CN113588534B - 一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置及方法，其中，该装置包括加载装置，加载装置包括支撑框和安装在支撑框内侧的作动器、第一传力杆、第二传力杆、第一夹具、第二夹具和支撑装置，作动器的一端安装在支撑框上，另一端连接第一传力杆的一端，第一传力杆的另一端设置第一夹具，支撑装置的一端安装在支撑框上，另一端连接第二传力杆的一端，第二传力杆的另一端设置第二夹具；环境箱框设在待模拟构件外侧；控制装置包括控制柜、安装在控制柜中的总控模块、抽风机、加热器、制冷机组、储液箱、液泵、空气压缩机和安装在环境箱内的若干喷头和温湿度仪。基于上述装置给出了相应的方法，可实现模拟构件服役时所受腐蚀和疲劳耦合作用。

Description

一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置及方法

技术领域

本发明涉及桥梁技术领域，特别涉及一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置及方法。

背景技术

桥梁按结构体系可分为梁式桥、拱桥、钢架桥、缆索缆索承重体系桥等，其对应的重要受力构件有梁、拱肋、梁柱、吊杆以及拉索，这些受力构件支撑着各类桥梁正常服役，可以说，这些重要受力构件的安全性关乎着整个桥梁的安全性。然而在桥梁服役期间，受力构件易受沿江海、湿雾多雨、化学烟雾等环境腐蚀，在腐蚀环境下使用的桥梁结构，其受力构件既受载荷作用，又受环境腐蚀作用以及载荷/环境交互作用，这造成受力构件存在不同程度的腐蚀，降低其疲劳寿命，严重威胁桥梁的安全性。因此，探究这些受力构件在腐蚀和疲劳耦合作用下的腐蚀程度和剩余使用寿命对桥梁的安全至关重要。已有公开号为CN104931407A的中国发明专利申请提出了一种测试海工装备腐蚀和疲劳共同作用的系统，但多适用于长期服役于海洋的装备，并不适用于大多数桥梁，且测试所受的疲劳荷载较低，无法满足桥梁的实际需求。再者，公开号为CN112326473A的中国发明申请提出用环境/荷载试验谱来确定腐蚀-疲劳协同构件的疲劳寿命，该方法计算复杂，且存在一定误差，准确度不足。因此，提出一种用于模拟桥梁受力构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置及方法对研究桥梁整体的安全性十分必要。

发明内容

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置，包括加载装置、环境箱以及控制装置。

所述加载装置包括支撑框和安装在支撑框内侧的作动器、第一传力杆、第二传力杆、第一夹具、第二夹具和支撑装置，所述作动器的一端安装在支撑框上，另一端连接所述第一传力杆的一端，所述第一传力杆的另一端设置第一夹具，所述第一夹具用于夹持待模拟构件的一端，所述支撑装置的一端安装在支撑框上，另一端连接所述第二传力杆的一端，所述第二传力杆的另一端设置第二夹具，所述第二夹具用于夹持待模拟构件的另一端；

所述环境箱框设在待模拟构件外侧，所述第一传力杆安装第一夹具的一端和第二传力杆安装第二夹具的一端均穿设至环境箱内侧；

所述控制装置包括控制柜、安装在控制柜中的总控模块、抽风机、加热器、制冷机组、储液箱、液泵、空气压缩机和安装在环境箱内的若干喷头和智能温湿度记录仪，所述总控模块分别连接抽风机、加热器、制冷机组、液泵、空气压缩机和智能温湿度记录仪，所述抽风机通过出风管道连通环境箱，所述加热器安装在出风管道中或者安装在抽风机的进风口端，所述制冷机组的出风口端亦通过出风管道连通环境箱，所述制冷机组和加热器不同时运行，所述液泵的进液端连接储液箱，所述液泵的出液端连通液体管道的一端，所述液体管道的另一端穿设控制柜并延伸至环境箱内，且与安装在所述环境箱内的喷嘴管道连通，所述喷嘴管道上间隔安装若干喷头，所述空气压缩机的出口端连接高压气管的一端，所述高压气管的另一端穿设控制柜并延伸至环境箱内，且与所述喷嘴管道连通。

