專利名稱：砼絕對(duì)應(yīng)力和彈性模量檢測(cè)方法
本方法屬于力的測(cè)量。
申請(qǐng)?zhí)枮?8108972.9的一種可直接顯示出應(yīng)力值的壓磁式砼絕對(duì)應(yīng)力檢測(cè)裝置，是一種將其傳感器預(yù)埋于砼構(gòu)件中的檢測(cè)裝置，對(duì)于無(wú)法預(yù)埋傳感器的已建結(jié)構(gòu)，則不適用。
在已建結(jié)構(gòu)上檢測(cè)砼絕對(duì)應(yīng)力，曾有過(guò)兩種方法。一曰取芯法，即在砼構(gòu)件上鉆取砼芯，鉆取前先在芯的表面布置好應(yīng)變片花，用應(yīng)變儀檢測(cè)出由于砼芯脫離開(kāi)構(gòu)件時(shí)，引起的松弛應(yīng)變，再依此推算出測(cè)點(diǎn)之原有應(yīng)力，所需之彈性模量值，是用砼芯作實(shí)驗(yàn)得到的。此法所需鉆取的砼芯很大，鉆孔機(jī)械笨重以及損傷構(gòu)件等等缺點(diǎn)，未能推廣。另一曰狹槽應(yīng)力恢復(fù)法，即在砼表面切割出一狹槽，槽中放入千斤頂，以對(duì)槽之側(cè)壁施壓，預(yù)先在槽之兩側(cè)的砼表面設(shè)置好應(yīng)變計(jì)和位移計(jì)，檢測(cè)出由于切槽引起的松弛應(yīng)變、松弛位移以及由于加壓引起的加壓應(yīng)變和加壓位移，當(dāng)松弛應(yīng)變、松弛位移與加壓應(yīng)變、加壓位移大小相等、符號(hào)相反時(shí)，此時(shí)千斤頂所施加的壓力值，即為砼原存在的絕對(duì)應(yīng)力值。此法一道槽只能得出一個(gè)方向的應(yīng)力值，切槽尺寸大，對(duì)構(gòu)件損傷較大，且無(wú)法得出砼的彈性模量值，而該值又是個(gè)非常重要的參數(shù)，故也未能推廣使用，所以，目前國(guó)內(nèi)外，尚無(wú)可付諸實(shí)用的對(duì)已建結(jié)構(gòu)的砼絕對(duì)應(yīng)力和彈性模量進(jìn)行檢測(cè)的裝置和方法。
本發(fā)明的目的就在于提出新的構(gòu)思，并在此基礎(chǔ)上提出檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)制造出檢測(cè)裝置以及提出檢測(cè)方法。
本方法的要點(diǎn)是，首先在砼測(cè)點(diǎn)處鉆制盲孔，在盲孔點(diǎn)周圍，先布置好應(yīng)變片或應(yīng)變片花，盲孔的大小，要能滿足檢測(cè)值精度之要求，又要不影響構(gòu)件的正常使用，尤其要適用于小型砼構(gòu)件。用一套加壓裝置，對(duì)盲孔之側(cè)壁加壓，使用儀器檢測(cè)出盲孔周圍的松弛應(yīng)變和加壓應(yīng)變，以及對(duì)盲孔壁施加的壓力值。儀器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，即可輸出測(cè)點(diǎn)砼的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、主應(yīng)力夾角及彈性模量，我們稱此法為“盲孔松弛-加壓法”。
該方法的原理是，如圖所示，構(gòu)件測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力總可看作是主應(yīng)力б1，б2的二向應(yīng)力狀態(tài)。在距原點(diǎn)極座標(biāo)為(r、θ)處的應(yīng)力為切向應(yīng)力
