基于光纤传感的钢筋混凝土腐蚀疲劳试验方法及其装置制造方法
【专利摘要】基于光纤传感的钢筋混凝土腐蚀疲劳试验方法及其装置，所述的方法包括：1)浇筑钢筋混凝土梁及布置光纤光栅传感器；2)安装钢筋混凝土梁；3)电源连接；4)注入电解液；5)试验数据采集；按照所述的方法构建的装置包括待测钢筋混凝土梁、荷载分配梁、支撑装置、上端敞口的腐蚀槽、液压千斤顶、监测装置、直流稳压电源。本发明的优势是：充分考虑腐蚀介质和交变应力的耦合作用，与服役中的钢筋混凝土结构所处的使用环境更为接近，试验数据更有效可靠。
【专利说明】基于光纤传感的钢筋混凝土腐蚀疲劳试验方法及其装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于涉及电化学、光学、力学和传感器监测技术，涉及一种基于光纤传感的 钢筋混凝土腐蚀疲劳试验方法及其装置。
【背景技术】
[0002] 钢筋混凝土结构的腐蚀疲劳破坏是其在交变应力和腐蚀介质耦合作用下产生疲 劳断裂的现象。本发明以钢筋混凝土梁为例进行说明。钢筋混凝土梁的腐蚀疲劳劣化机理 可以表述如下：
[0003] 1、氯离子引起的钢筋混凝土梁劣化。混凝土本身为多孔结构，存在大量的孔隙和 微裂缝。混凝土表面的氯离子通过扩散作用，进入到钢筋表面，并在表面积累。一般认为氯 离子在混凝土中的扩散呈线性分布，扩散模型符合菲克第二定律。氯离子进入混凝土中，会 降低混凝土中的PH值，当PH值降低到一定值以下时，会使钢筋表面的钝化膜处于活化状 态。氯离子扩散到钢筋表面并积累到一定的浓度值，引起钢筋局部钝化膜破坏。钝化膜破 坏处钢筋暴露形成阳极，未破坏处形成阴极，从而产生腐蚀电池，钢筋开始腐蚀。腐蚀过程 为阳极金属铁被氧化形成铁离子，与氢氧根反应生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁遇到孔隙液 中的水和氧气转化为其他形式的铁锈。氯离子在钢筋腐蚀过程中起到了催化剂的作用。随 着钢筋腐蚀的进行，钢筋在暴露区会产生点蚀，继而发展成为蚀坑。
[0004] 2、氯离子和疲劳荷载对钢筋混凝土梁劣化的耦合作用。随着腐蚀产物的不断积 累，会对包裹钢筋的混凝土产生膨胀应力，从而引起混凝土保护层的开裂。在腐蚀环境下施 加疲劳荷载后，将会加快混凝土裂纹的发展。当保护层开裂到一定的宽度，更多的氯离子进 入到钢筋表面，加快钢筋的腐蚀速率，使蚀坑进一步发展。通常认为，钢筋的疲劳裂纹起源 于蚀坑。当蚀坑深度达到某一临界值时，蚀坑开始向裂纹转变。蚀坑向裂纹转变阶段的周 期与腐蚀环境和疲劳荷载的频率及应力幅有关。
[0005] 3、疲劳荷载对钢筋混凝土梁劣化的影响。裂纹生成后，在疲劳荷载的作用下，裂纹 进一步发展，直到钢筋的裂纹宽度达到临界值，结构达到承载能力极限状态，梁结构失效。
[0006] 在实际服役过程中，特别对于跨江跨海结构，钢筋混凝土梁通常受到循环荷载与 腐蚀介质的耦合作用。钢筋混凝土梁在腐蚀疲劳耦合作用下的性能退化较单一因素（腐蚀 或疲劳）作用下的情况更为显著，梁的强度、刚度等结构构件承载能力力学指标有较大的 衰减，进而引起结构使用寿命的显著降低。因此，对钢筋混凝土梁开展在腐蚀疲劳耦合作用 下的结构性能试验，通过实时记录试验过程中钢筋和混凝土的受力性能、混凝土内部钢筋 的腐蚀规律以及混凝土中环境参数的变化情况，对掌握钢筋混凝土梁在腐蚀疲劳耦合作用 下的劣化机理，并建立准确的结构性能时变评估理论具有重要的指导意义。
[0007] 目前，用于监测钢筋混凝土结构腐蚀状况的技术主要包括：
