荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置的制作方法

本发明属于一种结构材料耐久性试验装置，特别涉及荷载与环境长时间耦合作用下对试件的力学性能测试试验的装置。

背景技术：

随着建筑行业的发展，混凝土结构的运用也涉及到人类生活的方方面面，而近些年来由于混凝土结构耐久性不足而导致的事故不断增多，混凝土耐久性的问题也越来越被人们关注，特别是在一些重大工程，比如大坝、桥梁、港口等以及一些高层建筑物，这些结构在没有达到设计年限就破坏了，造成巨大经济损失和人员伤亡。

虽然有关混凝土结构耐久性的研究有几十年，相关研究成果也有不少，但很多研究主要考虑环境因素，而忽略其他因素，比如荷载因素。很多结构所处的环境比较复杂，对结构有很高的要求。例如沿海地区常年处于氯盐环境，结构受到严重的氯盐侵蚀，同时也有结构自身承受的荷载；酸雨地区结构不仅要满足荷载的要求，还要考虑硫酸的侵蚀；河流中的桥梁，不仅要承受来往的车辆的动荷载，同时还要考虑水对钢筋的锈蚀。随着人类社会的发展，对一些复杂的环境的开发，越来越多的结构不仅仅考虑单一的因素对其耐久性的影响，还必需考虑多因素的耦合作用。实际工程中，只考虑单一的环境因素是不全面的，无法真正的反应结构的实际情况，这样会产生隐患，所以对混凝土结构的耐久性的研究，考虑的应该是应力与不同环境共同作用下的，考虑的因素应是多因素的，至少是双因素。同时多因素对混凝土的影响也不是简单的叠加，不同因素会相互影响，更加剧了混凝土结构的破坏。如何更好地模拟实际工程中混凝土结构的耐久性是一个值得研究的问题。为了解像钢筋混凝土这类材料在恶劣环境下的特性，需要在恶劣环境下测试其力学性能，以及测试恶劣环境中荷载变化对材料或试件的力学性能影响。

研究混凝土在多因素共同作用下的耐久性问题，最主要的难点就是要建立一个能够同时进行多因素试验的方法，它包括试验环境以及荷载的加载方式。从实际的工程出发，钢筋混凝土结构无论处于什么复杂的环境，均是在承载状态下工作和运行的。所以，研究环境与荷载共同作用下混凝土的耐久性具有重要的研究意义和应用价值。在建立上述试验方法时，首先要考虑一下几点：第一，设计的加载方式要能够提供满足条件、准确的荷载作用；第二，设计的加载方式要能够提供可随时变化的荷载作用；第三，试验的数据要能够快速、准确的收集。

国内外对多因素共同作用下耐久性研究相对较少，阅读相关文献资料，总结后发现相关的加载装置所进行的试验均是受弯破坏。其主要原因有：①进行受拉破坏的试验装置一般都比较大，所需的试验空间较多，与环境因素结合起来困难，这使试验装置的设计和加工非常困难；②受拉破坏的试验操作难度大，试验中很容易出现偏心现象，这使实验结果不稳定，具有较大离散性；③考虑荷载因素与环境因素同时作用，一般的加载方法无法满足拉压破坏的要求，比如预应力加载。综合已有的文献资料，相关的多因素共同作用下混凝土耐久性试验的加载装置可以分为三种类型：1)利用杠杆原理的荷载加载方式；2)利用扭力扳手设计的加载方式；3)根据虎克定律利用弹簧设计的加载方式。这三个加载的方法各有优缺点，其中利用杠杆原理的加载方式的优点是操作简单，但缺点也很明显，这种方法所需的空间很大，对于一些复杂环境很不适用，比如腐蚀环境等；对于扭力扳手设计的加载方式，优点是体积较小，便于放在环境箱中，对于一些复杂环境也能够很好的适用，但缺点是这种方式的精度不够，不能够准确控制加载力的大小，而且在长时间的试验中会出现力的损失；对于利用弹簧的加载方式，优点是体积小，原理简单，操作方便，缺点是弹簧在使用后会有一定的松弛，出现荷载作用的损失。此外，上述装置还有一个突出的问题，那就是一旦荷载作用施加完毕，将试件放入耐久性实验装置后，就很难再对荷载作用进行调整。

