一种腐蚀钢管砼拱肋单点长期加载装置及检测方法

技术领域

本发明涉及桥梁施工技术领域，特别是一种腐蚀钢管砼拱肋单点长期加载装置及检测方法。

背景技术

钢管混凝土拱肋（钢管砼拱肋）是一种拱桥的结构形式，其中拱肋由钢管和混凝土组合而成，具有高强度、高刚度和高稳定性的特点。钢管混凝土拱肋的优点是可以减少拱肋的截面尺寸，提高拱桥的跨径比，降低拱桥的自重，减少拱桥的支架施工，提高拱桥的施工效率和经济性。

钢管混凝土拱肋的稳定承载力是将其等效成梁柱进行验算。但是，相对于梁柱，拱肋不仅存在轴向压力，还存在弯矩，这种非线性弯曲引起的横向变形和轴向变形对拱肋的强度影响很大。因此，该计算方式的准确性较低。

由于拱肋往往长期处于压弯受力状态，以往对工程实例静力性能长期监测过程中，发现钢管混凝土拱桥在服役一段时间后，钢管混凝土拱肋竖向变形较成桥时显著增大；拱脚等应力较大位置出现凹陷、褶皱现象，使得拱脚处的防腐涂层起皮、剥落，导致拱脚等应力较大位置内的钢管暴露在外加速腐蚀，且，在钢管混凝土拱桥结构中，拱脚大多处于水体中，腐蚀更加严重。因此，钢管混凝土拱桥在设计时就要充分考虑到时效作用与腐蚀作用对其静力性能的影响。但是，目前，在对拱桥的长期试验中，并没有对拱肋可能受到的腐蚀问题纳入考量范围，难以对腐蚀状态下的拱肋进行长期试验。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有技术存在的难以对腐蚀状态下的拱肋进行长期试验的技术问题，提供一种腐蚀钢管砼拱肋单点长期加载装置及检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种腐蚀钢管砼拱肋单点长期加载装置，包括：

拱肋本体；

基座，所述基座与所述拱肋本体的两个拱脚固定连接；

施力单元，所述施力单元的施力部与所述拱肋本体的拱顶连接，用于对所述拱肋本体施加朝向所述基座的稳定外力；

检测单元，所述检测单元与所述拱肋本体配合，用于获取所述拱肋本体的变形参数；

腐蚀单元，所述腐蚀单元设置在所述拱脚处，用于对所述拱脚进行腐蚀。

作为本发明的可选方案，所述腐蚀单元包括供电设备、套体、第一通电件和第二通电件，所述套体套设在所述拱脚外，并与所述拱肋本体之间配合形成用于容纳电解液的腐蚀腔室；

所述第一通电件与所述拱肋本体连接，所述第二通电件位于所述腐蚀腔室内，所述供电设备分别与所述第一通电件和所述第二通电件相连。

作为本发明的可选方案，所述套体的材质为绝缘材料，所述第二通电件为金属管，所述第二通电件与所述套体连接，且所述第二通电件不与所述拱肋本体接触。

作为本发明的可选方案，所述施力单元包括相互连接的钢索和施力组件，所述钢索的自由端与所述拱顶连接，所述施力组件的自由端与所述基座连接，所述施力组件用于对所述钢索施加大小可调的拉力。

作为本发明的可选方案，所述基座包括梁体和底座，两个所述底座分别设置在所述梁体底面的两端，所述梁体顶面的两端分别与两个所述拱脚连接；

所述施力组件包括第一连接板、第二连接板、螺杆和螺母，所述第一连接板位于所述梁体和所述拱肋本体之间，并与所述梁体之间存在间隙，所述钢索的自由端与第一连接板连接，所述第二连接板位于所述梁体的底部；

多个所述螺杆的两端分别穿过所述第一连接板和所述第二连接板，且所述螺杆穿过所述第一连接板或所述第二连接板的端部分别螺纹连接有所述螺母。

作为本发明的可选方案，所述施力单元还包括拉力传感器，所述拉力传感器设置在钢索上。

作为本发明的可选方案，所述检测单元包括拱顶位移检测机构、拱脚应变检测机构和拱肋形变检测机构；

所述拱顶位移检测机构用于获取所述拱顶朝向所述基座的位移量；

两个所述拱脚应变检测机构分别用于获取不同所述拱脚的应变；

所述拱肋形变检测机构用于获取整个所述拱肋本体的变形趋势。

作为本发明的可选方案，所述拱顶位移检测机构包括位移计和支架，所述支架与所述位移计的主体部连接，所述位移计的检测端抵接于所述拱顶的顶面；

所述拱脚应变检测机构包括综合测试仪和至少两个弦式应变计，所述综合测试仪与两个所述弦式应变计信号连接，且两个所述弦式应变计分别贴合在所述拱脚的内侧表面和外侧表面上；

