專利名稱：濕熱環(huán)境與動(dòng)載荷耦合作用下的力學(xué)測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及力學(xué)、土木、機(jī)械、船舶與海洋工程和交通運(yùn)輸工程，具體涉及一種濕熱環(huán)境與動(dòng)載荷耦合作用下的力學(xué)測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
濕熱環(huán)境對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)的疲勞性能、耐久性及服役壽命具有重要的影響。為了探明濕熱環(huán)境對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)和RC結(jié)構(gòu)的疲勞性能及耐久性的影響機(jī)理，在服役條件下結(jié)構(gòu)疲勞/耐久性的仿真測(cè)試是必須的。目前，在濕熱環(huán)境下的疲勞/耐久性測(cè)試方法有恒溫-恒濕測(cè)試、溫度-濕度循環(huán)測(cè)試、水浸老化等。然而，這些現(xiàn)有測(cè)試方法都無(wú)法模擬或再現(xiàn)受力構(gòu)件的實(shí)際服役條件，具體表現(xiàn)為1)現(xiàn)有測(cè)試方法都是先將試件放置于設(shè)定的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行老化處理，然后將試件取出，在室溫、大氣條件下實(shí)施動(dòng)靜載測(cè)試，以測(cè)定其力學(xué)性能等的變化。這樣的測(cè)試無(wú)法考慮實(shí)際服役環(huán)境與載荷的耦合作用，與承載構(gòu)件的工作條件相差甚遠(yuǎn)；2)現(xiàn)有測(cè)試條件與構(gòu)件所處的實(shí)際服役環(huán)境相差較遠(yuǎn)，沒(méi)有考慮或很少考慮環(huán)境的變化尤其是周期變化。即使是考慮周期變化，但在每一周期內(nèi)，對(duì)溫度和濕度的設(shè)定都是恒值；3)動(dòng)載測(cè)試未見(jiàn)報(bào)道，更沒(méi)有考慮橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛載荷等隨機(jī)載荷的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有濕熱環(huán)境下材料與結(jié)構(gòu)疲勞/耐久性測(cè)試方法的不足，提供一種濕熱環(huán)境與動(dòng)載荷耦合作用下的力學(xué)測(cè)試方法。為各種材料與結(jié)構(gòu)的濕熱環(huán)境疲勞/耐久性研究提供測(cè)試方法。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，一種濕熱環(huán)境與動(dòng)載荷耦合作用下的力學(xué)測(cè)試方法，包括以下步驟
(1)制定環(huán)境溫度和環(huán)境濕度；環(huán)境溫度的變化范圍為0°c 60°C；環(huán)境濕度的變化范圍為659Γ98% ；環(huán)境溫度和環(huán)境濕度呈周期性同步變化；
(2)設(shè)定車輛載荷譜及編制實(shí)驗(yàn)譜；
(3)在步驟(1)、(2)耦合的環(huán)境下對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。所述環(huán)境溫度和環(huán)境濕度的周期為1個(gè)月 12個(gè)月。本發(fā)明的濕熱環(huán)境模擬是指亞熱帶地區(qū)外建筑物所處的呈周期性變化的濕熱環(huán)境的模擬；其中環(huán)境溫度和環(huán)境濕度的變化曲線是通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)的溫度、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的，步驟(1)所述的環(huán)境溫度和環(huán)境濕度是由設(shè)置在定制的環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器內(nèi)的仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。步驟(2)的車輛載荷譜是通過(guò)對(duì)采集的橋梁所受車輛載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、再進(jìn)行載荷譜模擬后得到；車輛載荷是隨機(jī)載荷，隨機(jī)過(guò)程是非高斯平穩(wěn)過(guò)程。