一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置

1.本实用新型涉及一种混凝土实验装置，具体涉及一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置。


背景技术：

2.混凝土结构的耐久性因涉及结构安全、经济和可持续发展，成为工程界关注的重点问题。影响混凝土结构耐久性的最突出问题是钢筋的腐蚀，而混凝土碳化是其中最为严重的一种。一旦碳化使得混凝土中微细孔及微裂缝中溶液的ph值降低到阈值，或钢筋周围的氯化物浓度超过某一阈值，混泥土中的钢筋将去钝锈蚀。钢筋锈蚀不仅减小了钢筋的有效面积，生成的锈蚀产物使钢筋体积膨胀，引起保护层开裂或脱落，导致混凝土结构抗渗性、抗腐蚀性、耐久性、及承载力下降，影响结构的正常使用性能。它会降低混凝土的抗渗性、抗腐蚀性以及耐久性，影响结构的正常使用性能。
3.箱梁具有截面抗弯、抗扭刚度大，收缩变形小等特点，在桥梁结构中得到了广泛使用。混凝土箱梁由于构件尺寸大、空间力学和构造效应突出，因梁体开裂导致的碳化问题变得更加突出，也是当前混凝土箱梁桥最主要的病害和亟待解决的世界难题。与实心截面梁相区别的是，箱梁受碳化和氯离子侵蚀的特征具有几何和力学的空间多维性。尽管导致病害的原因可从施工质量、养护管理、材料性质和超载等方面解释，但箱梁空间薄壁结构的构造和力学特征无疑为混凝土碳化问题增加了易发性和复杂性。混凝土在实际服役过程中，通常是各种破坏因素相互耦合引起耐久性能的下降。一般大气环境下，列车或汽车等动(使用)荷载作用和碳化是混凝土桥梁最常见、且最具有耦合性的腐蚀类型。此外，目前针对环境与荷载耦合作用下混凝土碳化问题的研究主要以实心截面梁为主，且多数主要集中在静载作用，而深入研究动荷载与环境耦合因素下混凝土箱梁的碳化劣化机理尚处于初始阶段。因此，研究在动荷载作用下混凝土箱梁的碳化规律具有重要意义。
4.桥梁结构的模型试验研究是桥梁工作者借以确定或探索复杂桥跨结构受力状态的重要手段。试验所采用的模型，是仿照实际结构按一定的比例缩尺而成，它具有实际结构的全部或部分特征。只要设计的模型满足相似条件，则通过模型试验所获得的结果可以直接推算到相似的原型结构上去。通过开展动荷载与环境耦合作用下混凝土碳化耦合实验，可掌握其腐蚀特性和劣化机理，进而从本质上解决混凝土箱梁的碳化问题，因此亟需开发一种实现混凝土箱梁受疲劳荷载与碳化腐蚀耦合的实验装置。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，该装置能有效实现碳化环境与动荷载耦合作用下混凝土箱梁的碳化实验，实验过程更加接近实际服役情况，且结构设计科学合理，实用性强，荷载施加方便、准确，实验结果准确、可靠，可在混凝土碳化领域推广使用。
6.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种实现动荷载作用下混
凝土箱梁碳化的实验装置，其特征在于，包括混凝土箱形截面梁、反力架、加载系统、测试系统、碳化环境模拟系统，所述反力架包括钢制底板、支撑杆、梁顶反力钢垫板、梁底支撑钢垫板、滚动支座、固定支座，所述钢制底板上连接有四根支撑杆，所述梁顶反力钢垫板和梁底支撑钢垫板分别沿混凝土箱形截面梁宽度方向滑动穿过支撑杆，所述梁底支撑钢垫板在底部通过螺母固定，所述梁顶反力钢垫板在顶部通过螺母固定，所述混凝土箱形截面梁通过挤压接触的方式设置于梁顶反力钢垫板和梁底支撑钢垫板之间。
7.优选地，所述加载系统包括伺服电动缸、伺服控制器、分配垫板，所述伺服电动缸通过焊接的方式紧固在钢制底板上表面中心位置，同时为防伺服电动缸探头直接作用于混凝土箱梁顶面而发生应力集中破坏，在所述混凝土箱形截面梁顶板表面与伺服电动缸探头之间采用挤压接触的方式设置了分配垫板。
8.优选地，所述测试系统包括应变测试元件、数据转换器、计算机，所述混凝土箱形截面梁底板外表面设置有一定数量的应变测试元件，用于实时采集实验过程中箱梁底板的应变数据，所述应变测试元件通过数据传输线与数据转换器相连，最后通过计算机转化为常用于判定混凝土箱梁是否发生破坏的应力结果。