[0008] 1、钢筋腐蚀电化学监测技术。钢筋腐蚀电化学监测技术是基于电化学腐蚀理论的 用于监测钢筋混凝土结构腐蚀状况的常用技术。监测方法主要有开路电位法、交流阻抗谱 法和线性极化法等，所测量的电化学参数为半开路电位、交变电流或电压和线性极化阻抗 等，通过获得的监测参数进行钢筋腐蚀程度的判断。但是，基于电化学腐蚀监测技术得到的 钢筋腐蚀程度的结论多半为定性或半定性的。
[0009] 2、钢筋腐蚀物理监测技术。钢筋腐蚀物理监测技术主要包括外观检测、X射线照 相技术、红外热成像技术、光纤传感器监测技术等。其中光纤传感器监测技术是近来年发展 起来的一种新型监测技术。光纤传感器监测系统的组成主要包括宽带光源发射器、光源接 收器、光导纤维、信号处理元件和解调仪。光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，具有抗 电磁干扰能力强、电绝缘性能好、可植入性强、耐腐蚀、化学性能稳定、测量范围广、高精度、 高分辨率等优点。光纤光栅传感器的监测参数为光栅传感器反射的布拉格波长。当外界温 度、应力等物理参数发生改变时，会引起布拉格光栅的光栅周期（栅距）和光纤折射率的变 化，从而引起布拉格波长的变化，通过监测波长的变化可以得到钢筋混凝土梁的应变或温 度等物理参数的改变量。
[0010] 随着制作工艺的提高，在一根光纤上可以串联多种试验物理参数光纤光栅传感 器，实现了不同试验物理参数的实时同步监测。
[0011]目前，对于钢筋混凝土梁的结构性能试验装置通常只能考虑腐蚀或疲劳单一因素 的作用，考虑腐蚀疲劳耦合作用的试验装置并不多见。现有的试验装置可大致归纳为：
[0012] 1、模拟腐蚀环境作用的试验装置。①干湿循环装置。一些研宄者利用循环水池与 水泵和喷头对钢筋混凝土梁喷淋，模拟自然条件下的降水，利用红外线灯对钢筋混凝土梁 进行照射，模拟自然条件下的日光照射，并采用在试件的表面和循环水池中央放置热电偶 以获得干湿循环过程中温度的变化，对水泵和红外线灯采用时间控制器进行时间上的自动 控制，从而实现不同的干湿循环机制。②电解液加速腐蚀试验装置。基于法拉第定律，将钢 筋混凝土梁放入盛有一定浓度氯化钠溶液的玻璃槽中，梁与玻璃槽底板之间放置支座，梁 中的纵向受力钢筋外伸，氯化钠溶液浸没外伸钢筋，外加直流稳压电源，阳极与钢筋连接， 阴极与不锈钢板连接，通过外加电流进行钢筋混凝土梁的加速腐蚀，并可以通过调节电流 强度对加速腐蚀速率进行控制。
[0013] 2、模拟循环荷载作用下的试验装置。混凝土柱支撑钢筋混凝土梁，利用疲劳试验 机等加载设备和千斤顶模拟循环荷载，对钢筋混凝土梁进行疲劳加载试验。为防止集中荷 载对钢筋混凝土梁的局部破坏，在千斤顶与钢筋混凝土梁之间放置钢板。
[0014] 3、加速腐蚀试验后进行梁的疲劳试验装置。一些研宄者进行钢筋混凝土梁腐蚀情 况下的疲劳试验时，通常将腐蚀和疲劳试验分开进行。先通过上述提到的干湿循环装置或 电解液加速腐蚀试验装置进行梁的腐蚀加速试验，在腐蚀完成后再进行疲劳加载试验。
[0015] 本腐蚀疲劳试验装置的发明将弥补上述现状的不足，并基于目前常用的钢筋加速 腐蚀方法一一电解液加速法，提出了钢筋混凝土梁腐蚀疲劳试验装置的创新设计思路。
【发明内容】
[0016] 为了解决目前的钢筋混凝土梁的结构性能试验装置通常只能考虑腐蚀或疲劳单 一因素的作用，没有考虑腐蚀疲劳耦合作用导致结果不够准确的问题，提出了一种充分考 虑腐蚀疲劳耦合作用、测量结果准确可靠的基于光纤传感的钢筋混凝土腐蚀疲劳试验方法 及其装置。
[0017] 基于光纤传感的钢筋混凝土腐蚀疲劳试验方法，包括以下步骤：
