荷載耦合作用下混凝土受彎構件加載裝置評價

張廣泰, 陳柳灼， 李 悅， 陳彪漢， 王 騏， 崔 翔

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

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荷載耦合作用下混凝土受彎構件加載裝置評價

張廣泰, 陳柳灼， 李 悅， 陳彪漢， 王 騏， 崔 翔

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

通過對國內外學者為進行混凝土受彎構件在荷載耦合作用下的耐久性研究而制作的混凝土劣化加載裝置進行分類，分為杠桿類加載裝置、螺母類加載裝置、彈簧類加載裝置及機械自動化類加載裝置。對每種加載設備在使用中對試件尺寸和加載空間的要求，對試件截面的損傷程度、施力的精準程度、持力的穩定程度、系統耐久程度、再次利用程度以及適用范圍、性價比等方面綜合分析。評價每種加載裝置的優缺點，認為彈簧類加載裝置的綜合性能較優于其他三類加載裝置，可為在荷載耦合作用下混凝土受彎構件耐久性方面研究的學者就荷載的施加方法提供一定的參考作用。

受彎構件； 耐久性； 耦合作用； 加載裝置

0 引 言

目前，對混凝土的性能評定不僅僅只取決于其工作性能和力學性能，隨著人們越來越重視壽命周期的成本分析，耐久性評價已成為決定混凝土組成與成分合適與否的重要標準[1]。

造成混凝土結構耐久性不足的因素可分為內因和外因兩方面。其中內因包括水泥品種及用量、水灰比、骨料品種及粒徑、外加劑用量、堿骨料反應、混凝土的密實度和保護層厚度等；外因包括混凝土生產澆筑工藝和所處的使用環境兩方面內容。其中生產澆筑工藝方面包括水泥拌合物的離析、泌水、為提高早期強度而增大水泥用量、混凝土的振搗和養護等；所處的環境方面包括環境溫度、濕度、磨損、風化、應力水平和腐蝕介質等。以上原因很可能會引起混凝土的凍融破壞，鋼筋銹蝕以及環境水和鹽類侵蝕等。

目前，對于耐久性研究多是參考相應的耐久性規范，研究單因素變量對混凝土性能的影響，對多因素耦合作用下混凝土的耐久性研究較少。但是，混凝土結構往往很少在單因素作用下，而是在荷載、凍融循環、冷熱干濕交替、化學腐蝕等多種因素耦合作用下。并且，這種耦合作用對混凝土結構造成損傷程度遠大于各個單因素作用的簡單疊加[2]，即“超疊加效應”。

在我國，多因素耦合作用研究甚少的原因可歸納為以下4個方面：①《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中僅規定了單因素試驗的方法，對多因素耦合試驗未做提及；②沒有成套統一的多因素耦合的試驗裝置，各學者均采用自己的試驗手段、加載方法及循環制度，所得結論不能作為對比；③表征多因素耦合作用下的混凝土損傷參數沒有統一的標準；④基于多因素耦合的試驗結果較難建立統一的混凝土結構損傷模型和壽命預測模型。

筆者針對第2個方面的問題，綜合對比了幾類荷載與環境耦合作用采用的加載裝置，分析了各類加載裝置的優缺點，為研究混凝土受彎構件耐久性的學者提供一定的參考依據。

1 加載裝置的應用現狀

目前，不少國內外學者依據自己的試驗要求與設備限制設計制作了多種加載裝置，并在進一步的完善。這些加載裝置主要可分為以下幾類：

(1) 杠桿類加載裝置。利用杠桿平衡原理設計出的加載裝置即為杠桿類加載裝置。早在1986年，Schneider等就設計了4點加載杠桿裝置[3]，見圖1。該加載裝置通過改變配重大小或杠桿臂的長短來控制施加的荷載，在不同時間測量混凝土的強度發展，得出化學力和力化學兩種情況下的影響，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。另一種杠桿加載裝置是由Klaus-Christian Werner設計的單杠桿三點加載裝置[4]，見圖2。該試驗裝置分析了一系列試件在不同溶液浸泡后的電子化學特性，試件尺寸為10 mm×10 mm×60 mm。

圖1 Schneider設計杠桿加載裝置示意圖

圖2 Klaus-Christian Werner設計杠桿加載裝置示意圖

Kader Laoubi等設計了一種適用于所有耐久性情況的加載裝置[5]，見圖3。該加載裝置可以在水溶液、堿溶液、鹽溶液浸泡，凍融循環，低溫高溫情況下加載，通過移動配重控制荷載的大小。