所述拱肋形变检测机构包括全站仪和多个反射片，多个反射片分散于所述拱肋本体上的多个检测点位中，多个所述检测点位沿所述拱肋本体的轴线方向间隔分布，所述全站仪的图像获取范围涵盖所述拱肋本体上的所有所述反射片。

第二方面，本发明提供了一种检测方法，采用了如上述任一方案所述的一种腐蚀钢管砼拱肋单点长期加载装置，包括步骤：

通过所述施力单元对所述拱顶施加朝向基座的稳定外力；

在所述拱肋本体徐变的过程中，通过所述检测单元实时获取所述拱肋本体的变形参数；

当所述拱肋本体徐变稳定时，通过腐蚀单元对所述拱肋本体的两个所述拱脚进行腐蚀；

在所述拱肋本体腐蚀的过程中，通过所述检测单元实时获取所述拱肋本体的变形参数；

当所述拱肋本体的两个所述拱脚达到目标腐蚀率时，对所述拱肋本体的拱顶进行稳定承载力试验。

作为本发明的可选方案，所述稳定承载力试验包括步骤：

对所述拱肋本体的拱顶施加持续增大的外力，直至拱肋本体断裂，获取拱肋本体断裂时的外力，所述拱肋本体断裂时的外力作为所述拱肋本体的稳定承载力。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种腐蚀钢管砼拱肋单点长期加载装置及检测方法，在进行实验时，通过拱肋本体、基座、施力单元的配合，模拟现场工况下拱肋固定在地面并受到桥体向下的拉扯力的情况，并通过检测单元获取拱肋本体长期的变形参数，通过所述腐蚀单元对拱肋本体两个拱脚的腐蚀，能够模拟拱肋两个拱脚深入水体而造成腐蚀的情况，由此能够在实验时将水体对拱脚的腐蚀纳入观察的范围，提高实验对现场工况的适配性，减少实验的误差。

2、本发明提供的一种检测方法，能够获取钢管混凝土拱肋试件腐蚀前后的长期变形参数以及腐蚀后的稳定承载力，为钢管混凝土拱桥的设计提供更精准的参考。

附图说明

图1为本发明实施例1中的整体正向结构示意图。

图2为本发明实施例1中的整体俯向结构示意图。

图3为本发明实施例1中腐蚀单元的正向结构示意图。

图4为本发明实施例1中施力组件的正向结构示意图。

图5为本发明实施例1中第一连接板的俯向结构示意图 。

图6为本发明实施例1中第二连接板的俯向结构示意图 。

图7为本发明实施例1中检测单元的结构示意图。

图中标记：1-拱肋本体；2-反射片；3-柔性件；4-卡扣；5-钢索；6-拉力传感器；7-U形螺栓；8-螺杆；9-第一连接板；10-施力组件；11-螺母；12-第二连接板；13-腐蚀腔室；14-弦式应变计；15-供电设备；16-拱座；17-底座；18-梁体；19-通孔；20-综合测试仪；21-套体；22-第二通电件；23-第一通电件；24-盖板；25-螺栓；26-位移计；27-全站仪。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

术语中出现“第一”“第二”“第三”…等表述，仅仅是用于区分相同或相似部件的描述，而不应理解为强调或暗示特定部件的相对重要性。

在实施例的描述中，“几个”“多个”“若干个”代表至少2个。可以是3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个等任意情况，甚至可以是超过9个的情况。

实施例1

本实施例提供了一种腐蚀钢管砼拱肋单点长期加载装置，能够通过对模拟拱肋的构件的顶点施加长期的载荷，促使该构件在载荷的作用发生与现场工况相似的徐变，并在施加载荷的过程中对构件上对应拱脚的位置进行腐蚀，用于对现场工况进行模拟。

