自補償混凝土結構真實應力測試裝置的製作方法

2023-08-07 20:17:21

專利名稱：自補償混凝土結構真實應力測試裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及混凝土結構應力測試裝置，具體是一種自補償混凝土結構真實應力測試裝置。
背景技術：
混凝土結構是土木工程中最常見的一種建築結構，人們充分利用其抗壓強度高、耐久性好等特點，修建大量的人工建築，自從混凝土材料發明以來得到極大的推廣。隨著科學技術的發展，混凝土材料的特點逐漸被工程人員認識混凝土不是理想線彈性材料，其在澆築成型後，會產生收縮；在荷載作用下不僅產生彈性應變，隨著時間推移，還產生徐變；在溫度作用下會產生膨脹或收縮。由於傳感器和混凝土在材料特性存在巨大差異，當混凝土結構產生溫度應變、收縮應變或徐變應變時，傳感器會因為其阻止周圍混凝土結構自由變形而產生附加應力。因此，工程人員在測試混凝土結構的真實應力方面遇到巨大難題。
目前工程界在混凝土結構應力測試中，通常有2種方法。方法一利用埋入混凝土中的應變傳感器，測得混凝土結構在各種荷載作用下的應變。根據混凝土材料特點，該應變包括應力產生的彈性應變(下文將簡稱其為彈性應變)、溫度應變、收縮應變和徐變應變等(下文將這三種應變簡稱為非彈性應變)。工程人員必須從測試應變中準確地扣除非彈性應變得到彈性應變，然後乘以混凝土彈性模量換算出混凝土結構的應力。由於混凝土材料的離散性非常大、材料參數隨時間而變化，要想準確掌握其收縮、徐變與溫度對應變的影響量和混凝土彈性模量都是非常困難的。因此，即使應變測試結果準確，該方法所得應力因人而異，其結果的準確性和可靠性嚴重依賴於測試人員的理論水平和工程經驗。這表明通過上述方法無法確保得到混凝土得真實應力。方法二將壓力傳感器直接埋入混凝土結構中，通過測試傳感器上的壓力推算混凝土結構應力。該方法雖然不需要從應變推算到應力，而是直接測得應力，但是在混凝土結構產生非彈性應變時，由於傳感器與混凝土結構在材料特性上的差異，傳感器上將產生極大的附加應力，造成測試結果嚴重偏離混凝土的真實應力。由於該方法在理論上未能解決混凝土結構非彈性應變對應力測試產生嚴重影響的問題，因此，未能得到廣泛的實際應用。

