张广泰, 陈柳灼， 李 悦， 陈彪汉， 王 骐， 崔 翔

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)



荷载耦合作用下混凝土受弯构件加载装置评价

张广泰, 陈柳灼， 李 悦， 陈彪汉， 王 骐， 崔 翔

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

通过对国内外学者为进行混凝土受弯构件在荷载耦合作用下的耐久性研究而制作的混凝土劣化加载装置进行分类，分为杠杆类加载装置、螺母类加载装置、弹簧类加载装置及机械自动化类加载装置。对每种加载设备在使用中对试件尺寸和加载空间的要求，对试件截面的损伤程度、施力的精准程度、持力的稳定程度、系统耐久程度、再次利用程度以及适用范围、性价比等方面综合分析。评价每种加载装置的优缺点，认为弹簧类加载装置的综合性能较优于其他三类加载装置，可为在荷载耦合作用下混凝土受弯构件耐久性方面研究的学者就荷载的施加方法提供一定的参考作用。

受弯构件； 耐久性； 耦合作用； 加载装置

0 引 言

目前，对混凝土的性能评定不仅仅只取决于其工作性能和力学性能，随着人们越来越重视寿命周期的成本分析，耐久性评价已成为决定混凝土组成与成分合适与否的重要标准[1]。

造成混凝土结构耐久性不足的因素可分为内因和外因两方面。其中内因包括水泥品种及用量、水灰比、骨料品种及粒径、外加剂用量、碱骨料反应、混凝土的密实度和保护层厚度等；外因包括混凝土生产浇筑工艺和所处的使用环境两方面内容。其中生产浇筑工艺方面包括水泥拌合物的离析、泌水、为提高早期强度而增大水泥用量、混凝土的振捣和养护等；所处的环境方面包括环境温度、湿度、磨损、风化、应力水平和腐蚀介质等。以上原因很可能会引起混凝土的冻融破坏，钢筋锈蚀以及环境水和盐类侵蚀等。

目前，对于耐久性研究多是参考相应的耐久性规范，研究单因素变量对混凝土性能的影响，对多因素耦合作用下混凝土的耐久性研究较少。但是，混凝土结构往往很少在单因素作用下，而是在荷载、冻融循环、冷热干湿交替、化学腐蚀等多种因素耦合作用下。并且，这种耦合作用对混凝土结构造成损伤程度远大于各个单因素作用的简单叠加[2]，即“超叠加效应”。

在我国，多因素耦合作用研究甚少的原因可归纳为以下4个方面：①《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中仅规定了单因素试验的方法，对多因素耦合试验未做提及；②没有成套统一的多因素耦合的试验装置，各学者均采用自己的试验手段、加载方法及循环制度，所得结论不能作为对比；③表征多因素耦合作用下的混凝土损伤参数没有统一的标准；④基于多因素耦合的试验结果较难建立统一的混凝土结构损伤模型和寿命预测模型。

笔者针对第2个方面的问题，综合对比了几类荷载与环境耦合作用采用的加载装置，分析了各类加载装置的优缺点，为研究混凝土受弯构件耐久性的学者提供一定的参考依据。

1 加载装置的应用现状

目前，不少国内外学者依据自己的试验要求与设备限制设计制作了多种加载装置，并在进一步的完善。这些加载装置主要可分为以下几类：

(1) 杠杆类加载装置。利用杠杆平衡原理设计出的加载装置即为杠杆类加载装置。早在1986年，Schneider等就设计了4点加载杠杆装置[3]，见图1。该加载装置通过改变配重大小或杠杆臂的长短来控制施加的荷载，在不同时间测量混凝土的强度发展，得出化学力和力化学两种情况下的影响，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。另一种杠杆加载装置是由Klaus-Christian Werner设计的单杠杆三点加载装置[4]，见图2。该试验装置分析了一系列试件在不同溶液浸泡后的电子化学特性，试件尺寸为10 mm×10 mm×60 mm。