9.优选地，所述碳化环境模拟系统包括碳化箱、二氧化碳储存罐、控制箱、温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、控制阀，所述二氧化碳储存罐通过气体管道依次与控制阀和碳化箱相连，所述反力架置于碳化箱内底板表面，所述温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器分别设置于碳化箱内顶面表面，用于实时采集实验过程中碳化箱内的温度、湿度及二氧化碳浓度数据。
10.优选地，所述梁底支撑钢垫板和梁顶反力钢垫板均由两个组成，两个梁底支撑钢垫板从左到右依次为第一梁底支撑钢垫板和第二梁底支撑钢垫板，两个梁顶反力钢垫板从左到右依次为第一梁顶反力钢垫板和第二梁顶反力钢垫板，为真实模拟箱梁在竖向荷载作用下的弯曲变形需求，第一梁底支撑钢垫板上表面设置有滚动支座，第二梁底支撑钢垫板上表面设置有固定支座。
11.优选地，为防止螺母在实验过程中发生松动或脱出，所述梁顶反力钢垫板顶面表面、梁底支撑钢垫板底面表面及钢制底板顶面表面与螺目之间均设置有弹簧垫片。
12.优选地，所述碳化箱前表面中下部设置有圆形孔道和锥形橡胶塞，所述锥形橡胶塞通过压塞的方式对圆形孔道进行密封，所述锥形橡胶塞中心设置有供加载系统和测试系统数据传输线通过的弹性孔。
13.优选地，所述碳化箱前左侧设置有箱门，箱门与碳化箱之间通过排铰合页和按压式弹簧锁扣相连，同时为便于在实验过程中对箱梁加载过程进行观测，在所述箱门中上部设置有观察窗。
14.优选地，所述按压式弹簧锁扣包括弹簧锁扣钩子和弹簧锁扣扣体，二者通过按压的方式对碳化使碳化箱和箱门进行紧固，为防止实验过程中弹簧锁扣发生松动，使二氧化碳气体流失，所述弹簧锁扣扣体中采用高强度弹簧。
15.优选地，为达到更好的密封效果，防止实验过程中二氧化碳气体的流失，在所述箱门与碳化箱之间设置有一圈密封橡胶条。
16.本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
17.1、本实用新型设计科学合理，操作方式简单，通过计算机可实现人机对话界面，突
出操作的直观性，能够真实反映施加在箱梁上动荷载大小和二氧化碳浓度值，实验模拟程度高，实用性好，可在混凝土碳化领域推广使用。
18.2、本实用新型通过应变测试元件、温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器，能实时反映碳化箱内部环境温度、湿度与混凝土箱梁底部动态应变值，可为动荷载作用下荷载水平、环境温度、环境湿度对混凝土箱梁碳化深度影响机理的研究提供依据。
19.3、本实用新型具有应用范围广、利用率高等优点，不仅能对混凝土箱形截面梁进行动荷载作用下的碳化实验，亦能对其他截面形式梁进行碳化实验，同时还能通过调节梁底支撑钢垫板底部的螺母高度实现具有不同主梁高度的箱梁或其他截面形式梁碳化实验。
20.4、本实用新型可通过碳化箱箱门上的观察窗对箱内混凝土箱梁加载过程进行实时观察，可有效避免因无法观察箱梁加载情况而导致实验失败的概率。
附图说明
21.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
22.图1是混凝土箱形截面梁加载结构示意图。
23.图2是混凝土箱形截面梁加载结构前视图。
24.图3是混凝土箱形截面梁加载结构
ⅰ‑ⅰ
刨面左视图。
25.图4是本实用新型的结构示意图。
26.图5是本实用新型的结构左视图
27.图6是本实用新型的结构透视图。
28.图7是混凝土箱梁跨中截面尺寸示意图。
29.图8是混凝土箱梁跨中截面测点布置示意图。
30.图9是混凝土箱梁底板外表面混凝土应力实测结果。
31.图10是混凝土箱梁顶板外表面混凝土碳化深度实测对比结果。
32.图11是混凝土箱梁底板外表面混凝土碳化深度实测对比结果。
33.附图标记说明：