[0018] 1)浇筑钢筋混凝土梁及布置光纤光栅传感器：绑扎钢筋骨架，在梁跨中截面的纵 向受弯钢筋环向缠绕一圈光纤光栅应变传感器，用于监测钢筋的锈蚀情况；在梁跨中截面 附近沿纵向受弯钢筋轴向粘贴光纤光栅应变传感器和用于温度补偿的光纤光栅温度传感 器，用于监测钢筋的应力变化情况；在梁跨中截面附近沿纵向受弯钢筋轴向布置光纤光栅 PH值传感器，用于监测钢筋表面的PH值变化情况；在纵向受弯钢筋上焊接一根与其竖向正 交的构造钢筋并等间距布置光纤光栅氯离子浓度传感器，用于监测氯离子浓度随深度的变 化情况；将绑扎好的钢筋骨架放入模板并浇筑混凝土，待养护完成后，在梁跨中截面外侧沿 竖向等间距布置光纤光栅应变传感器和用于温度补偿的光纤光栅温度传感器，用于监测混 凝土的应力变化情况；
[0019] 2)安装钢筋混凝土梁：将经步骤1)配置光纤光栅传感器的钢筋混凝土梁放置于 腐蚀槽内的两个简支支座上，保证钢筋混凝土梁的下表面与简支支座的上垫板紧密贴合， 二者之间不产生滑移；按照四点弯曲加载方式布置上层简支支座：在钢筋混凝土梁顶面的 两个四分点处放置两个简支支座，将荷载分配梁放置于上层简支支座上，并在荷载分配梁 上表面固定液压千斤顶；
[0020] 3)电源连接：用导线将直流稳压电源的正极与钢筋混凝土梁的外伸纵向受弯钢 筋连接，负极与浸入电解质溶液内的不锈钢板连接，形成可以控制腐蚀速率的回路，用于加 速腐蚀试验；
[0021] 4)注入电解液：在腐蚀槽内注入3%?5%的氯化钠溶液，溶液高度完全浸没外伸 纵向受弯钢筋；
[0022] 5)试验数据采集：同时进行加速腐蚀和钢筋混凝土梁的疲劳加载试验，并对传感 器进行数据采集与存储；
[0023] 按照本发明所述的试验方法构建的装置，其特征在于：待测钢筋混凝土梁、荷载分 配梁、支撑装置、上端敞口的腐蚀槽、液压千斤顶、监测装置、直流稳压电源；
[0024] 所述的腐蚀槽内底板放置不锈钢板、腐蚀槽内装有3%?5%电解质溶液；
[0025] 所述的支撑装置包括上层支撑和下层支撑，所述的上层支撑和所述的下层支撑分 别位于待测钢筋混凝土梁的上下表面，所述的下层支撑的简支支座的下垫板与腐蚀槽内底 板固接，所述的下层支撑的简支支座的上垫板与待测钢筋混凝土梁底面紧密接触；所述的 上层支撑的简支支座的下垫板与待测钢筋混凝土梁上表面紧密接触，所述的上层支撑的简 支支座的上垫板与荷载分配梁底面紧密接触；所述的液压千斤顶放置于所述的荷载分配梁 的顶面；
[0026] 所述的监测装置包括解调仪、数据采集与存储设备、为传感器提供信号传输载体 的光纤、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器环、光纤光栅PH 值传感器以及光纤光栅氯离子浓度传感器；传感器的布置如下：在待测钢筋混凝土梁跨中 截面的纵向受弯钢筋环向缠绕光纤光栅应变传感器环，用于监测钢筋的锈蚀情况；在待测 钢筋混凝土梁跨中截面附近的纵向受弯钢筋轴向粘贴光纤光栅应变传感器，用于监测钢筋 的应力变化情况，同时与光纤光栅温度传感器串联，进行温度补偿；在待测钢筋混凝土梁跨 中截面附近沿纵向受弯钢筋表面轴向布置光纤光栅PH值传感器，用于监测钢筋表面的PH 值变化情况；在钢筋混凝土梁跨中位置的纵向受弯钢筋上的与其竖向正交的构造钢筋上等 间距布置光纤光栅氯离子浓度传感器，用于监测氯离子浓度随深度的变化情况；将绑扎好 的钢筋骨架放入模板并浇筑混凝土，待养护完成后，在梁跨中截面外侧沿竖向等间距布置 光纤光栅应变传感器和用于温度补偿的光纤光栅温度传感器，用于监测混凝土的应力变化 情况；
[0027] 所述的直流稳压电源的正极与钢筋混凝土梁的外伸纵向受弯钢筋连接、负极与浸 入电解液内的不锈钢板连接。