针对上述几种加载方式的问题，研制一种能够随时独立施加荷载且与环境箱能很好匹配的混凝土耐久性装置，在混凝土耐久性研究中具有重要的应用价值，前景十分广阔。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种用于不同环境中测试试件的耐久性能和测试荷载变化对不同环境试件耐久性能影响的试验装置。主要解决了力加载和侵蚀环境作用的相互独立作用。发明的装置可以对试验过程中的荷载作用及氯离子侵蚀环境分别或同时调整，从而实现在可变荷载作用下模拟不同环境中试件受力性能测试。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置，其特征在于，所述试验装置包括一个模拟环境的工作舱、加载夹具、试件、内部传力装置、外部传力装置、内部支撑、外部支撑、千斤顶、反力架以及测试系统；其中外部支撑固定在大地上，工作舱安放在外部支撑上，工作舱内设置盐雾喷头、湿度测试仪以及氯离子含量测试仪，用于模拟和控制舱内环境对试件的氯离子侵蚀作用；内部传力装置连同加载夹具和试件，安放在工作舱内的内部支撑上，并通过内部传力装置穿出孔洞与外部传力装置连接；外部传力装置与千斤顶以及反力架相连；通过开启千斤顶，反力架将千斤顶引起的顶升力传递给外部传力装置，进而将力传递给内部传力装置和加载夹具并最终传递给试件，从而实现对工作舱内试件施加荷载，整个过程中通过测试系统完成试件在多因素共同作用下的耐久性性能测试。

进一步地，所述的荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置，其特征在于：试验装置的测试系统由传感器、测试导线、数据量测和记录装置组成，数据量测和记录装置通过测试导线与试件上的传感器相连接。由此带来的技术效果是：传感器布置在测试的试验构件上，测试导线通过测试孔将测试信号与工作舱外的测试电路和数据采集仪相连，由此观测试件在荷载及侵蚀环境耦合作用下的力学性能退化情况。

进一步地，所述的荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置，其特征在于：所述千斤顶为液压千斤顶。由此带来的技术效果是：力的加载由液压系统实现，由于采用千斤顶，既可以实现荷载恒定状态，也可以轻松改变荷载的大小，不影响环境因素对试件的力学性能作用。

进一步地，所述的荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置，其特征在于：盐雾喷头位于工作舱的箱壁上部，氯离子含量测试仪和湿度测试仪位于工作舱的右侧上部区域。

进一步地，所述的荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置，其特征在于：试件穿过加载夹具安放在内部支撑上，内部支撑通过内部支撑柱穿出孔洞支撑在防腐支座上，并在防腐支座和内部支撑柱穿出孔洞之间设有隔离层，内部传力装置通过内部传力装置穿出孔洞与外部传力装置相连接。由此带来的技术效果是：外部传力装置穿过设置隔离层的工作舱孔道与内部传力装置连接并传力，隔离层用于隔断内外部环境的相互影响，实现外部传力装置、千斤顶以及反力架均在常规环境工作，工作舱内的环境对其不产生影响，同样荷载变化也不会对工作舱内环境产生影响。在试验过程中对荷载与环境侵蚀作用可以同时改变，也可单独改变。

进一步地，所述的荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置，其特征在于：还包括压力传感器，压力传感器安放在外部传力装置的底板上，千斤顶放置在压力传感器上部，反力架位于千斤顶的上方，穿过外部传力装置后与反力架支座相连接。