优选地，所述环境箱上开设有连接孔，所述第一传力杆通过连接孔伸到环境箱内，所述连接孔和第一传力杆之间通过石棉密封。

优选地，所述环境箱供第二传力杆穿设的一侧箱壁由若干底板拼接而成，所述底板与环境箱可拆卸连接，所述底板上开设有供第二传力杆穿设的底孔。

优选地，所述环境箱的箱底开设有排水口，所述环境箱外设置有接水槽，所述接水槽设置在排水口的正下方。

优选地，所述环境箱的侧面开设有箱门，该侧面不为所述第一传力杆和第二传力杆穿设的侧面。

优选地，所述储液箱包括水箱、酸碱溶液箱和氯离子溶液箱，所述水箱、酸碱溶液箱和氯离子溶液箱均通过支管与进液管连通，所述进液管连通液泵，每一支管上均安装有电动阀门，所述电动阀门连接总控模块。

优选地，所述控制柜上安装有控制面板，其内设置配电控制柜，所述控制面板和配电控制柜均与总控模块连接，所述控制面板包括显示屏、设置按钮、运行指示灯、故障指示灯和蜂鸣器。

优选地，所述加热器为镍铬合金电热丝式加热器。

进一步地，本发明还提供一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的方法，采用上述的用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置进行模拟试验，具体包括如下步骤：

S1：将作动器安装在上方，支撑装置安装在下方，环境箱位于作动器的下方，其中，第一传力杆通过环境箱上部伸入环境箱，然后，将构件放入环境箱中，构件的上端被第一夹具夹持，第一夹具通过第一传力杆连接作动器，构件的下端通过第二传力杆连接支撑装置，作动器通过第一传力杆作用在构件上，接着，固定构件并验证构件稳定性，在确认构件稳定性后，人工进入环境箱进行环境箱下板拼接，保证环境箱密封性；

S2：安装控制装置；

S3：利用控制装置调节环境箱内温湿度、酸碱度以及氯离子浓度，模拟构件服役时的腐蚀环境，与此同时，利用加载装置对构件施加规律的疲劳荷载，实现模拟构件在服役时所受腐蚀和疲劳耦合作用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明公开一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置及方法，其利用加载装置、环境箱以及控制装置，实现模拟桥梁受力构件在服役时所受腐蚀和疲劳耦合作用，相对于现有技术，更接近桥梁服役期真实所受腐蚀环境以及疲劳荷载，能够更精确的分析桥梁受力构件随着服役时间增长，受力构件所受的腐蚀程度和剩余使用年限。

2、本发明通过控制装置为环境箱营造腐蚀环境，而控制装置和环境箱分开设置，即控制装置不放置在环境箱内，使得试验时可距离操控并调节环境箱内的腐蚀环境，且有利于控制装置的维修，同时可以减少控制装置各设备的腐蚀，使得控制装置可实现长时间使用，做到即使环境箱出现问题，控制装置依旧可正常使用，此时，只需重新制作环境箱，便可连接控制装置继续试验，大大节约了成本。

3、本发明的环境箱的底部为拼接式，其可随意拆卸组装，从而根据试验对象不同，任意拼接底板，即可进行多类型构件的试验，例如，竖直类如拉索的试验、水平类如梁的试验，同时，组装拼接方式可使环境箱的底部可根据构件的大小调节尺寸，真正实现一箱多用，进一步节约试验成本。

4、本发明增设了制冷机组，可模拟低温下试件腐蚀，更符合室外桥梁服役特点。

5、本发明的加载装置、环境箱以及控制柜能够适用于多种试件模拟腐蚀和疲劳耦合作用，且操作便利，具有很高的推广价值。

附图说明

图1是本发明所设计装置的结构示意图，图中，构件为杆状结构。

图2是环境箱的结构示意图，图中，构件为杆状结构。

图3是环境箱的结构示意图，图中，构件为梁状结构。

主要元件符号说明

图中：支撑框1、作动器2、第一传力杆3、第一夹具4、支撑装置5、第二传力杆6、第二夹具7、构件8、环境箱9、连接孔10、底板11、排水口12、箱门13、接水槽14、控制柜15、抽风机16、加热器17、制冷机组18、储液箱19、空气压缩机20、喷头21、控制面板22、配电控制柜23、液泵24。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请参阅图1至图3，在本发明的一种较佳实施方式中，一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置，包括加载装置、环境箱9以及控制装置。

