环境，只需要在亚热带室外露天的实验场地上设置用以放置试件3的钢筋混凝土地梁12。
4)制作加载装置。先按照一组两个试件3的类型和尺寸，采用不锈钢制作所述的两个加载头2、以及一个加载水箱1，并根据四点弯曲试件3的两个加载位置，将两个加载头2以线接触的形式分别焊接于加载水箱1底面的所述加载位置，将加载头2与加载水箱1固接，形成一组加载装置，并在加载水箱1的一个侧壁开进水口和出水口，在出水口的下方安装液位传感器4。然后，按照试件3的组数，重复上述过程制作若干组相同的加载装置。
5)制作水塔9。根据加载水箱1的数量、高度、以及实验中所需调节的总水量等设定水塔9的尺寸，按照满载时其底板和侧板不变形、水塔9高度高于安装后加载水箱1高度的原则，采用不锈钢板制作水塔9。在其底板和侧板设置加强筋，在顶板开进水口和出水口，以便与进水管7和出水管8相连。
6)安装试件3。先将一组两个试件3平行地放置于预先设置的地梁12上，两个试件3的间距按照加载水箱1的宽度设置，以试件3外侧面与加载水箱1外侧面齐平或稍靠里面为准，以便既能使试件3暴露于自然环境中，又能让加载头2和加载水箱1平稳地放置于该组两个试件3上面。然后，在试件3的跨中底部粘贴数显式应变计10和安装位移计11。对于其它组试件，重复上述安装过程。
7)安装蓄供水及传输***。先将水塔9安装并放置于地势较高、平整的水泥地上，再根据实验***的供水量、排水量及供排水时间要求选取合适尺寸的PVC厚壁主进水管道131和主出水管道132，通过主进水管道131和主出水管道132分别将水塔9的出水口、进水口与各个加载水箱1的进水管7、出水管8、相连。
8)安装控制装置。在控制室内将CPU、触摸屏、输出模块、采集模块、交流接触器等进行安装和集成，构成一控制器14，并通过电缆17与空气开关、压力变送器、供水水泵61、排水水泵62、进水电磁阀51、出水电磁阀52、液位传感器4相连。然后将控制、数据采集及后处理软件输入到控制器14内的CPU，最后将变幅荷载谱输入到控制程序。
9)荷载测量及控制。对试件3施加的荷载由液位传感器4计量，荷载大小由加载水箱1的水位高低(水压)来控制。当某一个阶梯的荷载大小调整到目标荷载时，由液位传感器4发出信号至控制器14，再由控制***发出指令至供水水泵61、排水水泵62、进水电磁阀51、出水电磁阀52，使供水水泵61、排水水泵62停止运转、进水电磁阀51、出水电磁阀52关闭。目标荷载是根据构件在实际结构物中的受力情况，采用人工或检测***自动采集的荷载数据，应用损伤等效原理，将多个小荷载等效为对装备或结构造成的损伤量相等的一个大荷载，形成由大荷载组成的等效序列，然后采用概率分析方法计算该等效荷载序列的自相关数或功率谱密度，并检验其概率分布，从而获得等效荷载序列的概率分布函数和自相关函数或功率谱密度函数，再将其输入到备有随机过程模拟功能的商用软件或自编程序进行数值模拟，得到概率分布和自相关数或功率谱密度相同的能够反映实际荷载特征的典型荷载谱，然后根据荷载数据的最小样本容量、试件3变形和受力测试频次，将荷载模拟谱按照变幅荷载的拟定阶梯数量划分区间、取各区间的均值为荷载幅值，生成多级阶梯的变幅荷载谱，最后，采用实际结构与试件3所承受荷载等效(例如弯矩等效)的方法，确定试件3所承受各级荷载的大小及频次，将实际构件的荷载谱转换为试件3的荷载谱，再将试件3的荷载谱编制成自然暴露实验用的变幅荷载谱(目标荷载谱)。
10)长期测试。试件3在自然暴露环境与变幅荷载耦合/共同作用下会发生变形，试件3的变形又会反过来引起其受力的变化。因此，为探明在自然暴露环境与变幅荷载耦合/共同作用下试件3长期力学性能的变化规律，保证测试的精度并尽量减少非环境和非外力的影响。对于混凝土试件3，一方面，本发明将养护好的钢筋混凝土(RC)试件3放置于室内一年后才实施自然暴露实验，以尽量减少混凝土的收缩和徐变对其长期力学性能的影响。另一方面，不管对于何种材料的试件3，本发明按照荷载谱的阶梯数采取分阶段测量试件3变形和受力的方法：在自然暴露实验的初期，根据各个荷载阶梯的持续时间，采取确保每个荷载阶梯作用时间内测试一次、连续测量两个月的方法；两个月后，按照气温和湿度的变化规律，采取每天在最低和最高气温的时点各测量一次的方法，测量试件3的变形和受力情况。在测量时，记录当时的受力、应变、位移、温度、湿度和盐度等物理参量。其中试件3的挠度由位于试件3跨中底部的位移计11测试，应变由粘贴于试件3受拉部位的数显式应变计10测试，试件3的受力由液位传感器4测量，温度、湿度和盐度分别由温度湿度计和盐度计测量。