本發(fā)明的隨機(jī)載荷的模擬是指橋梁所受車輛荷載的數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計(jì)分析、車輛載荷譜的模擬。即先采集橋梁所受車輛載荷的數(shù)據(jù)，繼而對(duì)所采集的數(shù)據(jù)記性統(tǒng)計(jì)分析，得到車輛載荷譜的威布爾分布圖和功率密度函數(shù)，最后根據(jù)車輛載荷譜的概率分布密度函數(shù)和功率譜密度函數(shù)，采用FFT方法和“分布變換”的方法，可較高精度地模擬出車輛載荷譜。步驟(2)所述的實(shí)驗(yàn)譜通過(guò)試驗(yàn)機(jī)自帶的微機(jī)進(jìn)行模擬和控制，或通過(guò)其它計(jì)算機(jī)模擬后輸入到試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)中。本發(fā)明為了能使試驗(yàn)系統(tǒng)按照載荷譜順利實(shí)現(xiàn)加載，并能最大限度地減少測(cè)試時(shí)間，需要對(duì)車輛載荷譜作一些處理，即對(duì)車輛載荷譜進(jìn)行編制a)刪除過(guò)小的載荷；b)去掉車輛載荷譜中的過(guò)大載荷。所述車輛載荷的頻率范圍為廣10Hz。本發(fā)明的濕熱環(huán)境與動(dòng)載耦合作用的仿真測(cè)試方法是指變化緩慢的濕熱環(huán)境與頻率較高的動(dòng)載的耦合作用下材料和構(gòu)件的力學(xué)性能測(cè)試方法。本發(fā)明的測(cè)試方法可用于橋梁、機(jī)械、船舶、海洋平臺(tái)、管道等構(gòu)造物的混凝土、復(fù)合材料和金屬(含合金)等材料及構(gòu)件的力學(xué)性能測(cè)試。本發(fā)明與現(xiàn)有測(cè)試方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)能夠?qū)崿F(xiàn)濕熱環(huán)境與動(dòng)載的耦合作用下材料和構(gòu)件的力學(xué)性能測(cè)試；
(2)能夠真實(shí)地模擬呈周期性變化的濕熱環(huán)境；
(3)能夠真實(shí)地模擬橋梁所承受的車輛載荷等隨機(jī)載荷，并能實(shí)現(xiàn)濕熱環(huán)境與隨機(jī)載荷的耦合作用下材料和構(gòu)件的疲勞/耐久性測(cè)試。


圖1為廣東地區(qū)橋梁的工作溫度， 圖2為廣東地區(qū)橋梁的工作濕度，
圖3為折算后的車流量時(shí)間序列， 圖4為車輛載荷的威布爾分布擬合曲線， 圖5為車輛載荷的功率譜密度函數(shù)， 圖6為數(shù)值模擬的載荷序列， 圖7為廣東地區(qū)橋梁的濕熱工作環(huán)境曲線， 圖8為廣州地區(qū)的氣溫， 圖9為廣州地區(qū)的相對(duì)濕度， 圖10為恒幅疲勞載荷譜。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例1
廣東地區(qū)濕熱環(huán)境下鋼筋混凝土(RC)橋梁構(gòu)件的耐久性測(cè)試方法。(1)測(cè)試材料及試件
試件材料為C50混凝土，受拉鋼筋為Φ10的II級(jí)光圓鋼筋；試件為三點(diǎn)彎曲梁，其尺寸為長(zhǎng) 1850 X 寬 100X 高 200mm ； (2)濕熱環(huán)境及模擬
根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，廣東地區(qū)橫跨江河的橋梁最高工作溫度為50°C，最低工作溫度為 5°C，如圖1所示。對(duì)圖1的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到橋梁的工作溫度曲線方程，并作為模擬目標(biāo)函數(shù)。工作溫度的變化周期取為1年，其模擬由設(shè)置在定制的環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器內(nèi)的仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。同理，廣東地區(qū)橋梁的最高相對(duì)濕度為98%，最低相對(duì)濕度為70%，如圖2所示。對(duì)圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到橋梁的工作濕度曲線方程，并作為模擬目標(biāo)函數(shù)。濕度的變化周期也取為1年，其模擬也由設(shè)置在定制的環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器內(nèi)的仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。(3)車輛載荷的模擬及實(shí)驗(yàn)譜的編制 1)車輛載荷的數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理
