使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置

摘要

本发明涉及负载试验装置，具体涉及使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置，包括：支座组件，用于限定试验梁架设位置，支座位置位于试验梁中段；加载框架，在该加载框架上通过设置加载装置抵接试验梁顶面的加载区域；加载区域分别通过加载装置抵接于试验梁的两端顶面，加载区域的抵接部分设置有用于监测试验梁实时荷载数值的压力传感器且加载框架通过该加载区域支撑于试验梁上。本装置调整支座位置使支座位置位于试验梁中段并设计两个加载截面对试验梁两端加载区域施加向下荷载，将试验梁的受拉面调整到顶面，并留出了足够空间来完成FRP的粘贴加固操作，比现有试验更接近实际工程的受力状态。

说明书

技术领域

本发明涉及梁的抗弯试验装置，具体涉及一种使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置。

背景技术

截止目前，我国已建成了规模居于世界前列的交通基础设施；同时，由于各类因素的影响，既有交通基础设施的安全保障问题却面临着越来越严峻的挑战。

我国交通基础设施重大结构的设计使用年限与实际使用寿命有显著的差异与不确定性。以桥梁工程为例，我国特大桥、大桥和重要中桥的设计寿命为100年(特殊桥梁可按120年设计)，中桥、重要小桥的设计寿命为50年，小桥和涵洞的设计寿命为30年。在桥梁设计使用年限内，由于各类因素的影响，实际使用寿命会小于设计使用寿命，对结构的正常使用安全造成威胁。另外，我国的绝大多数桥梁是在建国以后修建的，由于当时的经济条件和国情所限，桥梁建设也经历了不同的发展阶段。为了满足不同时期陆路运输对桥梁承载能力的要求，我国的公路、铁路工程技术标准已做过多次修订，设计荷载等级也在不断增大，原有桥梁已难以适应当今运输的要求。

随着时间的推移，大量既有桥梁也将陆续达到其设计使用寿命并形成一笔巨大的带有问题的固定资产。若采用完全更换的方式往往是经济上不能承受的，有时在技术上也是难以实现的。在确保使用安全的情况下，这些结构仍将服役相当长的时间并发挥出巨大社会效益与经济效益。如何在理论和技术上保证这些老化、问题桥梁的长期可靠性与安全性，是既有桥梁加固、修复、改造研究的重点领域。

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)加固法与粘贴钢板法类似，是在结构需要加固的部位通过外贴纤维增强复合材料达到加固目的方法。FRP材料有着质量轻、耐腐蚀、强度高、施工方便、适用面广等优势。随着FRP材料价格的降低和世界各地对基础设施加固、修复、改造的巨大需求，FRP材料在混凝土结构加固中的应用越来越广泛，各国对FRP加固混凝土结构也进行了大量试验及理论研究，并颁布了相应的设计施工规程。有关外贴FRP加固混凝土结构已经有了大量的技术规程，但目前的加固设计理论均是基于静力破坏试验基础上建立的，包括：FRP-混凝土界面剥离强度、粘结-滑移关系、加固后构件刚度、极限承载力等。

以FRP加固钢筋混凝土梁(Reinforced Concrete Beam，简称RC梁)抗弯问题的研究为例，研究对象为FRP直接加固完好RC梁的文献和试验较多，FRP加固预损伤RC梁(卸载梁) 的文献和试验较少，FRP加固负载RC梁(持荷梁)的文献和试验还很匮乏。从研究时间跨度来看，研究FRP加固RC梁短期力学性能的文献和试验较多，研究FRP加固RC梁长期力学性能的文献和试验很少。从环境因素而言，不考虑环境因素影响的文献和试验是研究主流，考虑荷载-环境影响效应的文献和试验较少。