图1 Schneider设计杠杆加载装置示意图

图2 Klaus-Christian Werner设计杠杆加载装置示意图

Kader Laoubi等设计了一种适用于所有耐久性情况的加载装置[5]，见图3。该加载装置可以在水溶液、碱溶液、盐溶液浸泡，冻融循环，低温高温情况下加载，通过移动配重控制荷载的大小。

我国林毓梅采用双杠杆的加载装置[6](见图4)。研究了混凝土在硫酸盐溶液中的应力腐蚀，试件尺寸为90 mm×100 mm×400 mm。另外，张伟平等也设计了基于二次杠杆作用的加载装置[7]，见图5。该试验装置可一次性加载6根梁，且梁的尺寸可以改变。

图3 Kader Laoubi设计杠杆加载装置示意图

1-双杠杆加荷构架，2-试件，3-法码，4-调节螺杆

图4 林毓梅设计杠杆加载装置示意图

(2)螺母类加载装置。螺母类加载装置是指通过拧固螺杆上的螺母施加荷载。Gowripalan于2000年制作了一套三点加载装置[8](见图6)，研究了在弯曲裂缝产生后力对拉、压区氯离子扩散系数的影响，试件尺寸为90 mm×100 mm×650 mm。Shahama等为了研究普通混凝土和高性能混凝土在不同加载方式下氯离子诱导产生的腐蚀产物的组成与分布，设计制作了如图7的加载装置[9]，此装置为竖直放置，一端施力的3点加载装置。既可以通过拧固插入顶部支架螺纹杆上的螺母施加静载，也可以通过依附在支架上的气缸提供脉冲施加动载，构件尺寸为70 mm×120 mm×1 200 mm。

1-斜撑a，2-嵌固梁，3-螺杆，4-杠杆梁b，5-杠杆梁a，6-分配梁，7-码码吊盘，8-钢板b，9-百分表支架，10-斜撑b，11-受弯试件，12-钢板a，13-反力梁

图5 张伟平设计杠杆加载装置示意图

图6 Gowripalan设计螺母加载装置示意图

图7 Shahama设计螺母加载装置示意图

我国张德锋为研究不同水灰比与不同应力水平情况下混凝土碳化速率的变化，制作了如图8的加载装置[10]。该加载装置为四点加载，并在螺母与混凝土接触面上加了一块钢垫板，目的是为了减小螺母对混凝土面的应力集中，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。试验中用扳手拧固螺母以施加荷载，荷载的大小由贴于螺杆上的电阻应变片加以控制。何世钦制作了一种在氯化钠溶液中加载的装置[11]，见图9。该装置在靠近混凝土加载点的位置设置了辊轴支座，模拟力学模型中的线荷载，在辊轴支座的上方设置槽钢以确保加载的均匀性。螺母与槽钢的中间放有压力环，压力环与静态电阻应变仪相连，控制加载的大小。东南大学的许崇法等人通过分析对比现有的加载装置，自行制作了一种螺母类加载装置[12]，见图10。该加载装置通过拧固单面的螺母利用自平衡体系实现加载，荷载的大小通过轴力传感器控制。

图8 张德锋设计螺母加载装置示意图

图9 何世钦设计螺母加载装置示意图

图10 许崇法设计螺母加载装置示意图

我国李金玉等设计了可以对多个试件加荷的加载架[13]，见图11。该装置通过扭力扳手拧紧螺母，并通过扭力扳手的读数控制施加的荷载。

图11 李金玉设计螺母加载装置示意图

(3)弹簧类加载装置。弹簧类加载装置其实就是螺母类加载装置的一种特殊形式，都是通过拧固螺母以增加施加在梁上的荷载，但弹簧类加载装置施加力的大小是通过胡克定律测量弹簧的压缩量来控制。利用此类装置的学者较多，研制出的加载装置也各具特色，故许多文献中都将此类加载装置单独作为一类加载系统。不同学者采用的弹簧种类也不尽相同，如压缩弹簧、蝶形弹簧等等。