34.图中：1—混凝土箱形截面梁；2—钢制底板；3—支撑杆；4—梁顶反力钢垫板；5—梁底支撑钢垫板；6—伺服电动缸；7—应变测试元件；8—滚动支座；9—固定支座；10—弹簧垫片；11—螺母；12—分配垫板；13—数据传输线；14—碳化箱；15—控制箱；16—二氧化碳储存罐；17—排铰合页；18—弹簧锁扣钩子；19—弹簧锁扣扣体；20—箱门；21—观察窗；22—圆形孔道；23—锥形橡胶塞；24—伺服控制器；25—数据转换器；26—计算机；27—控制阀；28—温度传感器；29—湿度传感器；30—二氧化碳浓度传感器；31—气体管道；32—密封橡胶条。
具体实施方式
35.如图1～图6所示，本实用新型包括混凝土箱形截面梁1、反力架、加载系统、测试系统、碳化环境模拟系统，所述反力架包括钢制底板2、支撑杆3、梁顶反力钢垫板4、梁底支撑钢垫板5、滚动支座8、固定支座9，所述钢制底板2上连接有四根支撑杆3，所述梁顶反力钢垫板4和梁底支撑钢垫板5分别沿混凝土箱形截面梁1宽度方向滑动穿过支撑杆3，所述梁底支撑钢垫板5在底部通过螺母11固定，所述梁顶反力钢垫板4在顶部通过螺母11固定，所述混
凝土箱形截面梁1通过挤压接触的方式设置于梁顶反力钢垫板4和梁底支撑钢垫板5之间。
36.如图1～图3所示，本实施例中所述加载系统包括伺服电动缸6、伺服控制器24以及分配垫板12，所述伺服电动缸6通过焊接的方式紧固在钢制底板上表面中心位置，所述分配垫板12采用挤压接触的方式设置于混凝土箱形截面梁1顶板表面与伺服电动缸6探头之间。
37.本实施例中，所述测试系统包括应变测试元件7、数据转换器25、计算机26，所述混凝土箱形截面梁1底板外表面布置有一定数量的应变测试元件7，并依次与数据传输线13、数据转换器25和计算机26相连。
38.如图4～图6所示，本实施例中所述碳化环境模拟系统包括碳化箱14、二氧化碳储存罐16、控制箱15、温度传感器28、湿度传感器29、二氧化碳浓度传感器30、控制阀27，所述碳化箱14内顶面表面设置有温度传感器28、湿度传感器29以及二氧化碳浓度传感器30，且均通过数据传输线13与控制箱15相连，所述二氧化碳储存罐16通过气体管道31依次与控制阀27和碳化箱14相连，所述反力架置于碳化箱14内底板表面。
39.所述梁底支撑钢垫板5和梁顶反力钢垫板4均由两个组成，两个梁底支撑钢垫板5从左到右依次为第一梁底支撑钢垫板和第二梁底支撑钢垫板，两个梁顶反力钢垫板4从左到右依次为第一梁顶反力钢垫板和第二梁顶反力钢垫板，第一梁底支撑钢垫板上表面设置有滚动支座8，第二梁底支撑钢垫板上表面设置有固定支座9。
40.本实施例中，所述梁顶反力钢垫板4顶面表面、梁底支撑钢垫板5底面表面及钢制底板2顶面表面与螺目11之间均设置有弹簧垫片10。
41.本实施例中，所述碳化箱14前表面中下部设置有圆形孔道22和锥形橡胶塞23，所述锥形橡胶塞23通过压塞的方式对圆形孔道22进行密封，所述锥形橡胶塞23中心设置有供加载系统和测试系统数据传输线13通过的弹性孔。
42.本实施例中，所述碳化箱14前左侧设置有箱门20，箱门20与碳化箱14之间通过排铰合页17和按压式弹簧锁扣相连，箱门20中上部设置有观察窗21。
43.本实施例中，所述按压式弹簧锁扣包括弹簧锁扣钩子18和弹簧锁扣扣体19，二者通过按压的方式对碳化使碳化箱14和箱门20进行紧固，为防止实验过程中弹簧锁扣发生松动，弹簧锁扣扣体中采用高强度弹簧。
44.本实施例中，所述箱门20与碳化箱14之间设置有一圈密封橡胶条32。
45.使用时，首先在实验室内浇筑混凝土箱形截面梁1，并养护之加载龄期。在实验加载时，首先根据混凝土箱形截面梁1的高度确定梁底支撑钢垫板5的位置，并做好标记，通过螺母11固定于支撑杆3标记位置，随后将滚动支座8和固定支座9分别安装在第一梁顶反力钢垫板和第二梁顶反力钢垫板的上表面，然后将养护后的混凝土箱形截面梁1置于滚动支座8和固定支座9正上方，并根据实验要求确定好混凝土箱形截面梁1的安装位置，紧接着将两个梁顶反力钢垫板4滑动穿过支撑杆3，并用螺母11固定在混凝土箱形截面梁1底板正上方，并在其表面布置应变测试元件7。在混凝土箱形截面梁1顶板与伺服电动缸6之间设置分配垫板12，待所有设备和元件安装完毕后，将测试系统和加载系统数据传输线13穿过锥形橡胶塞23中心的弹性孔，并通过压塞的方式对碳化箱14的圆形孔道22进行密封，然后将各数据传输线13分别与相对应的伺服控制器24、数据转换器25、计算机26相连。