就实际工程而言，加固后结构在服役期内面临着环境因素、外荷载和复合材料时变力学性能的综合影响。

FRP加固RC梁从宏观来看包含四种材料：混凝土、钢筋、FRP材料以及粘结胶。混凝土作为一种非均匀组合材料，在短期荷载作用下呈现线弹性特征，在长期荷载作用下又表现出明显的蠕变特性。除遭遇锈蚀损伤外，普通钢筋一般不考虑其时变影响。工程上常用的纤维增强材料为CFRP，CFRP纤维本身在荷载作用下的应力-应变关系呈线弹性，在持续荷载作用下基本不表现出蠕变特性，但构成FRP材料基体的高聚物(一般为树脂基胶体)在持续荷载作用下表现出蠕变特性，故FRP材料整体存在一定的蠕变特性。FRP与混凝土界面之间的粘结材料主要采用环氧树脂胶体，已有试验表明，环氧树脂胶体在持续荷载作用下表现出明显的蠕变特性。所以，FRP加固钢筋混凝土构件在持续荷载作用下，各材料的时变性能对加固构件长期力学行为的影响不容忽视。

对于实际工程结构，作为加固对象的RC梁处于损伤状态，有初始裂缝和变形引起的刚度损伤，且加固施工时大多处于负载状态。此时加固后的结构中，外贴补强材料与原结构存在应变不同步的问题，这种由不同初始荷载水平引起的应变滞后现象对于加固结构长期力学性能带来的影响仍需深入研究。

由于设备和经费限制，本试验不考虑环境因素对加固结构的影响，以不同初始荷载水平和多种材料时变力学性能的复合影响为研究目标，制定纤维增强复合材料加固负载钢筋混凝土梁时变力学性能试验。

目前针对试验梁的抗弯破坏试验，大多是以“反力架+千斤顶+分配梁+试验梁+支座”构成加载体系，如图6的常用加载体系会使试验梁的受拉面在梁底面，无法在持荷状态下对试验梁进行加固操作。

如需将试验梁的受拉面调整到顶面，则需两套反力架或使用地锚装置对试验梁进行加载，需要占用的实验室空间、设备较多，实验室反力架、地锚装置的尺寸大小也会对试验梁尺寸大小带来很大限制。如需进行长期试验，学校或独立科研机构实验室都很难满足单个课题组长期占用大量实验室空间和设备的要求。

荷载的长期施加方式一般有以下几类：悬重法、堆重法、千斤顶法、螺栓法等。其中悬重法和堆重法的稳定性最强，但考虑到FRP加固RC梁的抗弯能力较强，达到其抗弯承载力所需的荷载等效为悬重或堆重所需的质量动辄数以吨计，收集质量、体积、标准刻度都能达到要求的重物(如砝码等)所需的成本明显过高。使用千斤顶法的加载精度最好控制，但无论是油压千斤顶、机械千斤顶还是手摇式千斤顶都很难保证长达数月的持荷稳定性。螺栓法的持荷稳定性不及悬重、堆重法，加载精度不及千斤顶法且很难通过拧紧螺栓施加太大的荷载。

发明内容

本发明的目的在于针对目前常用加载体系会使试验梁的受拉面在梁底面，无法在持荷状态下对试验梁进行加固操作；如将试验梁的受拉面调整到顶面，则需两套反力架或使用地锚装置对试验梁进行加载，需要占用的实验室空间、设备较多，实验室反力架、地锚装置的尺寸大小也会对试验梁尺寸大小带来很大限制的问题，提供了一种使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置，包括：

支座组件，该支座组件用于限定试验梁架设位置，支座位置位于试验梁中段；

加载框架，在该加载框架上通过设置加载装置抵接试验梁顶面的加载区域；

上述加载区域分别通过加载装置抵接于试验梁的两端顶面，加载区域的抵接部分设置有用于监测试验梁实时荷载数值的压力传感器且加载框架通过该加载区域支撑于试验梁上。

长期持荷加载试验，对荷载的长期稳定性和加载时的精确可控性都有很高的要求，已有加载方法都各有不足，如需要占用的实验室空间、设备较多等，因需要在持荷状态下对试验梁进行加固作业，故需要将试验梁的受拉面设计到顶面，并留出足够空间，通过设置使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置，调整支座位置使其位于试验梁中段并设计两个加载截面对试验梁两端加载区域施加向下荷载，将试验梁的受拉面调整到顶面，并留出了足够空间来完成FRP的粘贴加固操作，比现有试验更接近实际工程的受力状态。

进一步地是，上述加载框架包括整个加载截面的框架形结构，上述加载区域位于上述框架形结构上侧的内侧面，上述支座组件设置有延伸进上述框架形结构内侧的固定部，该框架形结构下侧内侧用于抵接上述固定部。这里的固定部可以是水平向的纵梁，纵梁两端穿过加载框架形结构，且其顶面与框架形结构内侧抵接。

