基於變形模量的既有結構混凝土疲勞殘餘應變測試方法與流程

2023-05-29 16:40:46 2

本發明涉及工程檢測技術領域，尤其是一種基於卸載/再加載變形模量的既有結構混凝土殘餘應變測試方法。

背景技術：

實際工程中，混凝土結構在其使用期內常承受著重複加卸載的疲勞荷載作用,混凝土損傷在宏觀上體現為殘餘應變及總應變的大小，與外荷載的作用歷程無關。由於殘餘應變表徵混凝土損傷的代表性和穩定性好，被公認為評估混凝土結構損傷狀態的關鍵參數之一，適合於各種強度等級的混凝土。但其現場測試與分析還存在困難，主要表現在以下幾個方面：

(1)現在混凝土殘餘應變的測試及分析主要在實驗室實施，根據明確的加卸載疲勞試驗，獲取混凝土殘餘應變與加載應力幅、疲勞次數等相關參量的關係，而實際混凝土結構由於受荷載、溫度、環境等多種因素的綜合作用，作用歷程往往不知，則混凝土殘餘應變無法按現有分析方法獲得。

(2)既有結構混凝土長期應變監測中，即使設置了無應力計消除溫度變化、收縮變形的影響，測試應變中還包含了徐變應變，混凝土的應力相關應變需要從測試應變中扣除徐變應變，但由於混凝土徐變的影響因素複雜，其計算結果與實際往往差距很大，混凝土的應力相關應變誤差也很大，更不用說混凝土殘餘應變。

(3)混凝土結構疲勞作用後，通過靜力荷載試驗或超聲波無損測試方法，現場測試均能得到結構混凝土的卸載/再加載變形模量。在混凝土結構應力狀態已知或現場採用應力釋放法可以得到混凝土的彈性應變，但得不出混凝土殘餘應變；靜力荷載試驗也僅能得到應力增量和應變增量。卸載/再加載變形模量隨應力相關應變的增大而減小，與初始切線彈性模量比較可以反映混凝土的損傷發展，與外荷載的作用歷程無關，但其最大的問題是沒有統一的評估標準表徵各種強度等級的混凝土損傷狀態。

因此，如何通過實際混凝土卸載/再加載變形模量測試與分析得到殘餘應變就成為關鍵問題，而且獲得殘餘應變可以進一步得到混凝土的真實應力相關應變，通過實施可為既有混凝土結構損傷定量評估奠定基礎。

技術實現要素：

本發明涉及一種基於變形模量的既有結構混凝土疲勞殘餘應變測試方法，要解決現有方法無法獲得混凝土的殘餘應變，從而不能對混凝土結構的累積損傷狀態進行定量評估的技術問題。

為實現上述技術目的，本發明採用如下技術方案。

一種基於變形模量的既有結構混凝土疲勞殘餘應變測試方法，根據靜力試驗得到混凝土的卸載/再加載變形模量和實際混凝土的單軸受壓應力-應變曲線，再通過分析得到混凝土的靜力等效應變εr，從而進一步得到殘餘應變值εp；包括步驟如下，

步驟一：利用無損檢測方法，測試既有結構中檢測構件的混凝土抗壓強度fc,r。

步驟二：根據步驟一中的混凝土抗壓強度fc,r，查得混凝土的彈性模量Ec和峰值壓應變εc,r。

步驟三：根據實測混凝土抗壓強度fc,r、彈性模量Ec以及公式σ＝(1-dc)Ecε做出混凝土的單軸受壓應力-應變曲線。

其中，σ為混凝土單軸受壓的應力，dc為混凝土單軸受壓損傷演化參數，ε為混凝土單軸受壓的的應變。

步驟四：根據公式σ＝(1-dc)Ecε和公式得出混凝土的初始切線模量Eτ。

步驟五：在主要受力構件的最不利受力截面受壓區的邊緣最大壓應變處布置關鍵測點，並在關鍵測點處貼應變計。

步驟六：在構件彈性範圍內進行靜力試驗，先施加靜力荷載，然後卸載；通過靜力試驗及應變測試系統，測得關鍵測點的應變增量Δε，並根據受力平衡和變形協調條件得出應力增量Δσ。