[0028] 所述的上层支撑和下层支撑均由两个简支支座组成，其中一个为固定铰支座、另 一个为滚动铰支座；所述的上层支撑的简支支座轴线位于待测钢筋混凝土梁的两个四分 点，下层支撑的简支支座沿纵轴线方向焊接于腐蚀槽底板；所述的简支支座包括作为支撑 面的上垫板、用于固定的下垫板、用于支撑的钢滚轴，所述的钢滚轴固定在所述的上垫板和 所述的下垫板之间；所述的下层支撑的简支支座的上垫板和上层支撑简支支座的下垫板与 所述的待测钢筋混凝土之间涂覆砂浆层；所述的简支支座的长度不小于待测钢筋混凝土梁 的宽度，上垫板和下垫板的厚宽比不小于等于1/6。
[0029] 待测钢筋混凝土梁横截面为矩形，同层的两简支支座的轴线相互平行，并且垂直 于待测钢筋混凝土梁的纵向轴线；上层支撑简支支座轴线位于待测钢筋混凝土梁的两个四 分点，下层支撑简支支座轴线间的距离为待测钢筋混凝土梁的计算跨度。
[0030] 所述的腐蚀槽内表面、所述的支撑装置的裸露部分均涂有环氧树脂层。
[0031] 所述的环氧树脂层涂层厚度为1mm。
[0032] 所述的腐蚀槽的内槽长度方向尺寸比钢筋混凝土梁的纵向受弯钢筋长250? 500mm，宽度方向尺寸比待测钢筋混凝土梁宽100?150mm。
[0033] 所述的电解液为3 %?5 %氯化钠溶液。
[0034] 所述的钢筋混凝土梁跨中位置的纵向受弯钢筋焊接竖向正交构造钢筋，用来粘贴 光纤光栅氯离子浓度传感器；纵向钢筋与箍筋连接处设置软塑料管；并且所述的纵向受弯 钢筋在下层支撑的简支支座范围以外区域涂抹环氧树脂层，涂层厚度为〇. 3mm左右；纵向 受弯钢筋、不锈钢板与导线连接处涂抹环氧树脂层，涂层厚度Imm左右，并包裹纱布。
[0035] 所述的荷载分配梁的横截面为工字形，所述的荷载分配梁的宽度不小于上层支撑 简支支座的上垫板的长度。
[0036] 在梁跨中截面的纵向受弯钢筋布置光纤光栅应变传感器环；在梁跨中截面附近沿 纵向受弯钢筋轴向粘贴光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器；在梁跨中截面附近沿 纵向受弯钢筋轴向布置光纤光栅PH值传感器；在梁跨中纵向受弯钢筋的构造钢筋上等间 距布置光纤光栅氯离子浓度传感器；在梁跨中截面外侧沿竖向等间距布置光纤光栅应变传 感器和光纤光栅温度传感器。
[0037] 本腐蚀疲劳试验装置的加载方式采用试验室中常用的四点弯曲加载方式。选用四 点弯曲加载是为获得较为准确的试验结果。钢筋混凝土梁的支撑方式取为简支形式。加速 腐蚀试验采用电解液加速腐蚀法，电解质溶液为3%?5%的氯化钠溶液，通过外接直流稳 压电源对腐蚀速率进行控制。采用光纤光栅传感器进行多项试验物理参数的实时监测，包 括：氯离子浓度值、PH值、钢筋应变、混凝土应变和钢筋的锈蚀量等。
[0038] 本发明的优势是：1)本试验装置模拟了实际环境中的腐蚀介质和交变应力的耦 合作用，与服役中的钢筋混凝土结构所处的使用环境更为接近，因此试验数据更有效可 罪；
[0039] 2)本试验装置的试验过程更接近钢筋混凝土结构的腐蚀疲劳失效的理论模型，可 为掌握钢筋混凝土结构腐蚀疲劳机理及理论分析提供试验依据；
[0040] 3)采用光纤光栅传感器进行试验物理参数的测量，由于其特有的波分复用特征， 实现了多种试验物理参数的实时同步监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0041] 图1是本发明的结构图。
[0042] 图2是图1的A-A剖示图。
[0043] 图3是图2的A-A剖面传感器布置示意图。
[0044] 图4是本发明的钢筋混凝土梁跨中附近纵向受弯钢筋传感器布置图。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图进一步说明本发明
[0046] 参照附图：
[0047] 实施例1基于光纤传感的钢筋混凝土腐蚀疲劳试验方法，包括以下步骤：