这样设置后，通过每个加载截面上的设计，使本装置在技术上达到了加载装置施加荷载，加载框架形结构保持荷载的混合加载、持荷效果。使长期试验过程中的加载精确度、可控性和持荷稳定性得到了保证。

进一步地是，上述框架形结构包括：

传力杆；

反力梁，该反力梁与上述传力杆上端连接；

下横梁，该下横梁与上述传力杆下端连接；

上述传力杆、反力梁和下横梁形成框架形结构。

将上述的框架形结构分为多个部分，这样不仅方便装备，也是为了适应不同的场景需要，即根据不同尺寸、大小规格的试验梁对加载框架进行调整，使用加载装置时，如采用千斤顶加载时，也方便根据千斤顶的行程前进调整。上述的各个部件优选采用螺栓进行固定、锁紧。

进一步地是，上述加载装置与压力传感器之间设置有上横梁。

进一步地是，上述传力杆穿过上述上横梁并被上横梁径向限位，上述反力梁、上横梁和下横梁上下对应。这样设置以避免加载装置与压力传感器的接触。

进一步地是，上述支座组件包括：

支墩，该支墩设置于地面上；

支座，该支座中心设置于支墩顶面中心点；

试验梁设定为简支梁，在此边界条件下支座采用一个固定铰支座和一个滑动铰支座。

进一步地是，上述支墩上固定有沿梁长方向延伸的纵梁，上述加载框架为框形结构，该纵梁两端用于伸入该加载框架内侧并与该加载框架下侧的内侧面抵接。

进一步地是，上述纵梁下侧设置有支腿，该支腿用于通过地锚连接于地面。

通过膨胀螺栓进行地锚，其作用是固定整个装置框架，消除场地地面不平整对装置的影响。

进一步地是，上述压力传感器顶面、底面都设置有用于固定在试验梁上的限位装置，该限位装置用于保证在加载全过程中压力传感器与加载框架处于同一截面，防止试验梁的变形挠度造成压力传感器偏压导致的测量误差和可能出现的滑移、崩落等安全风险。这里的限位装置可以是板体结构。

进一步地是，设置于压力传感器顶面、底面上的上述限位装置之间设置有数根限位钢筋，上述压力传感器限位于该数根限位钢筋围成的框架内。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为用于说明本发明的使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置的正视示意图；

图2为用于说明本发明的使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置的侧视示意图；

图3为用于说明本发明的使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置的俯视示意图；

图4为用于说明本发明的使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置的压力传感与限位装置的示意图；

图5为用于说明本发明的使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置的传力路径图；

图6为目前常用的钢筋混凝土梁加载体系结构；

图中标记：支墩1、横撑杆2、纵梁3、地锚4、反力梁5、上横梁6、下横梁7、压力传感器8、传力杆9、千斤顶10、试验梁11、支座12、限位钢筋13、限位装置14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图1-5，使负载钢筋混凝土梁顶面受拉的抗弯加载长期试验装置，其特征在于，包括支座组件和加载框架；支座组件用于支撑试验梁11，支座位置位于试验梁11中段；加载框架上设置有通过加载装置抵接试验梁11的加载区域；上述加载区域分别通过加载装置抵接于试验梁11的两端，加载区域的抵接部分设置有用于监测试验梁11实时荷载数值的压力传感器。上述压力传感器顶面、底面都设置有用于固定在试验梁上的限位装置14，该限位装置14 用于保证在加载全过程中压力传感器与加载框架处于同一截面，防止试验梁的变形挠度造成压力传感器偏压导致的测量误差和可能出现的滑移、崩落等安全风险。这里的限位装置14可以是板体结构。设置于压力传感器顶面、底面上的上述限位装置14之间设置有数根限位钢筋 13，上述压力传感器限位于该数根限位钢筋13围成的框架内。

具体设置可以参照以下设置，整个试验装置为自平衡体系，由支墩1，横撑杆2，纵梁3、地锚4，反力梁5，上横梁6，下横梁7，压力传感器8，传力杆9、千斤顶10、支座12组成，该试验装置对试验梁1111进行试验。