孙伟[14]采用了如图12的弹簧加载装置进行了冻融和荷载共同作用下混凝土的损伤分析。刘建忠等[15-17]均利用此加载装置分别进行了荷载与盐溶液、荷载与干湿循环、荷载与碳化等条件耦合作用的研究。

郉锋等为了同时进行大量试验，在上述加载装置的基础上进行了改进[18]，见图13。3个为一组的试验梁上下背立叠放后置于容器中，以研究荷载作用对氯离子渗透性的影响，试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm。

图12 孙伟设计弹簧加载装置示意图

图13 郉锋设计弹簧加载装置示意图

付传清自行设计了一套适用于尺寸较大梁的弹簧加载装置[19]，见图14。试验梁两两背对叠放，通过弹簧加载，并通过穿入混凝土梁预留洞的对拉螺杆进行持载，构件尺寸为100 mm×160 mm×1400 mm。

万小梅在考虑荷载与氯盐溶液、荷载与氯盐溶液在干湿循环作用下、荷载在海边暴露三种情况下自行设计了一套弹簧类加载装置[20]，见图15。此加载装置分为普通型和便携型两种类型，该加载装置利用螺杆为加载弹簧提供了定向作用。

图14 付传清设计弹簧加载装置示意图

(a)普通型(b)便携型

图15 万小梅设计弹簧加载装置示意图

(4)机械自动化类加载装置。为了确保加载的机械自动化和持载的稳定性，许多学者又考虑到使用千斤顶、电动推杆等仪器进行混凝土梁的加载。

黄鹏飞等为模拟混凝土梁受弯曲应力、钢筋锈蚀、冻融循环、除冰盐腐蚀4个因素的协同作用，设计了一套四点弯曲加载架[21]，见图16(a)。图示C加载采用的是超矮型螺旋千斤顶，可以在狭小的快速冻融试验箱内进行加载。还设计另一种千斤顶加载装置[22]，见图16(b)。该加载装置模拟环境腐蚀与力学荷载的耦合,在中层钢板与下层钢板之间设螺旋千斤顶，通过上层钢板下表面的荷载传感器控制荷载。试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。

刘扬等为研究超载与氯离子耦合作用下混凝土梁的抗弯性能，设计了一套由千斤顶加载的装置[23]，见图17。该加载装置通过千斤顶给分配梁加载，通过传感器和测力仪控制力的大小，构件尺寸为150 mm×250 mm×2000 mm。

A-饼形荷载传感器，B-快冻快融试验机，C-加载，D-荷载平衡块，E-3%质量分数的NaCl溶液，F-不锈钢槽，G-钢筋混凝土试块，G-防冻液，I-支座

图16 黄鹏飞设计千斤顶加载装置示意图

图17 刘扬设计千斤顶加载装置示意图

杜鹏等为在冻融箱内实现四点弯曲应力的加载，设计了一种依靠加载液压头的加载装置[2]，见图18。该加载装置中试件竖直放置，依靠黏附于橡胶盒内部不锈钢板上的突起提供4点加载时加载点的位置，通过应力传感器控制加载的大小，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。

1-混凝土试件，2-钢板，3-橡胶盒，4-冻融箱，5-液压压头，6-不锈钢板，7-固定钢架，8-应力传感器

图18 杜鹏设计液压头加载装置示意图

当然也有学者通过对上述加载装置简单的组合而研制出一些新型的加载装置。如余红发设计的弹簧与千斤顶组合的加载装置[24]，见图19。焦楚杰设计的弹簧与电动推杆组合的加载装置[25]，见图20。

另外，湖南大学、同济大学等学者采用了依靠在混凝土梁上悬挂或堆积重物实现梁的三点、四点或均布加载，由于其在长期荷载作用下人为影响因素大，对梁的加载或需要很大的配重，或需要很长的时间，现实研究较少，在此不做赘述。