圖3是從廣州地區(qū)某高速公路連續(xù)1個(gè)月采集到的車流量數(shù)據(jù)中任意抽出1周時(shí)間的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)抽樣容量的確定、無(wú)效數(shù)據(jù)的取舍、等效損傷折算等處理后所得到的車流量時(shí)間序列。2)車輛載荷序列的統(tǒng)計(jì)特性
統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明a)該高速公路的車流量時(shí)間序列中，日車輛載荷的平均值和變異系數(shù)變化不大，說(shuō)明該高速公路在短期內(nèi)的車輛載荷是平穩(wěn)的，即車輛載荷這一隨機(jī)過(guò)程屬于平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程；b)車輛載荷譜服從2參數(shù)的威布爾分布，如圖4所示；c)車輛載荷譜的功率譜密度函數(shù)如圖5所示。3)車輛載荷譜的模擬
對(duì)于服從威布爾分布(非高斯分布)的車輛載荷譜的模擬，已提出了較成熟的模擬方法，即根據(jù)車輛載荷譜的概率分布密度函數(shù)和功率譜密度函數(shù)，采用FFT方法和“分布變換”的方法，可較高精度地模擬出車輛載荷譜，如圖6所示。4)實(shí)驗(yàn)譜的編制
為了能使試驗(yàn)系統(tǒng)按照載荷譜順利實(shí)現(xiàn)加載，并能最大限度地減少測(cè)試時(shí)間，需要對(duì)上述模擬譜作一些處理，即對(duì)車輛載荷譜進(jìn)行編制a)刪除過(guò)小的載荷；b)去掉模擬譜中的過(guò)大載荷。另外，由《公路橋梁涵洞設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，確定橋梁的載荷設(shè)計(jì)等級(jí)和相應(yīng)的載荷設(shè)計(jì)值，再按照試件的類型，由等效彎矩?fù)Q算出試件的載荷值。實(shí)驗(yàn)譜中載荷循環(huán)次數(shù)的計(jì)算方法，可采用雨流計(jì)數(shù)法。(4)測(cè)試裝置
為了能按照以上測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)周期變化的濕熱環(huán)境與車輛載荷耦合作用下的構(gòu)件耐久性測(cè)試，需要集成和構(gòu)建相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)可以分為以下三部分 1)改進(jìn)的MTS試驗(yàn)系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)車輛隨機(jī)載荷對(duì)試件的作用，在MTS810試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，搭載了一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)模擬車輛隨機(jī)載荷并能控制MTS試驗(yàn)機(jī)的CPU，并安裝了能承載環(huán)境箱和試件的工作
D ο2)環(huán)境模擬系統(tǒng)
為了滿足工作溫度和相對(duì)濕度的周期性變化的要求，定制了 SDH4036L型低溫濕熱試驗(yàn)裝置(環(huán)境模擬系統(tǒng))。該裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如下
a)溫度范圍(可調(diào))-40°C +100°C；溫度波動(dòng)度士 1°C ；
b)升降溫速率·》30C/min (0°C 100°C范圍內(nèi))；
c)濕度范圍(任意一點(diǎn)可恒定)68%R · H 98% R · H ；濕度波動(dòng)度士2% R · H ；
d)濕度變化速率0.5% R · H/min。
)其它配套的儀器設(shè)備
除了上述兩大系統(tǒng)外，本耐久性測(cè)試系統(tǒng)中還配備了數(shù)據(jù)測(cè)試及處理用的其它儀器設(shè)備，主要有Wavebook516E動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、MotionXtra HG-X X X高速攝像系統(tǒng)等。(5)測(cè)試步驟