[0048] 1)浇筑钢筋混凝土梁及布置光纤光栅传感器：绑扎钢筋骨架，在梁跨中截面的纵 向受弯钢筋环向缠绕一圈光纤光栅应变传感器，用于监测钢筋的锈蚀情况；在梁跨中截面 附近沿纵向受弯钢筋轴向粘贴光纤光栅应变传感器和用于温度补偿的光纤光栅温度传感 器，用于监测钢筋的应力变化情况；在梁跨中截面附近沿纵向受弯钢筋轴向布置光纤光栅 PH值传感器，用于监测钢筋表面的PH值变化情况；在纵向受弯钢筋上焊接一根与其竖向正 交的构造钢筋并等间距布置光纤光栅氯离子浓度传感器，用于监测氯离子浓度随深度的变 化情况；将绑扎好的钢筋骨架放入模板并浇筑混凝土，待养护完成后，在梁跨中截面外侧沿 竖向等间距布置光纤光栅应变传感器和用于温度补偿的光纤光栅温度传感器，用于监测混 凝土的应力变化情况；
[0049] 2)安装钢筋混凝土梁：将经步骤1)配置光纤光栅传感器的钢筋混凝土梁放置于 腐蚀槽内的两个简支支座上，保证钢筋混凝土梁的下表面与简支支座的上垫板紧密贴合， 二者之间不产生滑移；按照四点弯曲加载方式布置上层简支支座：在钢筋混凝土梁顶面的 两个四分点处放置两个简支支座，将荷载分配梁放置于上层简支支座上，并在荷载分配梁 上表面固定液压千斤顶；
[0050] 3)电源连接：用导线将直流稳压电源的正极与钢筋混凝土梁的外伸纵向受弯钢 筋连接，负极与浸入电解质溶液内的不锈钢板连接，形成可以控制腐蚀速率的回路，用于加 速腐蚀试验；
[0051] 4)注入电解液：在腐蚀槽内注入3%?5%的氯化钠溶液，溶液高度完全浸没外伸 纵向受弯钢筋；
[0052] 5)试验数据采集：同时进行加速腐蚀和钢筋混凝土梁的疲劳加载试验，并对传感 器进行数据采集与存储；
[0053] 实施例2按照实施例1所述的试验方法构建的装置，其特征在于：待测钢筋混凝土 梁3、荷载分配梁2、支撑装置、上端敞口的腐蚀槽4、液压千斤顶1、监测装置、直流稳压电源 15 ；
[0054] 所述的腐蚀槽7内底板放置不锈钢板13、腐蚀槽7内装有用于浸没待测钢筋混凝 土梁3纵向受弯钢筋4的3%?5%氯化钠溶液14 ;
[0055] 所述的支撑装置包括上层支撑和下层支撑，所述的上层支撑和所述的下层支撑分 别位于待测钢筋混凝土梁3的上下表面，所述的下层支撑的简支支座（8,9)的下垫板与腐 蚀槽7内底板固接，所述的下层支撑的简支支座（8,9)的上垫板与待测钢筋混凝土梁3底 面紧密接触；所述的上层支撑的简支支座（10,11)的下垫板与待测钢筋混凝土梁3上表面 紧密接触，所述的上层支撑的简支支座（1〇、11)的上垫板与荷载分配梁2底面紧密接触；所 述的液压千斤顶1放置于所述的荷载分配梁的顶面；
[0056] 所述的监测装置包括解调仪17、数据采集与存储设备18、为传感器提供信号传输 载体的光纤19、光纤光栅应变传感器20、光纤光栅温度传感器21、光纤光栅应变传感器环 22、光纤光栅PH值传感器23以及光纤光栅氯离子浓度传感器24 ;所述的光纤光栅应变传 感器环22缠绕于待测钢筋混凝土梁跨中截面的纵向受弯钢筋；所述的光纤光栅应变传感 器20粘贴于待测钢筋混凝土梁跨中截面附近的纵向受弯钢筋、并且与所述的光纤光栅温 度传感器21串联，作为温度补偿措施；所述的光纤光栅PH值传感器23粘贴于待测钢筋混 凝土梁的纵向受弯钢筋表面；所述的光纤光栅氯离子浓度传感器24等间距布置于待测钢 筋混凝土梁的构造钢筋12 ;
[0057] 所述的直流稳压电源的正极与钢筋混凝土梁的外伸纵向受弯钢筋连接、负极与浸 入电解液内的不锈钢板连接。