如图1到图7所示，腐蚀钢管砼拱肋单点长期加载装置包括拱肋本体1、基座、施力单元、腐蚀单元和检测单元；所述施力单元的施力部与所述拱肋本体1的拱顶连接，所述施力单元用于对所述拱顶施加朝向所述基座的稳定外力，所述拱肋本体1的两个拱脚与所述基座固定连接，两个所述拱脚外分别设有所述腐蚀单元，所述腐蚀单元用于对所述拱脚进行腐蚀，所述检测单元与所述拱肋本体1配合，用于获取所述拱肋本体1的变形参数。

其中稳定外力指的是力的大小始终保持在某个预设区间内的外力。

在进行实验时，通过拱肋本体1、基座、施力单元的配合，模拟现场工况下拱肋固定在地面并受到桥体向下的拉扯力的情况，并通过检测单元获取拱肋本体1长期的变形参数，通过所述腐蚀单元对拱肋本体1两个拱脚的腐蚀，能够模拟拱肋两个拱脚深入水体而造成腐蚀的情况，由此能够在实验时将水体对拱脚的腐蚀纳入观察的范围，提高实验对现场工况的适配性，减少实验的误差。

对于施力单元，还可以是悬吊件，通过所需重量的悬吊件挂在拱肋本体1顶部上，进而对拱肋本体1施加所需的拉力；也可以是反力架或千斤顶，设置在拱肋本体1的上方通过对拱顶施加向下的推力。但在一个或多个实施例中，较为优选的是，如图1和图4所示，所述施力单元包括相互连接的钢索5和施力组件10，所述钢索5的自由端与所述拱顶连接，所述施力组件10的自由端与所述基座连接，所述施力组件10用于对所述钢索5施加大小可调的拉力，以使钢索5对拱顶施加朝向所述基座的稳定外力。

由此，整个施力单元处于基座与拱肋本体1之间，不需要长期占用试验室的大型反力架及千斤顶等设备，节省了实验室空间及耗材。此外，由于施力组件10可以调节施加的拉力大小，因此，可以根据现场工况下拱肋需要承担的承载力对拉力适应性的进行调节，且可以在拱肋本体1发生形变，导致拉力的大小出现较大偏差时，实时的将拉力调整回所需的大小，确保拱肋本体1所受到的外力稳定。

具体而言，所述基座包括梁体18和底座17，两个所述底座17分别设置在所述梁体18底面的两端，通过底座17将梁体18撑起来，使梁体18与地面之间存在一定间距。所述梁体18顶面的两端分别固定有拱座16，所述拱肋本体1的两个拱脚底部均设有盖板24，处于同一端的拱座16和盖板24通过螺栓25连接，由此实现拱肋本体1与基座的连接。

其中，梁体18可以为工字钢梁，工字钢梁被配置为刚度远大于拱肋本体1的刚度，避免工字钢梁变形影响实验精度。

如图4到图6所示，所述施力组件10包括第一连接板9、第二连接板12、U形螺栓7、多个螺杆8和多个螺母11，第一连接板9和第二连接板12上均设有多个通孔19，所述第一连接板9位于所述梁体18和所述拱肋本体1之间，并与所述梁体18之间存在间隙，U形螺栓7的两个端部穿过第一连接板9处于中间的两个通孔19，并螺纹连接有螺母11，此时U形螺栓7在第一连接板9的顶部形成吊耳结构，所述钢索5的自由端与第一连接板9通过该吊耳结构进行连接，所述第二连接板12位于所述梁体18的底部；多个螺杆8分为两组且分别分布在梁体18的两侧，且所有螺杆8的两端分别穿过第一连接板9和第二连接板12的通孔19，且螺杆8穿过第一连接板9和第二连接板12的端部分别螺纹连接有所述螺母11。

在进行实验时，通过对螺杆8上的螺母11进行旋紧，能够使第一连接板9和第二连接板12相互靠近或存在相互靠近的趋势，由此，当第二连接板12抵接在梁体18的底面时，通过对螺母11的旋紧或旋松，能够调节第一连接板9对钢索5的拉力，进而调节拱肋本体1所受到的外力。

优选的，所述施力单元还包括拉力传感器6，所述拉力传感器6设置在钢索5中，用于获取钢索5所受到的拉力，进而获得施力单元对拱肋本体1顶部施加的外力大小，为施力组件10拉力的调节提供参考。