进一步地，所述的荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置，其特征在于：加载夹具为受弯加载夹具，在内部传力装置上端头的上部，通过一个套杆相连接；受弯加载夹具由四根拉杆和四个中间凸出的钢块组成，拉杆两端加工出螺纹，钢块两端加工出上下贯穿的孔洞，用于穿过拉杆；在钢块的中间凸出的半圆中加工出圆形孔径，用于安放套杆；套杆下部穿过内部传力装置的端头和受弯加载夹具下部，将荷载传递到受弯加载夹具上，套杆上部直接和试件接触，将荷载传递到试件上。

进一步地，所述的荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置，其特征在于：加载夹具为轴拉加载夹具，由U型夹头和带半圆形端头的钢柱组成，U型夹头由一个钢块加工而成，两边向中间倾斜，形成一定角度，用于固定试件，底部与受拉钢柱连接在一起，钢柱底部的端头加工出圆形孔洞，用于安放套杆，套杆穿过内部传力装置的端头和轴拉加载夹具下部端头，将荷载传递到轴拉加载夹具上，轴拉加载夹具直接和试件接触，将荷载传递到试件上。

进一步地，所述的荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置，其特征在于：内部传力装置由上端头、拉杆、下端头组成，其中上端头由整个钢块加工出U型凹槽端头，在端头两边以及底部开出圆孔，左右两边的孔洞用于穿过受弯加载夹具下部的套杆，下部孔洞连接内部传力装置的拉杆，拉杆的上端加工出螺纹，穿过端头后拧上螺帽，下端与内部传力装置的下端头焊接在一起，下端头是有四块钢板焊接在拉杆上形成的，呈十字形。

进一步地，所述的荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置，其特征在于：外部传力装置由四个两端开孔的钢块和四个两端开孔的长条形厚钢板组成，每两个套杆先穿过两个钢块的端头圆孔，形成四边形结构，再将两端开孔的长条形厚板分别将四边形结构对应角处的套杆连接起来，形成类似一个立方体的结构。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点和效果是：

1、本发明解决了以前类似的试验装置无法同时或独立灵活调整环境和荷载问题。类似的试验装置在处理两者之间变化时比较困难。本发明的试验装置在环境变化时不影响荷载施加，荷载施加时不影响环境作用，因此两者变化相互独立，共同作用。

2、本发明试验装置在试验过程中，在改变环境或施加荷载时不必移动试验构件或试验构件的环境，保证了试验结果的准确性。

3、类似的试验装置主要是进行试件试验，本发明的试验装置可进行构件试验。构件的尺寸远远大于试件的尺寸。在尺度上与实际构件在同一量级。

4、测试系统可以测试在不同环境和荷载改变过程中，构件上的一些力学响应的过程曲线。便于实时研究耦合作用下构件的耐久性能及荷载对构件的耐久性能的影响。

附图说明

图1为对受弯试件加载及测试的耐久性试验装置的结构示意图。

图2为对轴拉试件加载及测试的耐久性试验装置的结构示意图。

图3为受弯加载夹具与内部传力装置上端头的连接示意图。

图4为轴拉加载夹具与内部传力装置上端头的连接示意图。

图5为内部传力装置详图。

图6为外部传力装置详图。

图7为内部支撑柱脚与外部支撑装置之间的支承连接剖视图。

附图中各部件的标记如下：

1：工作舱；2：加载夹具；3：试件；4：内部支撑；5：内部传力装置；6：隔离层；7：外部传力装置；8：防腐支座；9：传感器；10：测试导线；11：数据量测和记录装置；12：盐雾喷头 13：数据采集系统支撑；14：外部支撑；15：内部传力装置穿出孔洞；16：内部支撑柱穿出孔洞；17：测试导线穿出孔洞；18：氯离子含量测试仪；19：加热管；20：反力架；21：千斤顶；22：压力传感器；23：反力架支座；24：湿度测试仪；25：大地。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