(1)支墩1、横撑杆2

支墩1：即为混凝土支撑墩，目的是为整个装置提供基座和高度。本试验支墩1截面尺寸b×l＝400mm×400mm，墩高h＝600mm，混凝土强度C40。

放置支墩1前应先在试验场地划线，确保1组2个支墩1形心在同一直线上，两个支墩 1顶面支座12形心间距700mm，两个支撑墩边缘间距300mm。

在支撑墩模具高450mm的纵向中轴线上两侧预先钻孔，孔径30mm。

浇筑混凝土前，在模具预留孔道中插入一根外径30mm、壁厚2mm的空心PVC管(塑料管)；在混凝土浇筑完成后，于PVC管中插入横撑杆2。

横撑杆2：即为横向支撑杆，目的是确定纵梁3安装高度，并配合螺栓对其进行横向位移约束，与纵梁3共同组成加载装置的主要框架。在此要求下，横撑杆2和纵梁3都需要有足够的刚度和强度保证。

为保证横撑杆2强度、刚度足够富余，采用尺寸规格为M24，长600mm，强度等级为12.9 级的调质高强度螺杆，抗拉强度1200MPa，屈服强度1080MPa。

每组装置应配置2根横向支撑杆，每根横向支撑杆配置2个配套螺栓、2个配套垫片。

(2)纵梁3、地锚4

纵梁3：即为纵向反力梁5，目的是与横撑杆2一起组成加载装置的主要框架。纵梁3由两根[20a型槽钢组成，槽钢材料为Q235钢，截面尺寸为：b×h＝73mm×200mm，槽钢长度l＝2500mm，在距离两侧边缘900mm的竖向中心线上开凿两个直径30mm的孔道供横撑杆2穿过，横撑杆2架设于支撑墩两侧，用螺母拧紧进行锚固。

地锚4：可以抵消试验场地没有实验室地面严格水平的影响，消除可能出现的偏心扭转带来的误差影响和安全隐患。地锚4由支腿和锚固部分组成，支腿由两根长350mm的[12型槽钢组成，支腿外沿焊接在距纵梁3边缘450mm的下翼缘位置，支腿下方焊接一块截面尺寸为：b×l＝150mm×200mm，厚10mm的钢板，在钢板中心钻孔打入一颗直径20mm，长150mm的膨胀螺栓。

(3)支座12、试验梁11

支座12中心点应架分别设在支墩1顶面中央位置，支座12形心应与支撑墩形心重合，1 组2个支座，1个为固定铰支座，1个为滚动铰支座。支座按《混凝土结构试验方法标准》(GB50152-2012)相关规范制作，由上顶板、下垫板、钢滚轴、限位钢筋组成。

本试验的试验梁11截面尺寸为：b×h＝120mm×200mm，试验梁11跨径 l＝2300mm，架设时应先在试验梁11顶、底面划线，标记支座位置与压力传感器8位置，确保架设位置精确。

(4)横梁

横梁：包括反力梁5、上横梁6、下横梁7，除部分细节(上横梁6下侧中央垫板限位措施)外尺寸、构造完全相同。三层横梁体系与纵梁3、千斤顶10、压力传感器8共同组成加载框架。

横梁由两根14b型槽钢背靠背距离30mm组成“][”型截面，槽钢材料为Q235钢，截面尺寸为：b×h＝60mm×140mm，槽钢长度l＝750mm。在槽钢顶、底面分别焊接两侧垫板与中央垫板，将整个结构连接为一个整体，并在两侧垫板中央开凿直径30mm的孔道，供传力杆9穿过。

各横梁的架设位置如下：

下横梁7：下横梁7顶面紧贴纵梁3下缘架设，在下横梁7底面位置拧紧两层螺栓锚固，由纵梁3和螺栓限制其上、下两个方向位移。

上横梁6：上横梁6底面中央垫板的限位措施应架设在压力传感器8顶部并压实，在上横梁6顶面位置拧两层螺栓锚固，由螺栓限制其向上方位移，允许其在千斤顶10施加荷载时向下位移并将荷载向下传递。

反力梁5：横向反力梁5底面中央垫板中心位置应架设在千斤顶10预定位置并压实，在横向反力梁5顶面位置都拧两层螺栓锚固，限制其向上位移，允许其在千斤顶10卸载后向下位移以重新调整千斤顶10行程。