上述自然暴露实验方法及装置可用于桥梁、隧道、港口、码头、道路、水坝、场馆、房屋、舰船、深海平台、汽车、航空器等建筑物/结构物的钢筋混凝土(RC)结构件、钢结构件、复合材料、纤维增强复合材料(FRP)加固RC结构件、FRP加固钢结构件、钢-混凝土组合结构件以及其它材料组成的持载构件的自然暴露实验。
总的说来，本发明具有如下优点：
本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及***具有如下优点：
1)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及***，能够实现多种环境与变幅荷载耦合/共同作用下构件的自然暴露实验，通用性好，适用范围广；
2)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及***，能够同时对多个试件3实施相同环境与荷载耦合/共同作用下的自然暴露实验，也能够同时对不同试件3实施相同环境与不同荷载谱耦合/共同作用下的自然暴露实验，以便于对在相同及不同荷载谱与自然暴露环境耦合的交互作用下试件的长期力学性能进行分析；
3)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及***，具有简单、合理的配置和布局，主要部件和元件具有优异的刚度、强度、稳定性、可靠性和耐久性，并具有安装及维护方便、成本低廉等特点。
4)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及***，可以解决在长期实验中变幅荷载的精确测量和控制困难、以及实验条件、设备和场地的长期维护困难等问题。
本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验方法，具有如下优点：
1)本发明实验方法中的多阶梯变幅荷载的设定方法，是根据装备、结构或构件在实际服役过程中承受的荷载谱予以合理简化后确定，具有荷载的统计特征相同、易于模拟和编制、在长期实验过程中便于连续测量、精确施加和控制等优点。而且本发明的变幅荷载能够反映航空航天、陆上交通、土木建筑、船舶、海洋工程、水利水电、港口、风力发电、工程机械等领域的重大装备或重大工程结构的实际承载情况。
2)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验方法，具有能够针对试件3随着所处环境和所受荷载变化而引起的变形和受力变化规律而灵活改变的特点、短期与长期相结合的测量方法，既有利于完整、实时、长期、连续、高精度地捕捉到试件3的变形和受力随环境和荷载的变化而变化的数据，又可以避免大数据的处理工作量。
实施例2
本实施例的主要装置和方法与实施例1相同，其主要不同之处在于：
如图3、图4所示，本实施例所述的自然暴露环境为亚热带海浪飞溅区环境。试件3的下方还设有水池15，水池15连接水泵，水池15内注有含盐量与海水相同的盐水，加载水箱1、试件3和水池15上方设有能够遮挡雨水的挡雨装置16。水池15为长度任意(按照实验场地尺寸设置)、宽度与上述2条地梁12之间的间距相等、深度为1500～2000mm的矩形RC结构，其表面需经过防渗水处理，其两长边按照上述地梁12的要求构建，并配置有水泵等排水装置。所述水池15是用以按照亚热带沿海地区海水盐度的变化情况配置人工海水，并在水池15的上方放置加载装置。人工海水的排放通过配套的水泵完成。所述挡雨装置16(雨棚)为采用耐候、透光的PVC等材料制成的架空的斜屋顶状结构，采用不锈钢架架设于水池15的上方，用以防止雨水流入水池15而降低人工海水的盐浓度。
具体的本实施例是采用发明中的变幅荷载下构件在亚热带自然环境下的暴露实验方法及装置，以碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)梁为试件3，以“亚热带海浪飞溅区环境”作为亚热带的一种典型自然环境，然后按照以下步骤进行变幅荷载下构件的自然暴露实验：