徑向應(yīng)力
在0點(diǎn)鉆取半徑為a的圓形通孔。開(kāi)孔后(r、θ)處之應(yīng)力，根據(jù)彈性力學(xué)Kirsch公式為
鉆孔引起(r、θ)鉆孔前后應(yīng)力值變化為(2)-(1)即△бθ＝бθ′-бθ(3)△бr＝бr′-бr將(1)、(2)式代入(3)中，得
依胡克定律，在(r、θ)處，由于鉆孔引起的徑向應(yīng)變值△ε為△ε＝(△бr-μ△бθ)/E (5)實(shí)際上，如圖所示之徑向應(yīng)變片不是一點(diǎn)，而是L＝r2-r1，應(yīng)變片所反映的平均應(yīng)變值為
將(4)代入(6)中，積分得△εm＝A(б1+б2)+B(б1-б2)cos2θ (7)式中A = - (a2)/(2r1r2) × (1 + μ)/(E)B = - (2a2)/(r1r2) × 1/(E) ［1 - (a2(1＋μ)(r12＋r1r2＋r22))/(4r12r22) ］ (8)若按圖所示布置三片電阻應(yīng)變片而組成應(yīng)變片花，逆時(shí)針?lè)较蚓帪?、2、3號(hào)，與б1方向的夾角分別為θ、θ+π/4、θ+π/2，其由于鉆孔引起的應(yīng)變值分別為△ε1m、△ε2m和△ε3m將其代入(7)中，得△ε1m＝A(б1+б2)+B(б1-б2)cos2θ△ε2m＝A(б1+б2)-B(б1-б2)sin2θ△ε3m＝A(б1+б2)-B(б1-б2)cos2θ (9)解(9)得
б1= (△εfm+ △ε3m)/(4A) + (△ε1m+ △ε3m)/(4Bcos2θ)б2= (△ε1m+ △ε3m)/(4A) - (△ε1m- △ε3m)/(4Bcos2θ) (10)2θ= arctg (2△ε2m- 4ε1m- △ε3m)/(△ε1m- △ε3m)由(10)得知，欲得到準(zhǔn)確的б1、б2和θ值，須有準(zhǔn)確的△ε1m、△ε2m、△ε3mA和B值，△ε1m△ε2m△ε3m可由檢測(cè)儀器測(cè)得。從(3)中得知，除a、r1、r2，鉆孔直徑和應(yīng)變片布置方式確定后即可獲得外，尚有和E未知。已知數(shù)值波動(dòng)不大，但E卻有很大的離散性，對(duì)測(cè)量結(jié)果之影響也大，故須設(shè)法獲得準(zhǔn)確的彈性模量E。
若在圖所示之圓孔中，沿孔壁施加均勻壓力q，則(r、θ)處將引起應(yīng)力бr= - (a2)/(r2) × qбθ= - (a2)/(r2) × q (11)將(11)按胡克定律作應(yīng)力應(yīng)變換算并進(jìn)行積分，可以得出徑向電阻應(yīng)變片由于沿孔壁施加均勻壓力q引起的平均應(yīng)變值為△εj = -(a2)/(r1r2) × (1 + μ)/(E) × q = 2Aq (12)則砼之彈性模量為E = -(a2)/(r1r2) × (1 + μ)/(△εj) × q (13)可見(jiàn)，只要檢測(cè)出q和△εj，即可得到E。至此，在理論上，測(cè)點(diǎn)砼的б1、б2、θ和E均可準(zhǔn)確地測(cè)得了。
根根分析和試驗(yàn)，我們?nèi)】讖絘＝3.5cm，應(yīng)變片標(biāo)距L＝8cm，其近端距孔中心r1＝4.5cm，其遠(yuǎn)端距孔中心r2＝12.5cm，μ＝1/6，分別代入前面有關(guān)公式，可得出б1= ((△ε1m+ △ε3m)q)/(2△εj) + ((△ε1m+ △ε3m)q)/(5.04△εjcos2θ)б2= ((△ε1m+ △ε3m)q)/(2△εj) - ((△ε1m- △ε3m)q)/(5.04△εjcos2θ) (14)2θ= arctg (2△ε2m- △ε1m- △ε3m)/(△ε1m- △ε3m)以及E＝-0.25q/△εj(15)當(dāng)測(cè)點(diǎn)為雙向應(yīng)力狀態(tài)，但主應(yīng)力方向已知，則只需沿兩個(gè)主應(yīng)力方向б1、б2布置兩片應(yīng)變片即可。主應(yīng)力公式與(14)同。