我國林毓梅采用雙杠桿的加載裝置[6](見圖4)。研究了混凝土在硫酸鹽溶液中的應力腐蝕，試件尺寸為90 mm×100 mm×400 mm。另外，張偉平等也設計了基于二次杠桿作用的加載裝置[7]，見圖5。該試驗裝置可一次性加載6根梁，且梁的尺寸可以改變。

圖3 Kader Laoubi設計杠桿加載裝置示意圖

1-雙杠桿加荷構架，2-試件，3-法碼，4-調節螺桿

圖4 林毓梅設計杠桿加載裝置示意圖

(2)螺母類加載裝置。螺母類加載裝置是指通過擰固螺桿上的螺母施加荷載。Gowripalan于2000年制作了一套三點加載裝置[8](見圖6)，研究了在彎曲裂縫產生后力對拉、壓區氯離子擴散系數的影響，試件尺寸為90 mm×100 mm×650 mm。Shahama等為了研究普通混凝土和高性能混凝土在不同加載方式下氯離子誘導產生的腐蝕產物的組成與分布，設計制作了如圖7的加載裝置[9]，此裝置為豎直放置，一端施力的3點加載裝置。既可以通過擰固插入頂部支架螺紋桿上的螺母施加靜載，也可以通過依附在支架上的氣缸提供脈沖施加動載，構件尺寸為70 mm×120 mm×1 200 mm。

1-斜撐a，2-嵌固梁，3-螺桿，4-杠桿梁b，5-杠桿梁a，6-分配梁，7-碼碼吊盤，8-鋼板b，9-百分表支架，10-斜撐b，11-受彎試件，12-鋼板a，13-反力梁

圖5 張偉平設計杠桿加載裝置示意圖

圖6 Gowripalan設計螺母加載裝置示意圖

圖7 Shahama設計螺母加載裝置示意圖

我國張德鋒為研究不同水灰比與不同應力水平情況下混凝土碳化速率的變化，制作了如圖8的加載裝置[10]。該加載裝置為四點加載，并在螺母與混凝土接觸面上加了一塊鋼墊板，目的是為了減小螺母對混凝土面的應力集中，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試驗中用扳手擰固螺母以施加荷載，荷載的大小由貼于螺桿上的電阻應變片加以控制。何世欽制作了一種在氯化鈉溶液中加載的裝置[11]，見圖9。該裝置在靠近混凝土加載點的位置設置了輥軸支座，模擬力學模型中的線荷載，在輥軸支座的上方設置槽鋼以確保加載的均勻性。螺母與槽鋼的中間放有壓力環，壓力環與靜態電阻應變儀相連，控制加載的大小。東南大學的許崇法等人通過分析對比現有的加載裝置，自行制作了一種螺母類加載裝置[12]，見圖10。該加載裝置通過擰固單面的螺母利用自平衡體系實現加載，荷載的大小通過軸力傳感器控制。

圖8 張德鋒設計螺母加載裝置示意圖

圖9 何世欽設計螺母加載裝置示意圖

圖10 許崇法設計螺母加載裝置示意圖

我國李金玉等設計了可以對多個試件加荷的加載架[13]，見圖11。該裝置通過扭力扳手擰緊螺母，并通過扭力扳手的讀數控制施加的荷載。

圖11 李金玉設計螺母加載裝置示意圖

(3)彈簧類加載裝置。彈簧類加載裝置其實就是螺母類加載裝置的一種特殊形式，都是通過擰固螺母以增加施加在梁上的荷載，但彈簧類加載裝置施加力的大小是通過胡克定律測量彈簧的壓縮量來控制。利用此類裝置的學者較多，研制出的加載裝置也各具特色，故許多文獻中都將此類加載裝置單獨作為一類加載系統。不同學者采用的彈簧種類也不盡相同，如壓縮彈簧、蝶形彈簧等等。

孫偉[14]采用了如圖12的彈簧加載裝置進行了凍融和荷載共同作用下混凝土的損傷分析。劉建忠等[15-17]均利用此加載裝置分別進行了荷載與鹽溶液、荷載與干濕循環、荷載與碳化等條件耦合作用的研究。

郉鋒等為了同時進行大量試驗，在上述加載裝置的基礎上進行了改進[18]，見圖13。3個為一組的試驗梁上下背立疊放后置于容器中，以研究荷載作用對氯離子滲透性的影響，試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm。