[0058] 所述的上层支撑和下层支撑均由两个简支支座组成，其中一个为固定铰支座（8、 10)、另一个为滚动铰支座（9、11)，下层支撑的简支支座沿纵轴线方向焊接于腐蚀槽7底 板；所述的简支支座包括作为支撑面的上垫板、用于固定的下垫板以及用于支撑的钢滚轴， 所述的钢滚轴固定于所述的上垫板和所述的下垫板之间；所述的下层支撑简支支座（8、9) 的上垫板和上层支撑简支支座（1〇、11)的下垫板与待测钢筋混凝土梁之间涂覆砂浆层；所 述的下层支撑简支支座（8、9)的上垫板的长度不小于待测钢筋混凝土梁的宽度；所述的上 层支撑简支支座（1〇、11)的下垫板长度不小于待测钢筋混凝土梁的宽度；所述的上垫板和 下垫板的厚宽比均不小于1/6。待测钢筋混凝土梁横截面为矩形时，同层的两简支支座的轴 线相互平行，并且垂直于待测钢筋混凝土梁的纵向轴线，支座轴线间的距离为钢筋混凝土 梁的计算跨度。
[0059] 所述的腐蚀槽7内表面、所述的支撑装置的裸露部分均涂有环氧树脂层，涂层厚 度为lmm〇
[0060] 所述的腐蚀槽7的内槽长度方向尺寸比待测钢筋混凝土梁的纵向受弯钢筋长 250?500mm，宽度方向尺寸比待测钢筋混凝土梁宽100?150mm。
[0061] 所述的待测钢筋混凝土梁跨中位置的纵向受弯钢筋焊接竖向正交构造钢筋12 ; 所述的纵向受弯钢筋与箍筋5连接处设置软塑料管；所述的纵向受弯钢筋在下层支撑简支 支座（8、9)范围以外的区域涂抹环氧树脂层；所述的纵向受弯钢筋、不锈钢板13与导线16 连接处涂抹环氧树脂层并包裹纱布。
[0062] 所述的荷载分配梁的横截面为工字形，所述的荷载分配梁的宽度不小于上层支撑 简支支座（10,11)的上垫板长度。
[0063] 所述的待测钢筋混凝土梁跨中位置附近的纵向受弯钢筋易受腐蚀部位环向缠绕 光纤光栅应变传感器环22,沿梁跨中附近的纵向受弯钢筋轴向粘贴光纤光栅应变传感器 20,并采用光纤光栅温度传感器21与光纤光栅应变传感器20串联进行温度补偿；同时在钢 筋混凝土梁跨中截面外侧沿竖向等距布置光纤光栅应变传感器20,并采用光纤光栅温度传 感器21与光纤光栅应变传感器20串联进行温度补偿。
[0064] 本腐蚀疲劳试验装置的加载方式采用试验室中常用的四点弯曲加载方式。选用四 点弯曲加载是为获得较为准确的试验结果。钢筋混凝土梁的支撑方式取为简支形式。加速 腐蚀试验采用电解液加速腐蚀法，电解质溶液为3%?5%的氯化钠溶液，通过外接直流稳 压电源对腐蚀速率进行控制。采用光纤光栅传感器进行多项试验物理参数的实时监测，包 括：氯离子浓度值、PH值、钢筋应变、混凝土应变等。
[0065] 实施例3本实施例选取钢筋混凝土梁的尺寸为长X宽X高= 2500mmX120mmX250mm作为试验用梁进行试验装置设计思路的说明和光纤光栅传感器布 置方案说明。
[0066] 1、腐蚀疲劳试验装置设计实施方式：
[0067] ⑴腐蚀槽的设计制作
[0068] 材料取为5mm厚的钢板。腐蚀槽内侧长度方向尺寸应比纵向受弯钢筋长250? 500mm，宽度方向尺寸应比钢筋混凝土梁宽100?150mm。这里腐蚀槽尺寸取为长X宽X 高=3100mmX250mmX400mm。腐蚀槽内侧涂刷环氧树脂，厚度为Imm左右。
[0069] ⑵支撑装置的设计制作
[0070] 材料选为钢材，支撑装置裸露部位涂刷环氧树脂，厚度Imm左右。支撑装置的设计 应考虑如下问题：
[0071] ①应保证钢筋混凝土梁的边界约束条件和受力状态符合试验方案的受力简图；
[0072] ②支撑装置应该具有足够的刚度、承载力和稳定性，保证试验的正常、顺利进行；
[0073] ③支撑装置不应产生影响试件正常受力和试验测试精度的变形；
[0074] ④支撑装置的支撑面应与钢筋混凝土梁接触紧密，不产生滑移。
[0075] 本试验装置中设计的支座分为固定铰支座和滚动铰支座两种。支座的设计应符合 如下规定：
[0076] ①简支支座仅提供垂直于跨度方向的竖向反力；