1)試件制作；
2)設(shè)定工作溫度曲線和相對(duì)濕度曲線；
3)模擬車輛載荷譜及編制實(shí)驗(yàn)譜；
4)啟動(dòng)環(huán)境模擬系統(tǒng)，待溫度和相對(duì)濕度達(dá)到設(shè)定的初始值；
5)啟動(dòng)MTS試驗(yàn)系統(tǒng)及配套儀器設(shè)備，設(shè)定加載頻率為/=5Hz、載荷幅值為 ΔΡ=15. 3kN、應(yīng)力比為R=O. 1，加載方式為三點(diǎn)彎曲，采用力控制模式，實(shí)施RC梁的耐久性測(cè)試。實(shí)施例2
廣東地區(qū)濕熱環(huán)境下CFRP (碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)加固城市高架橋RC構(gòu)件的耐久性測(cè)試方法。(1)測(cè)試材料及試件
試件為三點(diǎn)彎曲RC梁，其尺寸為長(zhǎng)1850 X寬IOOX高200mm。試件材料分為三部分C40混凝土、主筋采用Φ10的II級(jí)光圓鋼筋、CFRP是采用日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維絲T300-;3k編制成1600mm長(zhǎng)’IOOmm寬’0. 23mm厚的預(yù)浸帶， 其基體材料為環(huán)氧樹(shù)脂，與混凝土之間的粘結(jié)劑采用神力鈴牌環(huán)氧樹(shù)脂A，B膠，并將CFRP 粘貼于RC梁底部。(2)濕熱環(huán)境及模擬
根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，廣東地區(qū)城市高架橋的工作溫度曲線和相對(duì)濕度曲線如圖7所示。對(duì)圖7的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可分別得到橋梁的工作溫度曲線和工作濕度曲線方程，并以此作為模擬目標(biāo)函數(shù)。工作溫度和濕度的變化周期都取為1年，其模擬由設(shè)置在定制的環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器內(nèi)的仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。(3)車輛載荷的模擬及實(shí)驗(yàn)譜的編制與實(shí)施例1相同。(4)測(cè)試裝置與實(shí)施例1相同。(5)測(cè)試步驟
1)試件制作；
2)設(shè)定工作溫度曲線和相對(duì)濕度曲線；
3)模擬車輛載荷譜及編制實(shí)驗(yàn)譜；
4)啟動(dòng)環(huán)境模擬系統(tǒng)，待溫度和相對(duì)濕度達(dá)到設(shè)定的初始值；
5)啟動(dòng)MTS試驗(yàn)系統(tǒng)及配套儀器設(shè)備，設(shè)定加載頻率為/=4Hz、載荷幅值為AP=27kN、 應(yīng)力比為R=O. 1，加載方式為三點(diǎn)彎曲，采用力控制模式，實(shí)施RC梁的耐久性測(cè)試。實(shí)施例3
廣州地區(qū)濕熱環(huán)境下鋼筋混凝土(RC)構(gòu)件的疲勞測(cè)試方法。(1)測(cè)試材料及試件試件材料為C50混凝土，受拉鋼筋為Φ10的II級(jí)光圓鋼筋；試件為三點(diǎn)彎曲梁，其尺寸為長(zhǎng) 1850 X 寬 100X 高 200mm ； (2)濕熱環(huán)境及模擬
根據(jù)廣東省氣象局的實(shí)測(cè)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，廣州市的氣溫曲線和相對(duì)濕度曲線分別如圖8和圖9所示。對(duì)圖8和圖9的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可分別得到RC構(gòu)件的工作溫度曲線和工作濕度曲線方程，并以此作為模擬目標(biāo)函數(shù)。工作溫度和濕度的變化周期都取為1年，其模擬由設(shè)置在定制的環(huán)境模擬系統(tǒng)控制器內(nèi)的仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。(3)疲勞載荷
疲勞載荷設(shè)定為恒幅循環(huán)載荷，其波形為正弦波，如圖10所示。其中，載荷幅值為 AS=15. 3kN，應(yīng)力比為 R=O. 1。(4)測(cè)試裝置