步驟七：利用步驟六中得到的應變增量Δε及應力增量Δσ，根據公式得到混凝土的卸載/再加載變形模量Er。

其中，⊿σ、⊿ε分別為靜力試驗得到的混凝土應力增量和應變增量。

步驟八：比較混凝土關鍵測點的卸載/再加載變形模量Er與初始切線模量Eτ的大小，判斷混凝土是否產生與應力相關的殘餘應變。

步驟九：根據步驟八中的判斷結果，評定混凝土受壓損傷狀況。

優選的，步驟一對既有結構中檢測構件的混凝土抗壓強度fc,r的檢測採用回彈法或回彈-超聲綜合法現場檢測。

優選的，步驟一中對混凝土抗壓強度fc,r檢測完成後，還包括採用鑽芯法對混凝土抗壓強度fc,r、彈性模量Ec和峰值壓應變εc,r進行修正或驗證的步驟。

優選的，步驟一中的檢測構件與步驟五中主要受力構件為同一批澆築的混凝土構件。

優選的，步驟一中檢測構件為有代表性的次要受力構件或者構造構件或者主要受力構件；

所述次要受力構件為結構中除主要受力構件以外的受力構件；

所述構造構件為構造柱或擋塊或隔板；

所述主要受力構件為主梁或者承重柱或者墩。

優選的，對主要受力構件進行混凝土抗壓強度fc,r檢測避開主要受力區域；所述主要受力區域包括主梁的跨中區域、剪彎區域和墩柱底部的受壓區域、受彎區域、受剪區域。

優選的，步驟五中所述主要受力構件的最不利受力截面為主梁的跨中截面或者墩柱底部截面；所述應變計沿截面高度平行於壓應力方向黏貼。

優選的，步驟八的比較具體為：

當Er大於或等於初始切線模量Eτ時，可確定混凝土未產生與應力相關的殘餘應變，即混凝土殘餘應變εp＝0。

當Er小於Eτ時，可確定混凝土未產生與應力相關的殘餘應變，即混凝土殘餘應變εp＞0。

優選的，根據步驟八中的比較結果對混凝土受壓累積損傷程度進行評定：

當混凝土殘餘應變εp＝0，受壓混凝土完好，無損傷，評定結束。

當混凝土殘餘應變εp＞0，受壓混凝土受損傷。

優選的，根據步驟九的評定結果，當受壓混凝土受損傷時，測試方法還包括，

步驟十：建立卸載/再加載變形模量Er與靜力等效應變εr關係，公式如下：

步驟十一：根據Berkeley加卸載模型給出的表示混凝土殘餘應變與靜力等效應變的關係的公式與步驟十中的所述的卸載/再加載變形模量Er與靜力等效應變εr關係的公式，綜合得出靜力等效應變εr。

其中殘餘應變與靜力等效應變的關係的公式如下：

其中，εc,r是指混凝土峰值壓應變。

步驟十二：由σr＝(1-dc)Ecεr得出εr對應的靜力等效應力σr，從而根據公式εp＝εr-σr/Er進一步得出混凝土殘餘應變值εp。

步驟十三：根據混凝土殘餘應變值εp和靜力等效應變εr，綜合評價混凝土受壓累積損傷程度，並根據靜力等效應變推斷混凝土的損傷後強度。

其中混凝土比例極限荷載作用下的應變表示為εb,εb＝1/3×fc,r/Ec。

與現有技術相比本發明具有以下特點和有益效果。

1、本發明對混凝土的變形模量測試採用靜力試驗及應變測試系統進行靜力測試，得出混凝土的卸載/再加載變形模量Er，相比於傳統的超聲波法測得的混凝土變形模量精度高。

2、本發明選取代表性的次要受力構件進行混凝土強度測試，避免了損害主要受力構件而影響結構受力性能。

3、本發明通過測試混凝土主要受力構件關鍵截面最大壓應變處的卸載/再加載變形模量Er直接得出該處的殘餘應變εp，並在此基礎上定量評估混凝土結構的累積損傷狀態；解決了傳統方法無法獲得混凝土的殘餘應變，並不能對混凝土結構的累積損傷狀態進行定量評估的技術問題。