(1)试件3设计及制作。根据相关规范，将亚热带地区RC桥梁的普通加固构件“CFRP加固RC简支梁”按照一定的缩比设计试件3。其中，RC梁尺寸为1850mm长×100mm宽×200mm高，跨距为1600mm；混凝土为C30；主筋为Ф10II级钢筋，架立筋与箍筋均为Ф8I级钢筋,配筋率为0.981％；CFRP为采用T700-12k碳纤维丝编制的1560mm长×100mm宽×0.23mm计算厚度的CFRP预浸料，例如碳纤维薄板(CFL)；采用超高强环氧树脂A,B胶将CFL对称地粘贴于RC梁底部。
关于试件3的制作，先扎制钢筋笼，在主筋的下缘粘贴应变片，然后浇筑混凝土，放置1天后脱模、养护28天，尔后在室内放置1年，再粘贴碳纤维薄板。
(2)主要装置设计及验算。
1)加载水箱1设计：为了便于对试件3的长期力学性能等进行统计分析，确定每个加载水箱1(含液体)作为2个试件3的荷载；按照试件尺寸和实际构件的恒载大小，确定在自然暴露实验中对试件3的加载形式为四点弯曲，然后按照弯矩等效原理，试算加载水箱1的受力和变形后，将加载水箱1的尺寸定为：2000mm长×800mm宽×1200mm高；最后将加载水箱1的各组成部件的材料、形状和尺寸确定为：
框架：为了确保加载水箱1的强度和刚度，采用方钢管组成框架式结构。框架尺寸分别为：长l＝2000mm,宽w＝800mm,高h＝1200mm。方钢管的材料为201不锈钢，其截面尺寸为30×30mm，厚度为2mm。
底板：采用设置有加强肋的2mm厚201不锈钢板制成，尺寸为2000mm长×800mm宽。在底面中间相距l1＝533.3mm沿长度方向对称地设有两条加强肋、沿宽度方向的中间位置设有1条加强肋，其材料及截面尺寸与上述方钢管相同，以便增强底板的刚度并承载。
侧板：采用设置有加强肋的2mm厚201不锈钢板制成，加载水箱1长度方向的两块侧板尺寸为2000mm长×1200mm高，设有两条沿高度方向的加强肋；加载水箱1宽度方向的两块侧板尺寸为800mm宽×1200mm高，设有1条沿宽度方向的加强肋。加强肋采用上述不锈钢方钢管，其材料及截面尺寸与上述方钢管相同。
盖板：采用设置有加强肋的2mm厚201不锈钢板制成，尺寸为2000mm长×800mm宽。沿加载水箱1长度方向设置有1条加强肋、宽度方向等间距设置有2条加强肋，加强肋的材料及尺寸与上述不锈钢方钢管相同。
2)水塔9设计：水塔9是为了给整个实验***供水和储水，并对各个加载水箱1形成一定的水压。对于本实施例，上述加载水箱1共设有15个，按照变幅(阶梯)荷载谱、并考虑桥梁结构的恒载，整个***需要调节的最大水量为11.52m3。为此，将水塔9的尺寸设计为：3660mm长×1500mm宽×2150mm高，其组成部件的材料、形状和尺寸确定为：
框架：为了确保水塔9的强度和刚度，采用方钢管组成框架式结构。框架尺寸分别为：长l＝3660mm,宽w＝1500mm,高h＝2150mm。方钢管的材料为201不锈钢，其截面尺寸为30×30mm，厚度为2mm。
底板：采用设置有加强肋的2mm厚201不锈钢板制成，尺寸为3660mm长×1500mm宽。在底面沿长度方向等间距地设有3条加强肋、沿宽度方向等间距地设置2条加强肋，其材料及截面尺寸与上述方钢管相同，以便增强底板的刚度。
侧板：采用设置有加强肋的2mm厚201不锈钢板制成，水塔9长度方向的两块侧板尺寸为3660mm长×2150mm高，沿高度方向等间距地设有2条加强肋、沿长度方向等间距地设有3条加强肋；水塔9宽度方向的2块侧板尺寸为1500mm宽×2150mm高，沿宽度方向设有1条加强肋、沿高度方向等间距地设有2条加强肋。所有加强肋均采用上述不锈钢方钢管，其材料及截面尺寸与上述方钢管相同。
盖板：采用设置有加强肋的2mm厚201不锈钢板制成，尺寸为3660mm长×1500mm宽。沿水塔9长度方向等间距地设置有2条加强肋、沿宽度方向设置有1条加强肋，加强肋的材料及尺寸与上述不锈钢方钢管相同。盖板上设置有与进水口和出水口，与主进水管道131和主出水管道132相连。
3)验算
强度验算：加载水箱1和水塔9的底板、侧板在设定的荷载下其最大应力均小于201不锈钢的屈服强度(275MPa)，满足设计要求。
刚度/变形验算：加载水箱1和水塔9的底板、侧板在设定荷载(每个加载水箱1的容积为1.92m3、水塔9的容积约为11.8m3/最大载荷)下的最大变形均小于1mm，满足设计要求。