如图1、图2所示，本发明的试验装置包括：工作舱1、加载夹具2、试件3、内部支撑4、内部传力装置5、隔离层6、外部传力装置7、防腐支座8、传感器9、测试导线10、数据量测和记录装置11、盐雾喷头12、数据采集系统支撑13、外部支撑14、内部传力装置穿出孔洞15、内部支撑柱穿出孔洞16、测试导线穿出孔洞17、氯离子含量测试仪18、加热管19、反力架20、千斤顶21、压力传感器22、反力架支座23和湿度测试仪24。

其中外部支撑14固定在大地25上，工作舱1安放在外部支撑14上，数据量测和记录装置11安置在数据采集系统支撑13上，通过测试导线10与试件上的传感器9相连接；盐雾喷头12位于工作舱1的箱壁上部，氯离子含量测试仪18和湿度测试仪24位于工作舱1的右侧上部区域，加热管19位于工作舱1的右侧下部区域，试件3穿过加载夹具2安放在内部支撑4上，内部支撑4通过内部支撑柱穿出孔洞16支撑在防腐支座8上，并在防腐支座8和内部支撑柱穿出孔洞16之间设有隔离层6，内部传力装置5通过内部传力装置穿出孔洞15与外部传力装置7相连接，压力传感器22安放在外部传力装置7的底板上，千斤顶21放置在压力传感器22上部，反力架20位于千斤顶21的上方，穿过外部传力装置7后与反力架支座23相连接。

如图3所示，受弯加载夹具2在内部传力装置5上端头的上部，通过一个套杆相连接。该部位主要先由一个钢块加工成U型凹槽端头，在U型凹槽端头两边以及底部开出圆孔，左右两边的孔洞用于穿过受弯夹具下部的套杆，与受弯加载夹具2构成一个整体；下部连接内部传力装置5的拉杆，拉杆的上端加工出螺纹，穿过端头后拧上螺帽。受弯加载夹具2由四根拉杆和四个中间凸出的钢块组成，拉杆两端加工出螺纹，钢块两端加工出上下贯穿的孔洞，用于穿过拉杆；在钢块的中间凸出的半圆中加工出圆形孔径，用于安放套杆。下部套杆穿过内部传力装置5的端头和受弯加载夹具2下部，将荷载传递到受弯加载夹具2上，上部套杆直接和试件3接触，将荷载传递到试件3上。

如图4所示，轴拉加载夹具2由U型夹头和带半圆形端头的钢柱组成，U型夹头由一个钢块加工而成，两边向中间倾斜，形成一定角度，用于固定试件3。底部与受拉钢柱连接在一起，钢柱底部的端头加工出圆形孔洞，用于安放套杆。套杆穿过内部传力装置5的端头和轴拉加载夹具2下部端头，将荷载传递到轴拉加载夹具2上，轴拉加载夹具2直接和试件3接触，将荷载传递到试件3上。

如图5所示，内部传力装置5由上端头、拉杆、下端头组成。其中上端头由整个钢块加工出U型凹槽端头，在端头两边以及底部开出圆孔，左右两边的孔洞用于穿过受弯加载夹具2下部的套杆，下部孔洞连接内部传力装置的拉杆，拉杆的上端加工出螺纹，穿过端头后拧上螺帽，下端与内部传力装置的下端头焊接在一起，下端头是有四块钢板焊接在拉杆上形成的，呈十字形。

如图6所示，外部传力装置7由四个两端开孔的钢块和四个两端开孔的长条形厚钢板组成，每两个套杆先穿过两个钢块的端头圆孔，形成四边形结构，再将两端开孔的长条形厚板分别将四边形结构对应角处的套杆连接起来，形成类似一个立方体的结构。反力架20的上端穿过外部传力装置7，下端深埋在大地25中。

如图7所示，内部支撑4柱脚与外部支撑装置14之间设有防腐垫层8，避免工作舱1内部腐蚀性物质流出将外部支撑14腐蚀，隔离层6主要用于避免试验箱内部腐蚀性物质从内部支撑4柱穿出孔洞流出。