圖12 孫偉設計彈簧加載裝置示意圖

圖13 郉鋒設計彈簧加載裝置示意圖

付傳清自行設計了一套適用于尺寸較大梁的彈簧加載裝置[19]，見圖14。試驗梁兩兩背對疊放，通過彈簧加載，并通過穿入混凝土梁預留洞的對拉螺桿進行持載，構件尺寸為100 mm×160 mm×1400 mm。

萬小梅在考慮荷載與氯鹽溶液、荷載與氯鹽溶液在干濕循環作用下、荷載在海邊暴露三種情況下自行設計了一套彈簧類加載裝置[20]，見圖15。此加載裝置分為普通型和便攜型兩種類型，該加載裝置利用螺桿為加載彈簧提供了定向作用。

圖14 付傳清設計彈簧加載裝置示意圖

(a)普通型(b)便攜型

圖15 萬小梅設計彈簧加載裝置示意圖

(4)機械自動化類加載裝置。為了確保加載的機械自動化和持載的穩定性，許多學者又考慮到使用千斤頂、電動推桿等儀器進行混凝土梁的加載。

黃鵬飛等為模擬混凝土梁受彎曲應力、鋼筋銹蝕、凍融循環、除冰鹽腐蝕4個因素的協同作用，設計了一套四點彎曲加載架[21]，見圖16(a)。圖示C加載采用的是超矮型螺旋千斤頂，可以在狹小的快速凍融試驗箱內進行加載。還設計另一種千斤頂加載裝置[22]，見圖16(b)。該加載裝置模擬環境腐蝕與力學荷載的耦合,在中層鋼板與下層鋼板之間設螺旋千斤頂，通過上層鋼板下表面的荷載傳感器控制荷載。試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

劉揚等為研究超載與氯離子耦合作用下混凝土梁的抗彎性能，設計了一套由千斤頂加載的裝置[23]，見圖17。該加載裝置通過千斤頂給分配梁加載，通過傳感器和測力儀控制力的大小，構件尺寸為150 mm×250 mm×2000 mm。

A-餅形荷載傳感器，B-快凍快融試驗機，C-加載，D-荷載平衡塊，E-3%質量分數的NaCl溶液，F-不銹鋼槽，G-鋼筋混凝土試塊，G-防凍液，I-支座

圖16 黃鵬飛設計千斤頂加載裝置示意圖

圖17 劉揚設計千斤頂加載裝置示意圖

杜鵬等為在凍融箱內實現四點彎曲應力的加載，設計了一種依靠加載液壓頭的加載裝置[2]，見圖18。該加載裝置中試件豎直放置，依靠黏附于橡膠盒內部不銹鋼板上的突起提供4點加載時加載點的位置，通過應力傳感器控制加載的大小，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

1-混凝土試件，2-鋼板，3-橡膠盒，4-凍融箱，5-液壓壓頭，6-不銹鋼板，7-固定鋼架，8-應力傳感器

圖18 杜鵬設計液壓頭加載裝置示意圖

當然也有學者通過對上述加載裝置簡單的組合而研制出一些新型的加載裝置。如余紅發設計的彈簧與千斤頂組合的加載裝置[24]，見圖19。焦楚杰設計的彈簧與電動推桿組合的加載裝置[25]，見圖20。

另外，湖南大學、同濟大學等學者采用了依靠在混凝土梁上懸掛或堆積重物實現梁的三點、四點或均布加載，由于其在長期荷載作用下人為影響因素大，對梁的加載或需要很大的配重，或需要很長的時間，現實研究較少，在此不做贅述。

1-底板,2-鋼筋輥軸,3-試件,4-分配梁,5-標尺,6-彈簧,7-千斤頂,8-柱,9-鋼梁
圖19 余紅發設計加載裝置示意圖

1-試件,2-電動椎桿,3-支架,4-力傳感器
圖20 焦楚杰設計加載裝置示意圖

2 加載裝置的評價

2.1 試件尺寸和加載空間的限制

不考慮試驗耦合所需儀器的限制，如凍融循環所需的凍融箱、碳化試驗所需的碳化箱、需浸泡在溶液內等情況，只考慮裝置施加長期荷載作用，除Kader Laoubi和張偉平設計的杠桿類加載裝置，多數學者設計出的杠桿類加載裝置加載的試件尺寸都不能過大，有學者計算表明，對于40 mm×40 mm×160 mm的試件施加應力水平為50%的彎曲應力，杠桿臂長需要0.6 m[26]，會占用很大的平面空間。如果采取縮短杠桿臂的長度，增加配重的方法，會造成試驗結果不精確，且杠桿臂的減少程度有限。