稳定性验算：加载水箱1由于架设于2个试件3之上，故需要验算在强风(12级台风)作用下是否会发生倾覆。验算结果表明，在加载水箱1容量为60％以上时，其在强风作用下不会发生倾覆，稳定性好。
4)其他主要部件/构件设计与验算。
加载头2：材料为SUS304，尺寸为：直径Φ1＝30mm，长度L＝800mm。
地梁12：材料为钢筋混凝土，混凝土标号为C30。地梁12顶部半径为R＝300mm、高度为300mm、宽度为300mm，长度有两种(10m和5m)，其中设置在水池15边上的为5m，其余的为10m。
水池15：主体构造为钢筋混凝土，混凝土标号为C30，并做防渗和防腐处理。水池15尺寸为：5000mm长×1300mm宽×1500mm深，实验时保持着1200mm深、盐度为3％的人工海水。
挡雨装置16(雨棚)：雨棚16尺寸为：长×宽×高＝5200×2400×1600mm，其中，支架材料为SUS304，截面尺寸为50×50mm、壁厚为3mm的方钢；棚顶材料为透明的PVC，厚度为5mm。
验算结果：各部件/构件的强度足够，其变形都在弹性范围内，符合设计要求。
(3)建造自然暴露实验场。在广州华南理工大学校园内圈出一块18000mm长×12000mm宽的平地，按照以下步骤建造实验场：
1)找平后浇筑混凝土，厚度为200mm；
2)按照1600mm的间隔沿长度方向分别浇筑长度为10000mm和5000mm长的地梁12；
3)在2条5000mm长的地梁12之间建造水池15；
4)在水池15的上方建造挡雨装置16(雨棚)；
5)在实验场地的***建造围栏。
(4)变幅荷载下构件的亚热带海浪飞溅区自然环境暴露实验。按照以下步骤实施：
1)变幅荷载的设定。采用人工或检测***自动采集的荷载数据，应用损伤等效原理，经过统计分析，得到其统计特性相同、且能够数值模拟的RC桥梁结构的典型荷载谱，再将其简化为多级阶梯的变幅荷载谱。然后，采用实际结构与试件3所承受荷载等效的方法，确定试件3所承受各级荷载的大小及频次。在本实施例中，RC桥梁构件的恒载占总载荷的60％，车辆荷载占40％，其总荷载的最大值控制为低于混凝土的开裂荷载。变幅(车辆)荷载谱为阶梯荷载谱，如附图6所示，7天为1个周期，每个周期设有28个阶梯，每个阶梯的作用时间按照原荷载谱中各荷载幅值的作用频次比例而定。
2)制作加载水箱1、加载头2、水塔9、试件3、控制器14、以及其它装置；购置水泵、电磁阀、管道、液位传感器4、数显式应变计10、位移计11等；
3)按照附图1所示构造搭建加载装置。先将两个加载头2按照四点弯曲加载位置焊接于加载水箱1的底板，然后将两个试件3放置于水池15旁边的地梁12上，并位于水池15的正上方，再将带有加载头2的1个加载水箱1放置于两个试件3上面，使加载头2与试件3的上表面形成线接触，构成一组加载装置。尔后，按照上述方法搭建其他各组加载装置；
4)在水池15和加载装置的上方搭建挡雨装置16(雨棚)，如附图3所示。挡雨装置16(雨棚)的数量与水池15相同，并与加载装置的数量相匹配；
5)按照附图5所示安装蓄供水及传输***、测试装置、控制装置。在蓄供水及传输***中，管道为耐候PVC厚壁圆管，分为两种类型：一是主进水管道131和主出水管道132，尺寸为Φ64mm；二是与加载水箱1连接的进水管7和出水管8，尺寸为Φ32mm；水泵为管道式离心泵，分为供水水泵61和排水水泵62；控制装置的电磁阀为常闭式二口二位直动型电磁阀，分别设置于各个加载水箱1的进水管7和出水管8上；测试装置的液位传感器4是通用型压力传感器，置于加载水箱1内侧壁的下部，其测量精度为0.1％，***可控制液位的偏差小于1mm。
6)制作盐度为3％或2％或1％的人工海水，并注入水池15中，然后启动实验***开始实施自然暴露实验。
(5)试件3的长期受力及变形测试。按照荷载谱的阶梯数采取分阶段测量试件3变形和受力的方法：在自然暴露实验的初期，根据各个荷载阶梯的持续时间(见附图6)，采取确保每个荷载阶梯作用时间内测试1次、连续测量2个月的方法；2个月后，按照气温和湿度的变化规律，采取每天在最低和最高气温的时点各测量1次的方法，测量试件的变形和受力情况。在测量时，记录当时的受力、应变、位移、温度、湿度和盐度等物理参量。其中，试件3的挠度由位于试件3跨中底部的位移计11测试；应变由粘贴于试件3受拉部位的数显式应变计10(外贴式单弦智能型应变计，测量精度为2με)测试；试件3的受力由液位传感器4测量；温度、湿度和盐度分别由温度湿度计和盐度计测量。