[0077] ②上下两层支撑中的两个简支支座一个为固定铰支座，另一个为滚动较支座；上 层支撑简支支座的下垫板与待测钢筋混凝土梁之间铺一层砂浆，下层支撑简支支座的上垫 板与待测钢筋混凝土梁之间铺一层砂浆，下垫板焊接在腐蚀槽底板，焊接位置为腐蚀槽纵 向轴线位置。
[0078] ③固定铰支座限制试件在跨度方向的位移，不限制试件在支座处的转动；滚动较 支座不影响试件在跨度方向的变形和位移，以及在支座处的转动；
[0079] ④对于矩形截面钢筋混凝土梁，上下表面的简支支座轴线应彼此平行，并且垂直 于钢筋混凝土梁的纵向轴线，上层支撑简支支座轴线位于待测钢筋混凝土梁的两个四分 点，下层支撑简支支座轴线间的距离为待测钢筋混凝土梁的计算跨度；
[0080] ⑤试件支座的长度不宜小于试件的宽度，上垫板的宽度宜与钢筋混凝土梁的设计 支承宽度一致。垫板的厚宽比不宜小于1/6,钢滚轴直径按下表选取：
[0081] 表1钢滚轴直径
[0082]
【权利要求】
1. 基于光纤传感的钢筋混凝土腐蚀疲劳试验方法，包括以下步骤： 1) 浇筑钢筋混凝土梁及布置光纤光栅传感器：绑扎钢筋骨架，在梁跨中截面的纵向受 弯钢筋环向缠绕一圈光纤光栅应变传感器，用于监测钢筋的锈蚀情况；在梁跨中截面附近 沿纵向受弯钢筋轴向粘贴光纤光栅应变传感器和用于温度补偿的光纤光栅温度传感器，用 于监测钢筋的应力变化情况；在梁跨中截面附近沿纵向受弯钢筋轴向布置光纤光栅PH值 传感器，用于监测钢筋表面的PH值变化情况；在纵向受弯钢筋上焊接一根与其竖向正交的 构造钢筋并等间距布置光纤光栅氯离子浓度传感器，用于监测氯离子浓度随深度的变化情 况；将绑扎好的钢筋骨架放入模板并浇筑混凝土，待养护完成后，在梁跨中截面外侧沿竖向 等间距布置光纤光栅应变传感器和用于温度补偿的光纤光栅温度传感器，用于监测混凝土 的应力变化情况； 2) 安装钢筋混凝土梁：将经步骤1)配置光纤光栅传感器的钢筋混凝土梁放置于腐蚀 槽内的两个简支支座上，保证钢筋混凝土梁的下表面与简支支座的上垫板紧密贴合，二者 之间不产生滑移；按照四点弯曲加载方式布置上层简支支座：在钢筋混凝土梁顶面的两个 四分点处放置两个简支支座，将荷载分配梁放置于上层简支支座上，并在荷载分配梁上表 面固定液压千斤顶； 3) 电源连接：用导线将直流稳压电源的正极与钢筋混凝土梁的外伸纵向受弯钢筋连 接，负极与浸入电解质溶液内的不锈钢板连接，形成可以控制腐蚀速率的回路，用于加速腐 蚀试验； 4) 注入电解液：在腐蚀槽内注入3%?5%的氯化钠溶液，溶液高度完全浸没外伸纵向 受弯钢筋； 5) 试验数据采集：同时进行加速腐蚀和钢筋混凝土梁的疲劳加载试验，并对传感器进 行数据采集与存储。
2. 按照权利要求1所述的试验方法构建的装置，其特征在于：待测钢筋混凝土梁、荷载 分配梁、支撑装置、上端敞口的腐蚀槽、液压千斤顶、监测装置、直流稳压电源； 所述的腐蚀槽内底板放置不锈钢板、腐蚀槽内装有用于浸没待测钢筋混凝土梁纵向受 弯钢筋的3%?5%电解液； 所述的支撑装置包括上层支撑和下层支撑，所述的上层支撑和所述的下层支撑分别位 于待测钢筋混凝土梁的上下表面，所述的下层支撑的简支支座的下垫板与腐蚀槽内底板固 接，所述的下层支撑的简支支座的上垫板与待测钢筋混凝土梁底面紧密接触；所述的上层 支撑的简支支座的下垫板与待测钢筋混凝土梁上表面紧密接触，所述的上层支撑的简支支 座的上垫板与荷载分配梁底面紧密接触；所述的液压千斤顶放置于所述的荷载分配梁的顶 面； 所述的监测装置包括解调仪、数据采集与存储设备、为传感器提供信号传输载体的光 纤、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器环、光纤光栅PH值传 感器以及光纤光栅氯离子浓度传感器；所述的光纤光栅应变传感器环缠绕于待测钢筋混凝 土梁跨中截面的纵向受弯钢筋；所述的光纤光栅应变传感器粘贴于待测钢筋混凝土梁跨中 截面附近的纵向受弯钢筋、并且与所述的光纤光栅温度传感器串联，作为温度补偿措施；所 述的光纤光栅PH值传感器粘贴于待测钢筋混凝土梁的纵向受弯钢筋表面；所述的光纤光 栅氯离子浓度传感器等间距布置于待测钢筋混凝土梁的构造钢筋； 所述的直流稳压电源的正极与钢筋混凝土梁的外伸纵向受弯钢筋连接、负极与浸入电 解液内的不锈钢板连接。