螺母類、彈簧類、機械自動化類加載裝置基本上可以對較大尺寸的試件乃至構件進行加載，不占用較大空間，且多數學者均采用梁背立上下疊放，更有利于空間的利用。孫偉等設計的將加載架與試件分開的彈簧類加載裝置以及需要外部支架來固定加載儀器組合加載裝置，多數占用較大空間，也會限制試件的尺寸。

2.2 試件截面損傷程度

部分學者研制出的螺母類、彈簧類加載裝置，為了保持施力后荷載保持不變，通常采用在混凝土受彎構件端部預留孔洞，安裝對拉螺桿的方法，這樣不僅會損傷試件的截面，造成應力集中，而且與混凝土構件實際受力不符。故有學者采用施力后定期擰固螺母的方法[13]。還有學者采用了將加載架與試件分開或者如萬小梅設計的便攜式加載裝置，用彈簧加載后不卸載，依靠彈簧持力，對試件沒有損傷。

在需提高認識油茶苗木重要性，加大投入力度。從現狀中看到，容器苗和嫁接苗長勢比裸根苗良好，造林效果較好[10-11]。為此，在油茶造林中，最大限度地培育更多的容器苗和嫁接苗，使用容器苗和嫁接苗，加大在容器苗和嫁接苗的培育工作力度，這樣更有利于提高苗木的質量。

杠桿類、機械自動化類加載裝置一般不會對混凝土構件截面造成損傷。這些加載裝置一般在梁頂與梁底放置支座與分配梁以施加荷載，梁的根數增多時只需在外立面安裝鋼板固定即可。

2.3 施力的精準程度

杠桿類加載裝置一般通過調整杠桿長度或者配重的大小控制施加力的大小，加載精度不高，且加載大小不能直接讀出，需要計算。

螺母類加載裝置可以通過安裝傳感器，通過讀數以控制加載的大小，但是大部分加載試驗以研究混凝土的耐久性為前提，所需時間長且需連續工作，傳感器的工作壽命達不到使用要求。且每套加載裝置安裝一套傳感器成本較高。或者通過應力扳手的扭矩大小、貼于螺桿上的電阻應變片的讀數控制加載力的大小，但精準程度都沒有傳感器高，且都需要公式換算得到施加力的大小。

彈簧類加載裝置通過測量彈簧的壓縮量，利用胡克定律計算施力的大小。但彈簧的勁度系數是事先通過壓力試驗機測得，在反算力和彈簧二次受壓時勁度系數的取值上都有一定的誤差，但誤差較小。

千斤頂類加載裝置一般通過傳感器的讀數判斷力的大小，加載精度較高。但余紅發和焦楚杰設計的組合加載裝置采用彈簧判斷施力大小，有一定誤差。

2.4 加載裝置的持力穩定程度

杠桿類加載裝置可以確保加載的穩定，但由于其加載空間大，且一般不需要工具的使用就可改變力的大小，易受人為因素的干擾。

螺母類、千斤頂類加載裝置由于緊固件應力松弛和混凝土徐變現象，其中混凝土的徐變影響較小，需要定期調節以保持加載的穩定性。

彈簧類加載裝置也會出現緊固件應力松弛現象。但是與螺母類對比小很多。例如，加載后兩者都認為螺母擰死摩擦系數很大，視為固端。對于螺母類加載裝置，假設螺桿彈性模量為210 GPa，長度為500 mm，直徑為20 mm，則螺桿變形1 mm所損失的力為132 kN。對于彈簧類加載裝置，如果使用壓縮彈簧，則彈簧變形1 mm所損失的力不到10 kN。在同樣變形下，螺母類加載裝置力的損失情況是彈簧類加載裝置的10倍多，故彈簧類加載裝置的持力穩定性較高。同時，彈簧類加載裝置的剛度可通過使用不同彈簧或者在使用蝶形彈簧時改變疊放方式和個數調節。但其可能會出現橫向失穩問題，需要導向桿。

千斤頂類加載裝置加載原理是千斤頂內的油缸體積變化，微小的體積就會產生很大的力。因此，在持載過程中，千斤頂內油缸體積的微小減少會損失很大的力，持載穩定性不高。

2.5 系統的耐久程度和再次利用

由于加載裝置多為金屬質地，為提高其耐久性以及適用范圍，一般都做防腐、防銹處理，但對于螺母類和彈簧類加載裝置，螺桿的絲口位置在反復施力過程中保護層會被破壞。同樣也可以通過提高材質要求，如采用低碳鋼、不銹鋼等來增加加載裝置的耐久性。