(5)压力传感器8、限位措施

压力传感器8：每组2个，对称安装在试验梁11两侧加载位置的正上方，用于测量、控制试验荷载大小。传感器直径45mm，高90mm。

限位措施：在放置压力传感器8之前，在试验梁11顶面对应位置粘贴一层钢垫板，并在该钢垫板与上横梁6下侧中央垫板中央焊接三角形纤维钢筋，如图4所示，用以限制传感器偏心受压的可能，并防止试验梁11在接近极限荷载时变形较大引起偏压脱落的安全隐患。

(6)千斤顶10、传力杆9及配套螺栓、垫片

千斤顶10：放置在上横梁6上侧中央垫板的中心位置，对试验梁11施加外荷载。

传力杆9：使用高强度调质螺杆穿过三层横梁之间的空隙，并使用妥当方法固定，限制传力杆9的纵向、横向位移，保证荷载施加方向为竖向。

为保证竖向传力杆9强度、刚度足够富余，采用尺寸规格为M24，强度等级为12.9级的调质高强度螺杆，抗拉强度1200MPa，屈服强度1080MPa，长为1600mm。

配套螺栓、垫片：为保证长期持荷过程中不出现因螺栓松弛引起的荷载波动现象，采用强度等级为12.9级的调质高强度螺杆的配套螺栓、垫片，螺栓抗剪强度1200MPa，屈服强度1080MPa。

加载由手持式油压千斤顶10完成，加载时传力途径如图5所示。

加载前先确认各位置处螺栓已拧紧，试验梁11和各横梁都处于水平状态。

加载开始后，千斤顶10顶起开始行程并对反力梁5施加向上荷载，此时反力梁5上侧位移被限制处于受力平衡的静止状态，并向千斤顶10施加一个同样大小的向下荷载。

在此荷载下，千斤顶10、上横梁6一起受力向下位移，并将荷载传递到压力传感器8。

由压力传感器8显示出此时的荷载值大小进行调整和控制，同时压力传感器8也受力向下位移将荷载传递到试验梁11的加载位置。

试验梁11受到可由读数控制的规定大小荷载并下挠变形，完成一次加载过程，待荷载和变形稳定后，记录下本级荷载下的压力传感器8读数和百分表读数。

不断循环加载操作直到千斤顶10到达行程，此时在压力传感器8读数的指导下，拧紧上横梁6顶面位置螺栓。待荷载和变形稳定后，对千斤顶10进行卸载。向下调整反力梁5位置，重新拧紧反力梁5顶面位置处螺栓，开始下一级加载直至到达规定荷载。

到达规定荷载后，拧紧上横梁6顶面位置螺栓。待荷载和变形稳定后，对千斤顶10进行卸载，开始长期持荷过程。

针对目前研究对象为负载RC梁，需要在持荷状态下对试验梁11进行加固作业，故需要将试验梁11的受拉面设计到顶面，并留出足够空间。

本装置通过调整支座位置并设计两个加载截面，将试验梁11的受拉面调整到顶面，并留出足够空间来完成FRP的粘贴加固操作。这里的加载截面即竖向方向上多层的结构，主要由反力梁5、千斤顶10、上横梁6等构成。

针对目前长期持荷加载试验，对荷载的长期稳定性和加载时的精确可控性都有很高的要求，已有加载方法都各有不足，需要研究新的长期持荷方案。

本装置通过每个加载截面上的3层横梁设计，使本装置在技术上达到了“千斤顶10施加荷载，螺栓保持荷载”的混合加载、持荷效果。使长期试验过程中的加载精确度、可控性和持荷稳定性得到了保证。

在解决上述核心技术问题的基础上，还综合考虑试验条件和成本控制等因素，设计的自平衡体系加载装置易于运输、安装，并很容易满足试验条件。

即本发明通过调整支座位置并设计两个加载截面，将试验梁11的受拉面调整到顶面，并留出足够空间来完成FRP的粘贴加固操作，还通过每个加载截面上的3层横梁设计，使本装置在技术上达到了千斤顶10施加荷载，各横梁保持荷载的混合加载、持荷效果。使长期试验过程中的加载精确度、可控性和持荷稳定性得到了保证。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。