此外，对于钢索5和拱肋本体1的配合，在一个或多个实施例中，如图1所示，拱顶外设有柔性件3，所述柔性件3具有索槽，所述钢索5的顶部位于索槽内且环绕包裹在所述拱顶外，柔性件3与钢索5的顶部自由端在拱顶下方通过卡扣4紧密连接，由此，钢索5与拱顶之间采用环绕包裹的方式可以模拟柔性吊杆对拱肋本体1的“非保向力” 作用，模拟拱桥中拱肋实际受力状态，同时减少拱肋本体1发生加载区域截面扭转和出平面位移的可能性。

对于腐蚀单元，可以为设置在拱脚旁，通过喷出腐蚀液来对拱脚进行腐蚀的出液装置。

此外，对于腐蚀单元，更优选的是，如图3所示，所述腐蚀单元包括供电设备15、套体21、第一通电件23和第二通电件22，所述套体21套设在所述拱脚外，并与所述拱肋本体1的盖板24相连，由此盖板24作为腔室的底部，套体21作为腔室的侧壁，盖板24和套体21之间配合形成用于容纳电解液的腐蚀腔室13；所述第一通电件23与所述拱脚连接，所述第二通电件22位于所述腐蚀腔室13内，所述供电设备15分别与所述第一通电件23和所述第二通电件22相连，由此通过电解的方式实现对拱肋本体1拱脚的腐蚀。

在需要对拱脚进行腐蚀时，向腐蚀腔室13内倒入足量的电解质，直至第二通电件22插入电解质内，开启供电设备15对第一通电件23和第二通电件22供电，进而开始对拱脚进行腐蚀。

在此基础上，可以将供电设备15选型为具有输出电流可调节功能的电源，通过对输出电流的调节，实现对拱脚腐蚀速度的调节，进而便于后续对拱脚腐蚀率的获取。

在此基础上，可以对套体21和盖板24通过环氧树脂AB胶实现粘接，减少或避免套体21和盖板24之间电解质泄露。

具体而言，在一个或多个实施例中，如图3所示，第一通电件23为焊接在拱肋本体1靠近拱脚处的突出结构，第二通电件22为环绕在拱脚外的金属管，套体21为由绝缘材料制成的管体结构；第一通电件23与供电设备15的正极通过电线相连，第二通电件22与供电设备15的负极通过电线相连；套体21套设在第二通电件22外，并通过塑料夹子相互固定，经过固定后的第二通电件22不与拱脚和盖板24接触，由此避免第一通电件23与第二通电件22之间形成不经过电解质的串联结构，影响腐蚀的进行。

其中，第二通电件22优选为不锈钢钢管，由此减少电解过程中第二通电件22所遭受的腐蚀，进而提高电解效率的稳定性。

其中，套管可以为PVC管。

对于检测单元，在一个或多个实施例中，如图1、图3和图7所示，包括拱顶位移检测机构、拱脚应变检测机构和拱肋形变检测机构；其中，通过所述拱顶位移检测机构获取所述拱顶朝向基座的位移量；通过两个所述拱脚应变检测机构分别获取不同所述拱脚的应变；通过拱肋形变检测机构获取整个所述拱肋本体1的变形趋势。

具体而言，如图1和图7所示，对于所述拱顶位移检测机构，可以包括支架（图中未示出）和位移计26，所述支架与所述位移计26的主体部连接，所述位移计26的检测端向下抵接于所述拱顶的顶面，当拱顶的高度出现变化时，通过位移计26的检测端获取拱顶的位移量。

此外，具体而言，如图3和图7所示，对于所述拱脚应变检测机构，可以包括综合测试仪20和至少两个弦式应变计14，所述综合测试仪20与两个所述弦式应变计14信号连接，且两个所述弦式应变计14分别通过胶水贴合在所述拱脚的内侧表面和外侧表面上，通过两个弦式应变计14分别获取拱脚内侧表面和外侧表面的应变参数。