(6)海水浓度控制。水池15中的人工海水按照珠江几个主要入海口(虎门、崖门、磨刀门)附近海域在4个季节的盐度变化情况(实测数据)设定为：2％，1％，2％，3％，并按照每周调整1次的方法进行控制，即水池15中的盐水每周补充一次，并测定其盐度，当盐度偏离设定值时，通过调整盐量或水量进行调节，直至其达到设定值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，其特征在于：包括若干条长条形的试件、平行设置的两条地梁、加载水箱以及控制装置，若干条试件放置于两条地梁上，两条地梁之间的距离与试件的长度相适应，试件的底部中间位置设有数显式应变计和位移计，试件的上方设有加载水箱，加载水箱与试件之间设有两个平行设置的加载头，加载水箱内侧底部设有液位传感器，加载水箱设有进水管和出水管，进水管上设有进水电磁阀，出水管上设有出水电磁阀。
2.按照权利要求1所述的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，其特征在于：加载头为圆柱形加载头，加载头与试件之间为线接触。
3.按照权利要求1所述的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，其特征在于：地梁朝向试件的一侧为圆柱面。
4.按照权利要求1所述的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，其特征在于：试件的下方还设有水池，水池连接水泵，水池内注有含盐量与海水相同的盐水，加载水箱、试件和水池上方设有能够遮挡雨水的挡雨装置。
5.按照权利要求1所述的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，其特征在于：加载头为实心圆钢柱，加载头焊接于加载水箱底面。
6.变幅荷载下构件的自然暴露实验***，其特征在于：包括若干个权利要求1至5中任意一项所述的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置，还包括储水装置、控制器、供水水泵、排水水泵、主进水管道和主出水管道，每个加载水箱的进水管均连接于主进水管道，每个加载水箱的出水管均连接于主出水管道，主进水管道和主出水管道均与储水装置连通，供水水泵设置在主进水管道上，排水水泵设置在主出水管道上，供水水泵、排水水泵、进水电磁阀和出水电磁阀与控制装置电连接。
7.按照权利要求6所述的变幅荷载下构件的自然暴露实验***，其特征在于：若干个变幅荷载下构件的自然暴露实验装置呈矩形阵列排布。
8.变幅荷载下构件的自然暴露实验方法，其特征在于：首先设定多级阶梯的变幅荷载谱，采取分阶段测量试件变形和受力的方法：在自然暴露实验的初期，根据各个荷载阶梯的持续时间，采取确保每个荷载阶梯作用时间内测试一次、连续测量两个月的方法；两个月后，按照气温和湿度的变化规律，采取每天在最低和最高气温的时点各测量一次的方法，测量试件的变形和受力情况，在测量时，记录当时的受力、应变、位移、温度、湿度和盐度等物理参量。
9.按照权利要求8所述的变幅荷载下构件的自然暴露实验方法，其特征在于：变幅荷载的设定是根据实际装备或结构承受的荷载，采用人工或检测***自动采集的荷载数据，应用损伤等效原理，经过统计分析，得到能够反映实际荷载特征、并能数值模拟的典型荷载谱，再将其简化为多级阶梯的变幅荷载谱，然后，采用实际结构与试件所承受荷载等效的方法，确定试件所承受各级荷载的大小及频次。
10.按照权利要求9所述的变幅荷载下构件的自然暴露实验方法，其特征在于：荷载施加、监测及控制方法，是将对试件拟施加的荷载即变幅荷载谱编入控制软件，由控制器发出数值信号，指令供水水泵、排水水泵、进水电磁阀、出水电磁阀工作以实现加载，荷载由液位传感器监测并将控制信号发给控制器，再由控制器发出指令使供水水泵、排水水泵、进水电磁阀、出水电磁阀工作。
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