1-底板,2-钢筋辊轴,3-试件,4-分配梁,5-标尺,6-弹簧,7-千斤顶,8-柱,9-钢梁
图19 余红发设计加载装置示意图

1-试件,2-电动椎杆,3-支架,4-力传感器
图20 焦楚杰设计加载装置示意图

2 加载装置的评价

2.1 试件尺寸和加载空间的限制

不考虑试验耦合所需仪器的限制，如冻融循环所需的冻融箱、碳化试验所需的碳化箱、需浸泡在溶液内等情况，只考虑装置施加长期荷载作用，除Kader Laoubi和张伟平设计的杠杆类加载装置，多数学者设计出的杠杆类加载装置加载的试件尺寸都不能过大，有学者计算表明，对于40 mm×40 mm×160 mm的试件施加应力水平为50%的弯曲应力，杠杆臂长需要0.6 m[26]，会占用很大的平面空间。如果采取缩短杠杆臂的长度，增加配重的方法，会造成试验结果不精确，且杠杆臂的减少程度有限。

螺母类、弹簧类、机械自动化类加载装置基本上可以对较大尺寸的试件乃至构件进行加载，不占用较大空间，且多数学者均采用梁背立上下叠放，更有利于空间的利用。孙伟等设计的将加载架与试件分开的弹簧类加载装置以及需要外部支架来固定加载仪器组合加载装置，多数占用较大空间，也会限制试件的尺寸。

2.2 试件截面损伤程度

部分学者研制出的螺母类、弹簧类加载装置，为了保持施力后荷载保持不变，通常采用在混凝土受弯构件端部预留孔洞，安装对拉螺杆的方法，这样不仅会损伤试件的截面，造成应力集中，而且与混凝土构件实际受力不符。故有学者采用施力后定期拧固螺母的方法[13]。还有学者采用了将加载架与试件分开或者如万小梅设计的便携式加载装置，用弹簧加载后不卸载，依靠弹簧持力，对试件没有损伤。

在需提高认识油茶苗木重要性，加大投入力度。从现状中看到，容器苗和嫁接苗长势比裸根苗良好，造林效果较好[10-11]。为此，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，这样更有利于提高苗木的质量。

杠杆类、机械自动化类加载装置一般不会对混凝土构件截面造成损伤。这些加载装置一般在梁顶与梁底放置支座与分配梁以施加荷载，梁的根数增多时只需在外立面安装钢板固定即可。

2.3 施力的精准程度

杠杆类加载装置一般通过调整杠杆长度或者配重的大小控制施加力的大小，加载精度不高，且加载大小不能直接读出，需要计算。

螺母类加载装置可以通过安装传感器，通过读数以控制加载的大小，但是大部分加载试验以研究混凝土的耐久性为前提，所需时间长且需连续工作，传感器的工作寿命达不到使用要求。且每套加载装置安装一套传感器成本较高。或者通过应力扳手的扭矩大小、贴于螺杆上的电阻应变片的读数控制加载力的大小，但精准程度都没有传感器高，且都需要公式换算得到施加力的大小。

弹簧类加载装置通过测量弹簧的压缩量，利用胡克定律计算施力的大小。但弹簧的劲度系数是事先通过压力试验机测得，在反算力和弹簧二次受压时劲度系数的取值上都有一定的误差，但误差较小。

千斤顶类加载装置一般通过传感器的读数判断力的大小，加载精度较高。但余红发和焦楚杰设计的组合加载装置采用弹簧判断施力大小，有一定误差。

2.4 加载装置的持力稳定程度

杠杆类加载装置可以确保加载的稳定，但由于其加载空间大，且一般不需要工具的使用就可改变力的大小，易受人为因素的干扰。

螺母类、千斤顶类加载装置由于紧固件应力松弛和混凝土徐变现象，其中混凝土的徐变影响较小，需要定期调节以保持加载的稳定性。

弹簧类加载装置也会出现紧固件应力松弛现象。但是与螺母类对比小很多。例如，加载后两者都认为螺母拧死摩擦系数很大，视为固端。对于螺母类加载装置，假设螺杆弹性模量为210 GPa，长度为500 mm，直径为20 mm，则螺杆变形1 mm所损失的力为132 kN。对于弹簧类加载装置，如果使用压缩弹簧，则弹簧变形1 mm所损失的力不到10 kN。在同样变形下，螺母类加载装置力的损失情况是弹簧类加载装置的10倍多，故弹簧类加载装置的持力稳定性较高。同时，弹簧类加载装置的刚度可通过使用不同弹簧或者在使用蝶形弹簧时改变叠放方式和个数调节。但其可能会出现横向失稳问题，需要导向杆。