附圖說明

圖1為本發明中方法的步驟框圖。

圖2為本發明中在確定受壓混凝土受損傷後進一步分析混凝土受壓累積損傷程度的步驟框圖。

圖3為本發明中疲勞荷載作用下的混凝土受壓應力-應變曲線及相關參數圖。

具體實施方式

本發明的目的是提出一種基於變形模量的既有結構混凝土殘餘應變測試方法。混凝土結構工程中混凝土主要承受壓應力，同一批澆築的混凝土構件可分為主要受力構件(部位)和次要受力構件(部位)。通過測試混凝土主要受力構件關鍵截面最大壓應變處的卸載/再加載變形模量Er直接得出該處的殘餘應變εp。在此基礎上可定量評估混凝土結構的累積損傷狀態。

這種基於變形模量的既有結構混凝土疲勞殘餘應變測試方法，根據靜力試驗得到混凝土的卸載/再加載變形模量和實際混凝土的單軸受壓應力-應變曲線，再通過分析得到混凝土的靜力等效應變εr，從而進一步得到殘餘應變值εp；包括步驟如下。

步驟一：利用無損檢測方法，實際檢測既有結構中有代表性的次要受力構件的混凝土抗壓強度fc,r。

步驟二：根據步驟一中的混凝土抗壓強度fc,r查得到混凝土的彈性模量Ec和峰值壓應變εc,r。

步驟三：按《規範》第C.2.4條規定，根據實測混凝土抗壓強度fc,r、彈性模量Ec以及公式σ＝(1-dc)Ecε做出混凝土的單軸受壓應力-應變全曲線；

其中，σ為混凝土單軸受壓的應力；dc為混凝土單軸受壓損傷演化參數；ε為混凝土單軸受壓的應變。

步驟四：根據公式σ＝(1-dc)Ecε和公式得出混凝土的初始切線模量Eτ。

步驟五：在主要受力構件最不利受力截面的受壓區，沿截面高度且平行於壓應力方向黏貼應變計，一般可布置3-4個測點，其中構件受壓區邊緣的最大壓應變處為關鍵測點。

步驟六：在構件彈性範圍內進行靜力試驗，先施加靜力荷載，然後卸載；通過靜力試驗及應變測試系統，測得關鍵測點的應變增量Δε，並根據受力平衡和變形協調條件得出應力增量Δσ。

步驟七：利用步驟六中得到的應變增量Δε及應力增量Δσ，根據公式得到混凝土的卸載/再加載變形模量Er。

其中，⊿σ、⊿ε分別為靜力試驗得到的混凝土應力增量和應變增量。

本實施例中，鑑於現在超聲波法測試混凝土變形模量，尤其是測試損傷區域混凝土變形模量精度不高的問題，採用靜力試驗的方法確定卸載/再加載變形模量。首先根據結構受力分析確定主要受力構件的最不利受力截面(關鍵截面，如主梁的跨中，墩柱底部截面等)，在最不利受力截面的受壓區，沿截面高度且平行於壓應力方向黏貼應變計，一般可布置3-4個測點，其中最大壓應變處為關鍵測點，如主梁跨中截面的受壓區邊緣，墩柱底部截面的受壓區邊緣；然後在構件彈性範圍內先施加靜力荷載，然後卸載，得到關鍵測點的應變值，即應變增量，根據受力平衡和變形協調條件得出應力增量，由此計算出卸載/再加載變形模量Er的值。