46.实验开始时，可根据实验要求，通过控制箱15和伺服控制器24对碳化箱14内二氧化碳浓度和动荷载赋予初始值。实验过程中，可利用二氧化碳浓度传感器30和应变测试元
件7实时记录和监控实验过程中碳化箱14内的二氧化碳浓度和混凝土箱形截面梁1底部的动应变，当二氧化碳浓度或应变幅值低于或高于实验要求时，系统会通过控制阀27和伺服控制器24对二氧化碳浓度和动荷载值进行相应调节，然后重复过程直至实验结束。
47.实施例分析
48.以公路和铁路及市政桥梁中最常用的单箱单室混凝土箱梁截面梁为原型，根据相似性设计原理，设计了一批模型梁，并开展了动荷载作用下混凝土箱形截面梁碳化实验，混凝土箱形截面梁截面尺寸如图7所示，实验测点布置如图8所示。
49.图9为实验过程中混凝土箱梁底板外表面混凝土应力实测结果。
50.图10和图11分别为动荷载与碳化耦合作用下混凝土箱梁顶、底板外表面混凝土碳化深度实测值与仅碳化作用下混凝土碳化深度实测值的对比结果。
51.从图10和11可以看出，动荷载作用下混凝土箱形截面梁不同部位碳化深度表现出不同的变化规律，在混凝土箱形截面梁底板部位，动荷载作用加剧了混凝土的碳化，与仅碳化作用下混凝土碳化深度相比，动荷载与碳化耦合作用下碳化深度分别增大了6.7％、4.6％和4.3％，这是由于动荷载作用使混凝土箱形截面梁底板长期处于受拉状态，拉应力增大了混凝土内的孔隙，为二氧化碳进入混凝土内部通过了便捷通道，导致混凝土碳化深度增大。在混凝土箱形截面梁顶板部位表现出与底板相反的变化规律，与仅碳化作用相比，动荷载与碳化耦合作用下碳化深度分别减小了6.3％、3.6％、32.1％、26.7％和38％，这是由于动荷载作用使混凝土箱形截面梁顶板长期处于受压状态，导致混凝土内部原有孔隙在压应力作用下被压紧、挤密，减小了二氧化碳进入混凝土的通道，从而使得混凝土碳化深度减小。实验结果与预期目标吻合。
52.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制。凡是根据实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，包括混凝土箱形截面梁（1）、反力架、加载系统、测试系统、碳化环境模拟系统，其特征在于，所述反力架包括钢制底板（2）、支撑杆（3）、梁顶反力钢垫板（4）、梁底支撑钢垫板（5）、滚动支座（8）、固定支座（9），所述钢制底板（2）上连接有四根支撑杆（3），所述梁顶反力钢垫板（4）和梁底支撑钢垫板（5）分别沿混凝土箱形截面梁（1）宽度方向滑动穿过支撑杆（3），所述梁底支撑钢垫板（5）在底部通过螺母（11）固定，所述梁顶反力钢垫板（4）在顶部通过螺母（11）固定，所述混凝土箱形截面梁（1）通过挤压接触的方式设置于梁顶反力钢垫板（4）和梁底支撑钢垫板（5）之间。2.根据权利要求1所述的一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，其特征在于，所述加载系统包括伺服电动缸（6）、伺服控制器（24）以及分配垫板（12），所述伺服电动缸（6）通过焊接的方式紧固在钢制底板（2）上表面中心位置，所述分配垫板（12）采用挤压接触的方式设置于混凝土箱形截面梁（1）顶板表面与伺服电动缸（6）探头之间。3.根据权利要求1所述的一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，其特征在于，所述测试系统包括应变测试元件（7）、数据转换器（25）、计算机（26），所述混凝土箱形截面梁（1）底板外表面布置有一定数量的应变测试元件（7），并通过数据传输线（13）与数据转换器（25）和计算机（26）相连。4.