千斤顶类加载装置加载原理是千斤顶内的油缸体积变化，微小的体积就会产生很大的力。因此，在持载过程中，千斤顶内油缸体积的微小减少会损失很大的力，持载稳定性不高。

2.5 系统的耐久程度和再次利用

由于加载装置多为金属质地，为提高其耐久性以及适用范围，一般都做防腐、防锈处理，但对于螺母类和弹簧类加载装置，螺杆的丝口位置在反复施力过程中保护层会被破坏。同样也可以通过提高材质要求，如采用低碳钢、不锈钢等来增加加载装置的耐久性。

若试验目的是研究浸泡条件和荷载耦合，则不论那种加载装置，在长时间和多次使用后耐久性都会下降。但U.Schneider、Klaus-Christian Werner和林毓梅设计的杠杆类加载装置，郉锋设计的弹簧类加载装置以及黄鹏飞设计的千斤顶类加载装置都是将浸泡溶液与加载构件分开，对加载装置的耐久性有一定程度的提高。还需注意，弹簧类加载装置在使用过程中可能会出现刚度退化，产生塑性应变，弹簧压缩量与荷载不再呈线性变化，但损失量很小，试验过程中可忽略不计。

每一类加载装置均可拆卸，方便再次使用。但再次使用时，杠杆类以及余红发和焦楚杰设计的组合加载装置安装工序较复杂。除李金玉设计的螺母类以及弹簧类加载装置可拆卸为成套的独立加载系统，且占据空间较小，方便保存。

2.6 适用范围

杠杆类加载装置受温度影响大，一般不能研究荷载与冻融、冷热循环的耦合问题，在研究与溶液浸泡耦合问题上，也只能将试件置于溶液中，无法将整个加载装置全部浸于溶液中，故只适用于小型试件。除专门研究荷载与冻融循环、碳化作用耦合外，一般的加载装置尺寸较大，不能适用于冻融箱、碳化箱。

螺母类加载装置不能适用于冻融箱，因为用扳手拧固的螺栓在冻融循环中可能会浸入水或者溶液，将引起螺栓摩擦系数的变化，摩擦系数微小的变化会造成很大的荷载变化[27]。

除Kader Laoubi和张伟平设计以外的杠杆类加载装置、千斤顶类加载装置，只能对一个试件进行加载，效率较低，成本较高。同时千斤顶的使用也会提高成本。故弹簧类加载装置适用范围较广。

3 结 语

多因素耦合作用对混凝土结构的损伤程度往往不是单因素作用后损伤程度简单的叠加，因此仅研究单一变量对混凝土耐久性的影响从而对混凝土结构服役期的劣化做出评价是不全面的。

荷载因素被普遍认为是研究耐久性必须考虑的因素之一，因此考虑荷载耦合作用下混凝土劣化的加载装置尤为重要。本文单从混凝土受弯构件的角度出发，将目前国内外学者设计制作的加载装置分为四类，即杠杆类加载装置、螺母类加载装置、弹簧类加载装置以及机械自动化类加载装置。

通过对四类加载装置就可加载试件的尺寸、加载所需空间、试件截面损伤程度、施力的精准程度、持力稳定程度以及系统的耐久性、可循环性、适用性、性价比等方面综合评定，推荐研究荷载耦合作用下的混凝土受弯构件耐久性的学者使用弹簧类加载装置。

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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

国家自然科学基金资助项目(51568064)；新疆维吾尔自治区精品课程；新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目(2014211A006)

张广泰(1963-)，男，新疆伊犁人，教授，硕士生导师，现主要从事新型材料与抗震加固研究。

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

TU 528.01

A

1006-7167(2016)08-0027-06