步驟八：比較混凝土關鍵測點的卸載再加載變形模量Er與初始切線模量Eτ的大小，判斷混凝土是否產生與應力相關的殘餘應變。

步驟九：根據步驟八中的判斷結果，評定混凝土受壓損傷狀況。

本實施例中，所述步驟一對既有結構中有代表性的次要受力構件的混凝土抗壓強度fc,r檢測採用回彈法或回彈-超聲綜合法現場檢測，根據《規範》表4.1.5查得混凝土的彈性模量Ec和峰值壓應變εc,r；並且採用鑽芯法(見《混凝土結構現場檢測技術標準》GB/T 50784)對混凝土抗壓強度fc,r、彈性模量Ec和峰值壓應變εc,r進行修正或驗證。

混凝土具有抗壓強度高，抗拉強度低、質脆易裂的特點。在結構中應用時，將鋼筋和混凝土這兩種材料按照合理的方式有機地結合在一起共同工作，可以取長補短，使鋼筋主要承受拉力、混凝土主要承受壓力，充分發揮它們的材料特性，並使得結構具有良好的變形能力，混凝土結構成為國內外各種工程中應用最為廣泛、應用量最多的一種結構形式。

本實施例中，為避免損害主要受力構件而影響結構受力性能，選擇同一批澆築(強度等級、工程質量相同)的有代表性的次要受力構件進行強度測試。

在其他實施例中，檢測構件也可以選擇為同一批澆築構造構件或者主要受力構件；當檢測構件為主要受力構件時，檢測區域避開主要受力區域。例如混凝土框架體系中的主梁、柱為主要受力(承重)構件(同時也是承受地震等低周疲勞作用的主要受力構件)，次梁為次要受力構件，構造柱為構造構件。對於結構形式較為單一的梁式結構，如混凝土橋梁、吊車梁，主梁直接承受車輛疲勞荷載作用；墩(柱)承受地震等的低周疲勞作用。在混凝土抗壓強度現場檢測時，應避開構件的主要受力區域(受力損傷區域)，如主梁的跨中區域、剪彎區域，墩柱底部的壓-彎-剪區域等，在構造構件(如擋塊或隔板)，或次要受力構件(如橫隔梁)，或遠離主要受力區域的次要受力區域(如梁、柱的自由端區域)進行檢測。

本實施例中，步驟八的比較具體為：

當Er大於或等於初始切線模量Eτ時，可確定混凝土未產生與應力相關的殘餘應變，即混凝土殘餘應變εp＝0。

當Er小於Eτ時，可確定混凝土未產生與應力相關的殘餘應變，即混凝土殘餘應變εp＞0。

本實施例中，根據步驟八中的比較結果對混凝土受壓累積損傷程度進行評定：

當混凝土殘餘應變εp＝0，受壓混凝土完好，無損傷，評定結束。

當混凝土殘餘應變εp＞0，受壓混凝土受損傷。

本實施例中，根據步驟九的評定結果，當受壓混凝土受損傷時，測試方法還包括，

步驟十：建立卸載/再加載變形模量Er與靜力等效應變εr關係，公式如下：

步驟十一：根據Berkeley加卸載模型給出的表示混凝土殘餘應變與靜力等效應變的關係的公式與步驟十中的所述的卸載再加載變形模量Er與靜力等效應變εr關係的公式，綜合得出靜力等效應變εr。

其中殘餘應變與靜力等效應變的關係的公式如下：

其中εc,r是指混凝土峰值壓應變。

步驟十二：由σr＝(1-dc)Ecεr得出εr對應的靜力等效應力σr，從而根據公式εp＝εr-σr/Er進一步得出混凝土殘餘應變值εp。

步驟十三：根據混凝土殘餘應變值εp和靜力等效應變εr，綜合評價混凝土受壓累積損傷程度；並根據靜力等效應變推斷混凝土的損傷後強度。

其中混凝土比例極限荷載作用下的應變表示為εb,εb＝1/3×fc,r/Ec。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現型式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也及於本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。