當(dāng)測(cè)點(diǎn)為單向應(yīng)力狀態(tài)，且主應(yīng)力方向已知，則只需沿б方向布置一片應(yīng)變片即可。其主應(yīng)力公式為б＝0.57×q×△εm/△εj(16)上述即為“盲孔松弛-加壓法”檢測(cè)砼絕對(duì)應(yīng)力和彈性模量的基本原理，據(jù)此構(gòu)思，研制成功了由傳感器、鉆孔機(jī)、加壓臺(tái)和砼絕對(duì)應(yīng)力檢測(cè)儀組成的檢測(cè)裝置，定名為NJY-1結(jié)構(gòu)砼絕對(duì)應(yīng)力檢測(cè)裝置。該裝置已由交通部重慶公路科學(xué)研究所、天津建筑儀器廠共同提出專利申請(qǐng)。
公式(14)(15)(16)是根據(jù)在無(wú)限域彈性薄板上鉆通孔的彈性理論推導(dǎo)出來(lái)的。對(duì)于盲孔，為滿足(14)(15)(16)三式，尚需解決孔深、孔徑問(wèn)題，解決滿足測(cè)點(diǎn)具有足夠的松弛和加壓應(yīng)變輸出又不影響構(gòu)件正常使用情況下，盲孔該多大以及應(yīng)變片的標(biāo)距該多大的問(wèn)題，解決測(cè)點(diǎn)所在構(gòu)件邊界尺寸該多大的問(wèn)題。為此，我們進(jìn)行了力學(xué)分析。計(jì)算結(jié)果，盲孔孔徑70mm，孔深70～80mm，應(yīng)變片標(biāo)距為80mm，近端距孔中心4.5cm，遠(yuǎn)端距孔中心12.5cm，加壓壓力為5MPa。在此情況下，鉆取盲孔引起的應(yīng)變輸出，對(duì)于檢測(cè)儀的分辨精度已足夠大，孔狀以圓形孔引起的應(yīng)力集中最小，且在盲孔周圍應(yīng)力集中的范圍很有限，衰減也快，離孔邊3.5cm處只有22%的影響，離孔邊7cm處，已基本沒(méi)有影響了。即是說(shuō)，鉆取這樣的盲孔，不影響構(gòu)件的正常使用。計(jì)算結(jié)果還表明，只要構(gòu)件最小邊界離測(cè)點(diǎn)中心大于17.5cm(2.5倍孔徑)，由邊界引起的測(cè)試誤差即可忽略不計(jì)。這足以說(shuō)明，“盲孔松弛-加壓法”，適用于各種類型之橋梁構(gòu)件及其它的工程構(gòu)件，這是“狹槽應(yīng)力恢復(fù)法”所無(wú)法比擬的。
若測(cè)點(diǎn)恰好布置在有缺陷的構(gòu)件部位，如裂縫、孔隙等處，或應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量不佳，都會(huì)影響到檢測(cè)結(jié)果的可靠性，對(duì)此，判斷方法是，在5MPa的壓力作用下，加壓應(yīng)變值有效范圍取-8×10-6～-25×10-6，每片應(yīng)變片加壓應(yīng)變值和同組應(yīng)變花加壓應(yīng)變平均值之差與平均應(yīng)變值之間比值的絕對(duì)值小于20%，就證明檢測(cè)結(jié)果可靠、有效。