所述加载装置包括支撑框1和安装在支撑框1内侧的作动器2、第一传力杆3、第二传力杆6、第一夹具4、第二夹具7和支撑装置5，所述作动器2的一端安装在支撑框1上，另一端连接所述第一传力杆3的一端，所述第一传力杆3的另一端设置第一夹具4，所述第一夹具4用于夹持待模拟构件8的一端，所述支撑装置5的一端安装在支撑框1上，另一端连接所述第二传力杆6的一端，所述第二传力杆6的另一端设置第二夹具7，所述第二夹具7用于夹持待模拟构件8的另一端；通过加载装置来夹持并施加作用在待模拟构件8上，从而实现疲劳荷载模拟。

所述环境箱9框设在待模拟构件8外侧，所述第一传力杆3安装第一夹具4的一端和第二传力杆6安装第二夹具7的一端均穿设至环境箱9内侧；以通过环境箱9使得待模拟构件8处于一个封闭的模拟环境，便于后续模拟腐蚀环境。在本实施方式中，所述环境箱9上开设有连接孔10，所述第一传力杆3通过连接孔10伸到环境箱9内，所述连接孔10和第一传力杆3之间通过石棉密封，保证了环境箱9具有良好的密封效果；所述环境箱9供第二传力杆6穿设的一侧箱壁由若干底板11拼接而成，所述底板11与环境箱9可拆卸连接，所述底板11上开设有供第二传力杆6穿设的底孔，以利用底板11的可拆卸式拼接的方式使得底板11所在侧的相比可任意组装，从而便于根据待模拟构件8的结构作相应变化，从而使得环境箱9可应用于多种构件8的模拟试验，例如，请参阅图2，进行吊杆或拉索试验时，将底板11对应第二传力杆6的中心处开孔即可，进行梁试验，则开左右两个孔用于放置梁的支撑支座，如图3所示，这样能够真正做到一箱多用，便于进行多种受力构件8试验；所述环境箱9的箱底开设有排水口12，所述环境箱9外设置有接水槽14，所述接水槽14设置在排水口12的正下方，以便于将环境箱9内产生的积水排出，并能被集中收集；所述环境箱9的侧面开设有箱门13，该侧面不为所述第一传力杆3和第二传力杆6穿设的侧面，以通过箱门13的设置便于构件8放入环境箱9，同时便于人工进入环境箱9，进行环境箱9底板11的拼接组装。需要说明的是，环境箱9的制作材料应选择耐酸碱、耐高温、耐腐蚀的材料，保证在模拟腐蚀环境时，环境箱9不发生腐蚀。

所述控制装置用于控制环境箱9内所要模拟的环境腐蚀的温湿度、酸碱度、氯离子浓度等腐蚀环境条件，在本发明中，所述控制装置包括控制柜15、安装在控制柜15中的总控模块、抽风机16、加热器17、制冷机组18、储液箱19、液泵24、空气压缩机20和安装在环境箱9内的若干喷头21和智能温湿度记录仪，所述总控模块分别连接抽风机16、加热器17、制冷机组18、液泵24、空气压缩机20和智能温湿度记录仪，其用于对本装置进行总的控制。所述抽风机16通过出风管道连通环境箱9，所述加热器17安装在出风管道中或者安装在抽风机16的进风口端，通过加热器17加热空气，并将所加热的空气通过出风管道吹入环境箱9中，进而提高环境箱9内部的温度，该方式可模拟高温环境，优选地，所述加热器17为镍铬合金电热丝式加热器17。所述制冷机组18的出风口端亦通过出风管道连通环境箱9，所述制冷机组18和加热器17不同时运行，通过制冷机组18来模拟环境箱9内的低温环境。所述液泵24的进液端连接储液箱19，所述液泵24的出液端连通液体管道的一端，所述液体管道的另一端穿设控制柜15并延伸至环境箱9内，且与安装在所述环境箱9内的喷嘴管道连通，所述喷嘴管道上间隔安装若干喷头21，所述空气压缩机20的出口端连接高压气管的一端，所述高压气管的另一端穿设控制柜15并延伸至环境箱9内，且与所述喷嘴管道连通，空气压缩机20出来的高压气体通过高压气管进入喷嘴管道中，高压气体在喷嘴管道中将从液体管道进入喷嘴管道的液体变成液雾，从而调整环境箱9中的湿度、酸碱度和氯离子浓度，为了便于控制及调节，优选地，所述储液箱19包括水箱、酸碱溶液箱和氯离子溶液箱，所述水箱、酸碱溶液箱和氯离子溶液箱均通过支管与进液管连通，所述进液管连通液泵24，每一支管上均安装有电动阀门，所述电动阀门连接总控模块，以根据控制需要驱动相应的电动阀门开启，使得液泵24能够抽吸相应的液体进行雾化，也就是，试验前，酸碱溶液和氯离子溶液提前配置好，并分别放置到相应的箱体中。