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的上层支撑和下层支撑均由两个简支 支座组成，其中一个为固定铰支座、另一个为滚动铰支座，所述的上层支撑的简支支座轴线 位于待测钢筋混凝土梁的两个四分点，下层支撑的简支支座沿纵轴线方向焊接于腐蚀槽底 板；所述的简支支座包括作为支撑面的上垫板、用于固定的下垫板以及用于支撑的钢滚轴， 所述的钢滚轴固定于所述的上垫板和所述的下垫板之间；所述的下层支撑简支支座的上垫 板和上层支撑简支支座的下垫板与待测钢筋混凝土梁之间涂覆砂浆层；所述的下层支撑简 支支座的上垫板的长度不小于待测钢筋混凝土梁的宽度；所述的上层支撑简支支座的下垫 板长度不小于待测钢筋混凝土梁的宽度；所述的上垫板和下垫板的厚宽比均不小于1/6。
4. 如权利要求2所述的装置，其特征在于：待测钢筋混凝土梁的横截面为矩形，同层的 两简支支座的轴线相互平行，并且垂直于待测钢筋混凝土梁的纵轴线；上层支撑简支支座 轴线位于待测钢筋混凝土梁的两个四分点，下层支撑简支支座轴线间的距离为待测钢筋混 凝土梁的计算跨度。
5. 如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的腐蚀槽内表面、所述的支撑装置的裸 露部分均涂有环氧树脂层。
6. 如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的腐蚀槽的内槽长度方向尺寸比待测 钢筋混凝土梁的纵向受弯钢筋长250?500mm，宽度方向尺寸比待测钢筋混凝土梁宽100? 150mm〇
7. 如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的电解液为3%?5%氯化钠溶液。
8. 如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的待测钢筋混凝土梁跨中位置的纵向 受弯钢筋焊接竖向正交构造钢筋；所述的纵向受弯钢筋与箍筋连接处设置软塑料管；所述 的纵向受弯钢筋在下层支撑简支支座范围以外的区域涂抹环氧树脂层；所述的纵向受弯钢 筋、不锈钢板与导线连接处涂抹环氧树脂层并包裹纱布。
9. 如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的荷载分配梁的横截面为工字形，所述 的荷载分配梁的宽度不小于上层支撑简支支座的上垫板长度。
10. 如权利要求2所述的装置，光纤光栅传感器的布置特征在于：在梁跨中截面的纵向 受弯钢筋布置光纤光栅应变传感器环；在梁跨中截面附近沿纵向受弯钢筋轴向粘贴光纤光 栅应变传感器和光纤光栅温度传感器；在梁跨中截面附近沿纵向受弯钢筋轴向布置光纤光 栅PH值传感器；在梁跨中纵向受弯钢筋的构造钢筋上等间距布置光纤光栅氯离子浓度传 感器；在梁跨中截面外侧沿竖向等间距布置光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器。
【文档编号】G01N17/02GK104483258SQ201410719096
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】叶肖伟, 刘坦, 董传智 申请人:浙江大学