“盲孔松弛-加壓法”及其配套之HJY-1型砼絕對(duì)應(yīng)力檢測(cè)裝置，是砼絕對(duì)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的突破，實(shí)屬首創(chuàng)。
我國(guó)現(xiàn)有公路橋梁422萬(wàn)延米。按最低量測(cè)算，也有4%的低標(biāo)準(zhǔn)橋梁需重建，投資至少也需20億元，若用我們提出之方法及其配套之檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，則不必全部重建，只需投入重建費(fèi)用的20～30%，適當(dāng)加固，即可恢復(fù)和提高舊橋之承載力，從而為國(guó)家節(jié)約大量寶貴資金，還可應(yīng)用到道路、港口、隧道、大壩、房屋等工程的砼構(gòu)件中。推廣普遍使用，可獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
權(quán)利要求
1.一種新的砼絕對(duì)應(yīng)力和彈性模量檢測(cè)方法“盲孔松弛--加壓法”。使用檢測(cè)裝置，在砼構(gòu)件上鉆孔；在鉆孔之周圍，砼測(cè)點(diǎn)表面預(yù)先布置好電阻應(yīng)變片。其特征在于，使用的是HJY-1砼絕對(duì)應(yīng)力檢測(cè)裝置；在砼構(gòu)件上所鉆之孔為盲孔；向盲孔壁施加壓力；用同一片(組)應(yīng)變片分步采集盲孔周圍之松弛應(yīng)變和加壓應(yīng)變。
2.如權(quán)利要求1所述之砼絕對(duì)應(yīng)力和彈性模量檢測(cè)“盲孔松弛-加壓法”，其特征在于盲孔呈圓形，孔徑70mm，孔深70～80mm最佳。
3.如權(quán)利要求1、2所述之砼絕對(duì)應(yīng)力和彈性模量檢測(cè)“盲孔松弛-加壓法”，其特征在于應(yīng)變片標(biāo)距以80mm，近端距孔心4.5cm，遠(yuǎn)端距孔心12.5cm最佳。
4.如權(quán)利要求1、2所述之砼絕對(duì)應(yīng)力和彈性模量檢測(cè)“盲孔松弛-加壓法”，其特征在于測(cè)點(diǎn)中心距砼構(gòu)件最小邊界大于17.5cm為最佳。
5.如權(quán)利要求1所述之砼絕對(duì)應(yīng)力和彈性模量之檢測(cè)“盲孔松弛-加壓法”，其特征在于向盲孔孔壁施加均勻壓力時(shí)，穩(wěn)壓壓力值取5MPa為最佳。
6.如權(quán)利要求1所述之砼絕對(duì)應(yīng)力及彈性模量之檢測(cè)“盲孔松弛-加壓法”，其特征在于判斷檢測(cè)結(jié)果的有效性的方法是，在5MPa壓力作用下，加壓應(yīng)變值有效范圍取-80×10-6～-25×10-6，每片應(yīng)變片加壓應(yīng)變值與同組應(yīng)變花加壓應(yīng)變平均值之差和平均應(yīng)變值之間比值的絕對(duì)值小于20%。
全文摘要
一種新的砼絕對(duì)應(yīng)力和彈性模量檢測(cè)方法“盲孔松弛—加壓法”。適用于不能預(yù)埋傳感器的已建的砼構(gòu)件。使用新開(kāi)發(fā)的HJY-1砼絕對(duì)應(yīng)力檢測(cè)裝置，可以可靠地檢測(cè)出已建的各類砼構(gòu)件之絕對(duì)應(yīng)力和彈性模量。
文檔編號(hào)G01L5/16GK1063358SQ9110039
公開(kāi)日1992年8月5日 申請(qǐng)日期1991年1月18日 優(yōu)先權(quán)日1991年1月18日
發(fā)明者張力, 連啟濱 申請(qǐng)人:交通部重慶公路科學(xué)研究所, 天津建筑儀器廠