下面例举实例以说明本发明的荷载与环境耦合作用下试件耐久性试验装置的操作及使用情况。

实例1：多因素环境下对试件进行受弯加载试验

对受弯试验构件加载及测试的耐久性试验装置如图1所示。具体实现步骤为：

(1)将受弯试件3用受弯加载夹具2套好，受弯加载夹具详见图3。在试件3上布置数据量测和记录装置1，相应测试导线10通过孔洞17伸出，与数据量测和记录系统11相连。打开试验装置工作舱1，将受弯试件3及加载夹具2安放于工作舱1内指定位置；(2)将加载夹具2与内部传力装置5上端头通过套杆连接(详见图5)，关闭工作舱1；(3)开启千斤顶21，依据传感器9调节千斤顶21的顶升力，通过反力架20将力传导到外部传力装置7(详见图6)，通过孔洞15，进而将力传递给内部传力装置5，最终通过夹具2传递给试件3形成跨中集中力，此时试件3承受三点弯荷载作用；试件3两端支座反力则由内部支撑4提供，内部支撑4柱通过穿出孔洞16穿过工作舱1支承在橡胶支座8上，从而将支反力传递给环境试验箱支撑14，并最终传递给大地25。整个传力路径避开工作舱，避免了施加力荷载对工作舱1的影响。(4)通过调节环境系统加热管19，控制箱内温度，调节盐雾喷头12喷射盐雾，通过氯离子含量测试仪18以及湿度测试仪24监控箱内氯离子含量及湿度。实现控制氯离子含量达到指定含量，环境湿度达到指定湿度，此时由于工作舱1的内部传力装置5与外部传力装置7之间、内部支撑4与环境试验箱支撑14间分别加设了防腐隔离层6(详见图7)，从而保证工作舱1与外部环境隔离，避免工作舱1内部腐蚀性物质流出。(5)整个试验过程中，利用数据量测和记录系统11，可以实时获得在指定荷载作用及环境影响下，试件3不同测点位置处的力学性能变化情况。

实例2：多因素环境下对试验构件进行轴拉加载试验

对轴拉试验构件加载及测试的耐久性试验装置如图2所示。具体实现步骤为：

(1)将轴拉试件3用轴拉加载夹具2套好，轴拉加载夹具详见图4。在试件3上布置数据量测和记录装置1，相应测试导线10通过孔洞17伸出，与数据量测和记录系统11相连。打开试验装置工作舱1，将受弯试件3及加载夹具2安放于工作舱1内指定位置；(2)将加载夹具2与内部传力装置5上端头通过套杆连接(详见图5)，关闭工作舱1；(3)开启千斤顶21，依据传感器9调节千斤顶21的顶升力，通过反力架20将力传导到外部传力装置7(详见图6)，通过孔洞15，进而将力传递给内部传力装置5，最终通过夹具2传递给试件3形成轴向集中力，此时试件3承受轴拉荷载作用；试件3的支座反力则由内部支撑4提供，内部支撑4柱通过穿出孔洞16穿过工作舱1支承在橡胶支座8上，从而将支反力传递给外部支撑14，并最终传递给大地25。整个传力路径避开工作舱，避免了施加力荷载对工作舱1的影响。(4)通过调节环境系统加热管19，控制箱内温度，调节盐雾喷头12喷射盐雾，通过氯离子含量测试仪18以及湿度测试仪24监控箱内氯离子含量及湿度。实现控制氯离子含量达到指定含量，环境湿度达到指定湿度，此时由于工作舱1的内部传力装置5与外部传力装置7之间、内部支撑4与外部支撑14间分别加设了防腐隔离层6(详见图7)，从而保证工作舱1与外部环境隔离，避免工作舱1内部腐蚀性物质流出。(5)整个试验过程中，利用数据量测和记录系统11，可以实时获得在指定荷载作用及环境影响下，试件3不同测点位置处的力学性能变化情况。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。