若試驗目的是研究浸泡條件和荷載耦合，則不論那種加載裝置，在長時間和多次使用后耐久性都會下降。但U.Schneider、Klaus-Christian Werner和林毓梅設計的杠桿類加載裝置，郉鋒設計的彈簧類加載裝置以及黃鵬飛設計的千斤頂類加載裝置都是將浸泡溶液與加載構件分開，對加載裝置的耐久性有一定程度的提高。還需注意，彈簧類加載裝置在使用過程中可能會出現剛度退化，產生塑性應變，彈簧壓縮量與荷載不再呈線性變化，但損失量很小，試驗過程中可忽略不計。

每一類加載裝置均可拆卸，方便再次使用。但再次使用時，杠桿類以及余紅發和焦楚杰設計的組合加載裝置安裝工序較復雜。除李金玉設計的螺母類以及彈簧類加載裝置可拆卸為成套的獨立加載系統，且占據空間較小，方便保存。

2.6 適用范圍

杠桿類加載裝置受溫度影響大，一般不能研究荷載與凍融、冷熱循環的耦合問題，在研究與溶液浸泡耦合問題上，也只能將試件置于溶液中，無法將整個加載裝置全部浸于溶液中，故只適用于小型試件。除專門研究荷載與凍融循環、碳化作用耦合外，一般的加載裝置尺寸較大，不能適用于凍融箱、碳化箱。

螺母類加載裝置不能適用于凍融箱，因為用扳手擰固的螺栓在凍融循環中可能會浸入水或者溶液，將引起螺栓摩擦系數的變化，摩擦系數微小的變化會造成很大的荷載變化[27]。

除Kader Laoubi和張偉平設計以外的杠桿類加載裝置、千斤頂類加載裝置，只能對一個試件進行加載，效率較低，成本較高。同時千斤頂的使用也會提高成本。故彈簧類加載裝置適用范圍較廣。

3 結 語

多因素耦合作用對混凝土結構的損傷程度往往不是單因素作用后損傷程度簡單的疊加，因此僅研究單一變量對混凝土耐久性的影響從而對混凝土結構服役期的劣化做出評價是不全面的。

荷載因素被普遍認為是研究耐久性必須考慮的因素之一，因此考慮荷載耦合作用下混凝土劣化的加載裝置尤為重要。本文單從混凝土受彎構件的角度出發，將目前國內外學者設計制作的加載裝置分為四類，即杠桿類加載裝置、螺母類加載裝置、彈簧類加載裝置以及機械自動化類加載裝置。

通過對四類加載裝置就可加載試件的尺寸、加載所需空間、試件截面損傷程度、施力的精準程度、持力穩定程度以及系統的耐久性、可循環性、適用性、性價比等方面綜合評定，推薦研究荷載耦合作用下的混凝土受彎構件耐久性的學者使用彈簧類加載裝置。

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Evaluation on the Loading Devices of Concrete Flexural Member Under Coupling Action of Loading

ZHANGGuang-tai,CHENLiu-zhuo,LIYue,CHENBiao-han,WANGQi,CUIXiang

(Civil Construction College, Xinjiang University, Urumchi 830047, China)

The classification of the concrete deterioration loading devices presented by foreign and domestic researchers can be divided into four categories, they are lever-loaded device, nuts-loaded device, spring-loaded device and automated machinery-loaded device. Comprehensive analysis contained the requirements of specimen size and loading space, the damage extent of concrete, the precision degree when force is applying, the stability degree when force is maintaining, durability of the system, reuse or not, scope and cost are given. The advantages and disadvantages of each loading device, spring-loaded device is considered the best. To provide the reference to the person who study of the durability of concrete flexural members under coupling action of loading.

flexural member; durability; coupling action; loading device

2015-10-29

國家自然科學基金資助項目(51568064)；新疆維吾爾自治區精品課程；新疆維吾爾自治區自然科學基金資助項目(2014211A006)

張廣泰(1963-)，男，新疆伊犁人，教授，碩士生導師，現主要從事新型材料與抗震加固研究。

Tel.：13899918692；E-mail：zgtlxh@126.com

TU 528.01

A

1006-7167(2016)08-0027-06