此外，具体而言，如图1、图2和图7所示，所述拱肋形变检测机构包括全站仪27和八个反射片2，八个反射片2分散于所述拱肋本体1上的七个检测点位中，七个所述检测点位沿所述拱肋本体1的轴线方向按照六等分的间隔划分进行分布。其中，处于拱顶的检测点位，由于拱顶外套设有钢索5，反射片2可能遭到钢索5阻挡，且考虑到拱顶的变形参数对整个拱肋本体1的变形参考意义较大，因此，如图1所示，可在处于拱顶的检测点位处设置两个反射片2，并使两个反射片2分别位于钢索5的左右两侧；处于拱脚的两个检测点位，由于拱脚外需套设套体21，反射片2可能遭到套体21阻挡，因此，如图2所示，可在盖板24处于套体21外的部分板面或在拱座16上设置一个反射片2；除处于拱顶的检测点位外，每个检测点位均只需设置一个反射片2。通过所述全站仪27对拱肋本体1上的所有反射片2进行图像的获取，由此以反射片2作为参考点获取整个拱肋本体1的变形趋势。

实施例2

本实施例提供了一种检测方法，包括步骤：

S0、对拱肋徐变加载装置进行制作：

在钢管混凝土拱肋制作后，在拱肋的两端采用人工灌注、钢管外强烈成击振捣和微膨胀剂形成钢管混凝士肋拱，由此形成所需的拱肋本体1。然后将拱肋本体1固定在梁体18上，并设置所需的施力单元、检测单元和腐蚀单元。

S1、通过所述施力单元对所述拱顶施加朝向基座的稳定外力：

根据所设定的载荷值，先通过施力单元对拱肋本体1进行预加载及对中处理，对中完成后施力单元继续增加外力直至外力达到设定的载荷值。观察拉力传感器6获取的拉力值，当拉力值的大小不在稳定外力的预设区间内时，对螺杆8上的螺母11进行拧紧，直至拉力值复位至设定的载荷值，由此确保拱肋本体1在长期内所承受的载荷稳定。

其中，稳定外力的预设区间为：设定的载荷值的±2%及以内。

S2、在所述拱肋本体1徐变的过程中，通过所述检测单元实时获取所述拱肋本体1的变形参数：

其中变形参数包括拱顶向下的位移量、两个拱脚内外侧的应变以及整个拱肋本体1的变化趋势，分别依次通过拱顶位移检测机构、拱脚应变检测机构和拱肋形变检测机构进行获取。

S3、当所述拱肋本体1徐变稳定时，通过腐蚀单元对所述拱肋本体1的两个所述拱脚进行腐蚀：

其中，拱肋本体1徐变稳定指的是拱肋本体1变形速率逐渐减慢，直至变形速率趋于一个稳定值。此时，向腐蚀腔室13内倒入电解质，并开启供电设备15，由此对两个拱脚进行电化学腐蚀。其中，为加快试验进程，可采用恒定电流密度控制方法，将供电设备15的输出电流密度恒定在0.3mA/cm，此时拱脚的腐蚀比较均匀。

S4、在所述拱肋本体1腐蚀的过程中，通过所述检测单元实时获取所述拱肋本体1的变形参数。

S5、当所述拱肋本体1的两个所述拱脚达到目标腐蚀率时，对所述拱肋本体1的拱顶进行稳定承载力试验。

其中，在一个或多个实施例中，对于达到目标腐蚀率的判断方式，可以是根据供电设备15的输出电流密度、电解质的类型以及浓度通过电化学腐蚀的计算获取所对应的腐蚀时长，当达到所对应的腐蚀时长时，即可将两个拱脚视作达到目标腐蚀率。

其中，在一个或多个实施例中，所述稳定承载力试验包括步骤：对所述拱肋本体1的拱顶施加持续增大的外力，直至拱肋本体1断裂，获取拱肋本体1断裂时的外力，该外力作为所述拱肋本体1的稳定承载力。

需说明的是，在稳定承载力试验中，对拱肋本体1施加的外力可以是由除施力单元外的其它装置进行施加，如试验室的大型反力架及千斤顶，由此确保外力足以促使拱肋本体1断裂，但是，稳定承载力试验所需花费的时间较短，因此不会过长的占用实验室空间及资源。

由此，通过实施例2中各步骤的进行，能够获取钢管混凝土拱肋试件（即拱肋本体1）腐蚀前后的长期变形参数以及腐蚀后的稳定承载力，为钢管混凝土拱桥的设计提供更精准的参考。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。