优选地，所述控制柜15上安装有控制面板22，其内设置配电控制柜23，所述控制面板22和配电控制柜23均与总控模块连接，所述控制面板22包括显示屏、设置按钮、运行指示灯、故障指示灯和蜂鸣器，用于数据控制与采集以及保障操作安全性，所述配电控制柜23包括配电板、总电源漏电断路器等，用于为控制装置供电并保障用电安全。

进一步地，基于上述的装置，本发明还给出一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的方法，具体包括如下步骤：

S1：将作动器2安装在上方，支撑装置5安装在下方，环境箱9位于作动器2的下方，其中，第一传力杆3通过环境箱9上部伸入环境箱9，然后，将构件8放入环境箱9中，构件8的上端被第一夹具4夹持，第一夹具4通过第一传力杆3连接作动器2，构件8的下端通过第二传力杆6连接支撑装置5，作动器2通过第一传力杆3作用在构件8上，接着，固定构件8并验证构件8稳定性，在确认构件8稳定性后，人工进入环境箱9进行环境箱9下板拼接，保证环境箱9密封性。

S2：安装控制装置，具体安装根据上述的表述进行安装。

S3：利用控制装置调节环境箱9内温湿度、酸碱度以及氯离子浓度，模拟构件8服役时的腐蚀环境，与此同时，利用加载装置对构件8施加规律的疲劳荷载，实现模拟构件8在服役时所受腐蚀和疲劳耦合作用，更精确分析桥梁受力构件8随着服役时间增长，所受的腐蚀程度和剩余使用年限。

在步骤S3中，通过温湿度仪监测环境箱9中的温湿度，所采集到的数据传递给总控模块，所述总控模块根据温湿度值及预先拟定的试验温湿度值进行对比分析，并根据对比分析控制抽风机16、加热器17、制冷机组18、液泵24和空气压缩机20的运行，如环境箱9内的温度低于预设值时，控制抽风机16和加热器17运行，将热风吹进环境箱9中，若环境箱9内的温度高于预设值时，则控制制冷机组18运行，制冷机组18产出的冷风吹进环境箱9中，若环境箱9内的湿度低于预设值时，控制液泵24和空气压缩机20运行，空气压缩机20产生的高压气体将液泵24抽至喷嘴管道中的液体雾化，并通过喷头21喷至环境箱9中。

需要说明的是，在本发明中，温湿度仪采用的是L92-1智能温湿度记录仪，其配合温湿度控制显示屏来便于操作者实时观测环境箱9内的温湿度并根据需要进行调节，而根据温湿度仪所采集到的环境箱9内的温湿度值，得到环境箱9内随着溶液喷洒湿度的增大值，加之所配置的酸碱溶液和氯离子溶液的浓度值，能够确定环境箱9内的酸碱度以及氯离子浓度，然后根据所预设的酸碱度和氯离子浓度，调整液泵24的运行，使得抽吸相应箱体内的溶液进行喷洒，直至酸碱度和氯离子浓度达到预设值，即完成环境箱9内腐蚀环境的调整。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (8)

1.一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置，包括加载装置、环境箱以及控制装置，其特征在于：

