变幅荷载下构件的自然暴露实验装置、系统及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910202289.8 (22)申请日 2019.03.18 (71)申请人 华南理工大学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381号 (72)发明人 黄培彦林嘉祥陈展标郭馨艳 李稳郑小红杨怡 (74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有 限公司 44245 代理人 李瑶 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 3/32(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 变幅荷载下构件的自然暴露实验装置、。

2、 系统 及方法 (57)摘要 本发明涉及变幅荷载下构件的自然暴露实 验装置、 系统及方法， 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。

3、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。 权利要求书1页 说明书11页 附图3页 CN 109991092 A 2019.07.09 CN 109991092 A 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。

4、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。

5、箱底面。 6.变幅荷载下构件的自然暴露实验系统， 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系统， 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。

6、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， 采用人工或检测系。

7、统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 。

8、磁阀、 出水电磁阀工作。 权利要求书 1/1 页 2 CN 109991092 A 2 变幅荷载下构件的自然暴露实验装置、 系统及方法 技术领域 0001 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、 系统及方法。 背景技术 0002 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。

9、、 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。 0003 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。

10、 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。

11、 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。

12、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 0004 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。 说明书 1/11 页 3 CN 109991092 A 3 0005 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 然暴露实验系统， 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。 0006 针对现有技。

13、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。 0007 为了达到上述目的， 本发明采用如下技术方案： 0008 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， 。

14、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。 0009 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。 0010 进一步， 地梁朝向试件的一侧为圆柱面。 0011 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。 0012 进一步， 加载头为实心圆钢柱， 加载头焊接于加载水箱底部。 0013 变幅荷载下构件的自然暴露实验系统， 包括若干个变幅荷。

15、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。 0014 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。 0015 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。

16、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。 0016 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， 采用人工或检测系 统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。

17、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。 说明书 2/11 页 4 CN 109991092 A 4 0017 进一步， 荷载施加、 监测及控制方法， 是将对试。

18、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。 0018 总的说来， 本发明具有如下优点： 0019 1)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及系统， 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； 0020 2)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及系统， 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， 。

19、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； 0021 3)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及系统， 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。 0022 4)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及系统， 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。 0023 5)本发明的多阶梯变幅荷载的设定方法， 是根据装备、 。

20、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。 0024 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。

21、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 0025 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； 0026 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； 0027 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； 0028 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； 0029 图5为本发明变幅荷载下构件的自然暴露实验系统的结构示意图； 0030 图6为本发明实施例变幅荷载下构件的自然暴露。

22、实验的变幅阶梯荷载谱。 0031 其中图1至图5中包括有： 0032 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； 说明书 3/11 页 5 CN 109991092 A 5 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 0033 下面来对本发明做进一步详细的说明。 0034 实施例1、 0035 如图1至图2所示， 变幅荷载下构件的自然暴露。

23、实验装置、 系统及方法包括： 亚热带 环境设定、 自然暴露实验装置、 自然暴露实验系统、 自然暴露实验方法。 所述的亚热带环境 为亚热带陆地环境。 0036 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。 0037 加载头为圆柱形加载。

24、头， 加载头与试件之间为线接触。 0038 地梁朝向试件的一侧为圆柱面。 0039 加载头为实心圆钢柱， 加载头与加载水箱焊接。 0040 变幅荷载下构件的自然暴露实验系统， 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。 0041 若干个变幅荷载下构件的自。

25、然暴露实验装置呈矩形阵列排布。 0042 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。 0043 变幅荷载的设定是根据实际装备或结构承受的荷载， 采用人工或检测系统自动采 集的荷载数据， 应用损伤等效原理， 将多个小荷载。

26、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。

27、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。 0044 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 说明书 4/11 页 6 CN 109991092 A 6 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。 0045 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。

28、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。 液体传输及储蓄系统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。

29、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。 0046 如图1所示， 。

30、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2030cm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。 0047 所述加载头2为实心圆钢柱， 加载。

31、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。 0048 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，。

32、 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。 0049 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。 0050 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 说明书 5/11 页 7 CN 109991092 A 7 行通。

33、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。 0051 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： 0052 1)变幅荷载设定。 采用人工或检测系统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。 0053 2)试件3设计及制作。

34、。 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。 0054 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。 0055 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。

35、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。 0056 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。 0057 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。

36、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。 0058 7)安装蓄供水及传输系统。 先将水塔9安装并放置于地势较高、 平整的水泥地上， 再根据实验系统的供水量、 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。 0059。

37、 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。 0060 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， 再由控制系统发出指令至供水水泵61。

38、、 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 说明书 6/11 页 8 CN 109991092 A 8 标荷载是根据构件在实际结构物中的受力情况， 采用人工或检测系统自动采集的荷载数 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。

39、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)。 0061 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。

40、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。

41、， 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。 0062 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。

42、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。 0063 总的说来， 本发明具有如下优点： 0064 本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及系统具有如下优点： 0065 1)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及系统， 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； 0066 2)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及系统， 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。

43、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； 0067 3)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及系统， 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。 0068 4)本发明的变幅荷载下构件的自然暴露实验装置及系统， 可以解决在长期实验中 说明书 7/11 页 9 CN 109991092 A 9 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。 0069 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： 0070。

44、 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。 0071 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。

45、、 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。 0072 实施例2 0073 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： 0074 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15002000mm的矩形RC结构， 。

46、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。 0075 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”。

47、 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： 0076 (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10II级钢筋， 架立筋与箍筋均为8I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。

48、RC 梁底部。 0077 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。 0078 (2)主要装置设计及验算。 0079 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 说明书 8/。

49、11 页 10 CN 109991092 A 10 1的各组成部件的材料、 形状和尺寸确定为： 0080 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l2000mm,宽w800mm,高h1200mm。 方钢管的材料为201不锈钢， 其截面尺寸 为3030mm， 厚度为2mm。 0081 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l1533.3mm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。 0。

50、082 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。 0083 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。 0084 2)水塔9设计： 水塔9是为了给整个实验系。