根据权利要求1所述的一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，其特征在于，所述碳化环境模拟系统包括碳化箱（14）、二氧化碳储存罐（16）、控制箱（15）、温度传感器（28）、湿度传感器（29）、二氧化碳浓度传感器（30）、控制阀（27），所述碳化箱（14）内顶面表面设置有温度传感器（28）、湿度传感器（29）、二氧化碳浓度传感器（30），且均通过数据传输线（13）与控制箱（15）相连，所述二氧化碳储存罐（16）通过气体管道（31）依次与控制阀（27）和碳化箱（14）相连，所述反力架置于碳化箱（14）内底板表面。5.根据权利要求1所述的一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，其特征在于，所述梁底支撑钢垫板（5）和梁顶反力钢垫板（4）均由两个组成，两个梁底支撑钢垫板（5）从左到右依次为第一梁底支撑钢垫板和第二梁底支撑钢垫板，两个梁顶反力钢垫板（4）从左到右依次为第一梁顶反力钢垫板和第二梁顶反力钢垫板，第一梁底支撑钢垫板上表面设置有滚动支座（8），第二梁底支撑钢垫板上表面设置有固定支座（9）。6.根据权利要求1所述的一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，其特征在于，所述梁顶反力钢垫板（4）顶面表面、梁底支撑钢垫板（5）底面表面及钢制底板（2）顶面表面与螺母（11）之间均设置有弹簧垫片（10）。7.根据权利要求4所述的一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，其特征在于，所述碳化箱（14）前表面中下部设置有圆形孔道（22）和锥形橡胶塞（23），所述锥形橡胶塞（23）通过压塞的方式对圆形孔道（22）进行密封，所述锥形橡胶塞（23）中心设置有供加载系统和测试系统数据传输线（13）通过的弹性孔。8.根据权利要求4所述的一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，其特征在于，所述碳化箱（14）前左侧设置有箱门（20），箱门（20）与碳化箱（14）之间通过排铰合页（17）和按压式弹簧锁扣相连，箱门（20）中上部设置有观察窗（21）。9.根据权利要求8所述的一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，其特征在于，所述按压式弹簧锁扣包括弹簧锁扣钩子（18）和弹簧锁扣扣体（19），二者通过按压的方式对碳化使碳化箱（14）和箱门（20）进行紧固。
10.根据权利要求8所述的一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，其特征在于，所述箱门（20）与碳化箱（14）之间设置有一圈密封橡胶条（32）。

技术总结
本实用新型涉及一种实现动荷载作用下混凝土箱梁碳化的实验装置，包括混凝土箱形截面梁、反力架、加载系统、测试系统、碳化环境模拟系统，其特征在于，所述反力架包括钢制底板、支撑杆、梁顶反力钢垫板、梁底支撑钢垫板、滚动支座、固定支座，所述加载系统包括伺服电动缸、伺服控制器、分配垫板，所述测试系统包括应变测试元件、数据转换器、计算机，所述碳化环境模拟系统包括碳化箱、二氧化碳储存罐、控制箱、温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、控制阀。本实用新型设计科学合理，操作方式简单，具有模拟程度高、应用范围广、实用性强、利用率高等优点，通过计算机可实现人机对话界面，能有效实现碳化环境与动荷载耦合作用下混凝土箱梁的碳化实验，实验目的明确，测试结果准确、可靠，可在混凝土碳化领域推广使用。可在混凝土碳化领域推广使用。可在混凝土碳化领域推广使用。


技术研发人员：马俊军 蔺鹏臻 刘应龙 何志刚 雒敏
受保护的技术使用者：兰州交通大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/9/16