所述加载装置包括支撑框和安装在支撑框内侧的作动器、第一传力杆、第二传力杆、第一夹具、第二夹具和支撑装置，所述作动器的一端安装在支撑框上，另一端连接所述第一传力杆的一端，所述第一传力杆的另一端设置第一夹具，所述第一夹具用于夹持待模拟构件的一端，所述支撑装置的一端安装在支撑框上，另一端连接所述第二传力杆的一端，所述第二传力杆的另一端设置第二夹具，所述第二夹具用于夹持待模拟构件的另一端；

所述环境箱框设在待模拟构件外侧，所述第一传力杆安装第一夹具的一端和第二传力杆安装第二夹具的一端均穿设至环境箱内侧；所述环境箱供第二传力杆穿设的一侧箱壁由若干底板拼接而成，所述底板与环境箱可拆卸连接，底板的可拆卸式拼接的方式使得底板所在侧的箱壁可任意组装，使所述底板所在侧上开设有供第二传力杆穿设的底孔或者开左右两个孔用于放置梁的支撑支座；

所述控制装置包括控制柜、安装在控制柜中的总控模块、抽风机、加热器、制冷机组、储液箱、液泵、空气压缩机和安装在环境箱内的若干喷头和温湿度仪，所述总控模块分别连接抽风机、加热器、制冷机组、液泵、空气压缩机和温湿度仪，所述抽风机通过出风管道连通环境箱，所述加热器安装在出风管道中或者安装在抽风机的进风口端，所述制冷机组的出风口端亦通过出风管道连通环境箱，所述制冷机组和加热器不同时运行，所述液泵的进液端连接储液箱，所述液泵的出液端连通液体管道的一端，所述液体管道的另一端穿设控制柜并延伸至环境箱内，且与安装在所述环境箱内的喷嘴管道连通，所述喷嘴管道上间隔安装若干喷头，所述空气压缩机的出口端连接高压气管的一端，所述高压气管的另一端穿设控制柜并延伸至环境箱内，且与所述喷嘴管道连通。

2.如权利要求1所述的一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置，其特征在于：所述环境箱上开设有连接孔，所述第一传力杆通过连接孔伸到环境箱内，所述连接孔和第一传力杆之间通过石棉密封。

3.如权利要求1所述的一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置，其特征在于：所述环境箱的箱底开设有排水口，所述环境箱外设置有接水槽，所述接水槽设置在排水口的正下方。

4.如权利要求1所述的一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置，其特征在于：所述环境箱的侧面开设有箱门，该侧面不为所述第一传力杆和第二传力杆穿设的侧面。

5.如权利要求1所述的一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置，其特征在于：所述储液箱包括水箱、酸碱溶液箱和氯离子溶液箱，所述水箱、酸碱溶液箱和氯离子溶液箱均通过支管与进液管连通，所述进液管连通液泵，每一支管上均安装有电动阀门，所述电动阀门连接总控模块。

6.如权利要求1所述的一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置，其特征在于：所述控制柜上安装有控制面板，其内设置配电控制柜，所述控制面板和配电控制柜均与总控模块连接，所述控制面板包括显示屏、设置按钮、运行指示灯、故障指示灯和蜂鸣器。

7.如权利要求1所述的一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置，其特征在于：所述加热器为镍铬合金电热丝式加热器。

8.一种用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的方法，其特征在于：采用如权利要求1-7任一项所述的用于模拟构件腐蚀和疲劳耦合作用下的装置进行模拟试验，具体包括如下步骤：

S1：将作动器安装在上方，支撑装置安装在下方，环境箱位于作动器的下方，其中，第一传力杆通过环境箱上部伸入环境箱，然后，将构件放入环境箱中，构件的上端被第一夹具夹持，第一夹具通过第一传力杆连接作动器，构件的下端通过第二传力杆连接支撑装置，作动器通过第一传力杆作用在构件上，接着，固定构件并验证构件稳定性，在确认构件稳定性后，人工进入环境箱进行环境箱下板拼接，保证环境箱密封性；

S2：安装控制装置；

S3：利用控制装置调节环境箱内温湿度、酸碱度以及氯离子浓度，模拟构件服役时的腐蚀环境，与此同时，利用加载装置对构件施加规律的疲劳荷载，实现模拟构件在服役时所受腐蚀和疲劳耦合作用。