為了能實(shí)現(xiàn)周期變化的濕熱環(huán)境與循環(huán)載荷耦合作用下的構(gòu)件疲勞測(cè)試，需要集成和構(gòu)建相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)可以分為以下三部分 1)改裝MTS試驗(yàn)機(jī)的工作平臺(tái)
為了能實(shí)現(xiàn)本環(huán)境疲勞測(cè)試，對(duì)MTS810試驗(yàn)機(jī)的工作平臺(tái)進(jìn)行改裝，使其能承載環(huán)境箱和試件。2)環(huán)境模擬系統(tǒng)與實(shí)施例1相同。)其它配套的儀器設(shè)備與實(shí)施例1相同。(5)測(cè)試步驟
1)試件制作；
2)設(shè)定工作溫度曲線和相對(duì)濕度曲線；
3)啟動(dòng)環(huán)境模擬系統(tǒng)，待溫度和相對(duì)濕度達(dá)到設(shè)定的初始值；
4)啟動(dòng)MTS試驗(yàn)系統(tǒng)及配套儀器設(shè)備，設(shè)定加載頻率為/=5Hz、載荷幅值為 ΔΡ=15. 3kN、應(yīng)力比為R=O. 1，載荷波形為正弦波，加載方式為三點(diǎn)彎曲，采用力控制模式， 實(shí)施RC梁的環(huán)境疲勞測(cè)試。
權(quán)利要求
1.一種濕熱環(huán)境與動(dòng)載荷耦合作用下的力學(xué)測(cè)試方法，其特征在于包括如下步驟(1)制定環(huán)境溫度和環(huán)境濕度，環(huán)境溫度的變化范圍為0°c 60°C；環(huán)境濕度的變化范圍為659Γ98% ；環(huán)境溫度和環(huán)境濕度呈周期性同步變化；(2)設(shè)定車輛載荷譜及編制實(shí)驗(yàn)譜；(3)在步驟(1)、(2)耦合的環(huán)境下對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)試方法，其特征在于所述環(huán)境溫度和環(huán)境濕度的周期為1個(gè)月 12個(gè)月。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)試方法，其特征在于步驟(2)所述的車輛載荷譜是通過(guò)對(duì)采集的橋梁所受車輛載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、再進(jìn)行載荷譜模擬后得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述測(cè)試方法，其特征在于所述車輛載荷是隨機(jī)載荷，隨機(jī)過(guò)程是非高斯平穩(wěn)過(guò)程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)試方法，其特征在于步驟(2)所述實(shí)驗(yàn)譜通過(guò)試驗(yàn)機(jī)自帶的微機(jī)進(jìn)行模擬和控制，或通過(guò)其它計(jì)算機(jī)模擬后輸入到試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述測(cè)試方法，其特征在于所述車輛載荷的頻率范圍為廣10Hz。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種濕熱環(huán)境與動(dòng)載荷耦合作用下的力學(xué)測(cè)試方法，主要包括以下步驟(1)制定環(huán)境溫度和環(huán)境濕度，環(huán)境溫度的變化范圍為0℃~60℃；環(huán)境濕度的變化范圍為65%~98%；環(huán)境溫度和環(huán)境濕度呈周期性同步變化；(2)設(shè)定車輛載荷譜及編制實(shí)驗(yàn)譜；(3)在步驟(1)、(2)耦合的環(huán)境下對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。采用本發(fā)明的力學(xué)測(cè)試方法，能夠?qū)崿F(xiàn)濕熱環(huán)境與動(dòng)載的耦合作用下材料和構(gòu)件的力學(xué)性能測(cè)試；能夠真實(shí)地模擬呈周期性變化的濕熱環(huán)境；能夠真實(shí)地模擬橋梁所承受的車輛載荷等隨機(jī)載荷，并能實(shí)現(xiàn)濕熱環(huán)境與隨機(jī)載荷的耦合作用下材料和構(gòu)件的疲勞/耐久性測(cè)試。
文檔編號(hào)G01N3/02GK102435489SQ201110273349
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者周昊, 鄭小紅, 郭馨艷, 黃培彥 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)