發明內容
本實用新型的目的是提供一種自補償混凝土結構真實應力測試裝置，它能夠真正解決混凝土真實應力測試的難題，通過採用隔離裝置，利用混凝土自身特性對非彈性應變進行補償，最大限度地降低非彈性應變對測試結果的影響，直接測得混凝土結構應力，而不需要從應變推算到應力，從而克服目前工程界混凝土應力無法準確測試的問題。
為實現上述目的，本實用新型採用的技術方案是這樣的，即一種自補償混凝土結構真實應力測試裝置，包括力傳感器，其特徵是所述力傳感器設置在隔離裝置內或端部，所述力傳感器信號線由隔離裝置內引出。
本實用新型由於所述結構而適用於各種配合比、各種應力水平、各種截面形式和各種溫溼度環境條件下混凝土結構的短期或長期應力測試。
具體使用方法是在混凝土澆注前，將本實用新型沿應力測試方向固定在測試位置。澆注時，混凝土自動進入隔離裝置內，使傳感器前後與混凝土接觸，測量時，隔離裝置內混凝土柱體的非彈性應變補償隔離裝置外混凝土的非彈性應變，使非彈性應變引起的傳感器附加應力減小，並最終趨近0。隔離裝置內混凝土柱體給力傳感器上施加的應力σg由兩部分組成，一是混凝土結構應力產生的σg1；二是非彈性應變(包括溫度自由應變、收縮和徐變)產生的附加應力σg2。本發明由於採用了隔離裝置，使σg1接近於σc，而使σg2接近於0。
1、混凝土結構承受由正應力產生的應變(彈性應變)時混凝土正應力σc產生的應變為
c=cEc........................................................................(1)]]>隔離裝置外混凝土在隔離裝置長度範圍內產生的變形量為Δh=h0*εc......................................................................................................(2)則隔離裝置內的總變形量由兩部分組成一是隔離裝置內混凝土柱體變形量Δhc，二是力傳感器的變形量Δhg。力傳感器受到的軸向力與隔離裝置內混凝土柱體的軸向力相同，且傳感器和隔離裝置內混凝土柱體橫截面面積相同，其應力也相同。因此，力傳感器的變形量為hg=hg*g1Eg...........................................................(3)]]>混凝土柱體變形量為hc=(h0-hg)*g1Ec...............................................(4).]]>設隔離裝置內外混凝土在隔離裝置長度內的變形量一致，則Δh=Δhc+Δhg....................................................................................................(5)將(1)～(4)式帶入上式得g1=c(E-1)h+1................................................(6)]]>上式中E=EcEg;]]>h=hgh0]]>從上式中可知當傳感器的彈性模量與混凝土的彈性模量一致，即λE趨近於1，或者傳感器厚度hg遠小於隔離裝置高度h0，即λh趨近於0時，測得的應力即為混凝土的真實應力。
2、混凝土產生非彈性應變時當混凝土產生非彈性應變εμ時，由於隔離裝置內外混凝土應力狀態相同、混凝土同質和環境條件相同，因此，可認為隔離裝置內外混凝土的非彈性應變一致。隔離裝置外混凝土在隔離裝置長度範圍內產生的變形量Δh等於Δh0*εμ。
隔離裝置內混凝土柱體產生的變形量由兩部分組成
一是非彈性應變產生的變形量Δhc1＝(h0-hg)*εu......................................................................................................(7)二是附加應力σg2產生的變形量hc2=(h0-hg)*g2Ec.................................................(8)]]>故Δh＝Δhg+Δhc1+Δhc2..................................................................................................(9)考慮到Δh等於h0*εμ，且傳感器變形量Δhg為hg*σg2/Eg，並將(7)和(8)式帶入上式中得到g2=*Ec(E-1)+1h.............................................................(10)]]>從上式中可以看出，只要λh趨近於0，則傳感器測得的應力即為0。合理選擇λh就可以將非彈性應變產生的附加應力控制在工程要求之內。
3、混凝土在彈性應變和非彈性應變同時作用時力傳感器在混凝土的彈性應變和非彈性應變共同作用下測得的應力為g=g1+g2=c(E-1)h+1+*Ec(E-1)+1h..............................................(11)]]>通過製作工藝使力傳感器與混凝土彈性模量之比接近於1，則上式變成σg＝σc+εu*Ec*λh....................................................................................................(12)從上式可以看出只要合理選擇λh大小就能使傳感器測得的應力接近混凝土的真實應力，非彈性應變產生的附加應力較小，滿足工程需要。
應注意到，由於隔離裝置內部混凝土柱體應力略高於隔離裝置外部混凝土應力，且混凝土徐變應變具有與應力成正比的特性，隔離裝置內混凝土柱體徐變應變略大於隔離裝置外部混凝土，這將會使混凝土應力得到重新分布，使得隔離裝置內外混凝土應力趨於一致，因此，利用本發明測得的應力實際上比(12)式更接近並最終等於混凝土結構的真實應力。
以上公式中的符號說明
傳感器彈性模量Eg；混凝土彈性模量Ec；力傳感器厚度hg；隔離裝置高度h0；傳感器測得的應力σg；混凝土結構的應力σc。


本實用新型的結構可以通過附圖給出的實施例進一步說明。
附圖1為本實用新型的結構剖視圖；附圖2為本實用新型使用狀態示意圖。
參見附圖圖中1-隔離裝置、2-壓力傳感器、3-隔離裝置內混凝土、4-隔離裝置外的混凝土。
具體實施方式
參見附圖1，圖1是本發明實施例的結構示意圖，由圖可見，自補償混凝土結構真實應力測試裝置主要由隔離裝置1和力傳感器2組成，結構簡單，便於應用。將力傳感器2放置在隔離裝置1內部固定，力傳感器為一餅狀結構，其橫截面與隔離裝置橫截面相匹配。當力傳感器位於隔離裝置中間某一部位時，隔離裝置內的混凝土被力傳感器分成兩部分；當力傳感器位於隔離裝置端部時，則其內部混凝土為一整體。
本實例將力傳感器置於隔離裝置中間部位，在混凝土澆注之前將自補償混凝土結構真實應力測試裝置沿測試應力方向固定於測試部位，並將力傳感器導線引出模板之外。在混凝土澆注工程中要注意保護好傳感器，同時在傳感器周圍進行充分振搗，以保證隔離裝置內部混凝土密實性。
本實用新型所述的力傳感器可以直接採用市售的振弦式壓力盒、壓磁式力傳感器、應變式力傳感器及光纖式力傳感器等等。
試驗中，在混凝土結構上施加10MPa壓應力和產生600με的非彈性壓應變的組合工況下，理論上非彈性應變不產生應力，故混凝土結構內部只有10MPa的壓應力。力學分析表明在該工況下自補償混凝土結構真實應力測試裝置測得10.7MPa壓應力，測試誤差僅0.7MPa。該實例表明，本實用新型不僅設計理論嚴密、構造簡單、實用性強，且測試結果準確，在600με的非彈性壓應變(換算壓應力為20.7MPa)作用下，僅產生0.7MPa的測試誤差，完全滿足工程測試的要求。應該注意到，這0.7MPa的測試誤差即隔離裝置內外部混凝土的應力差。由於混凝土材料具有徐變特性，這將使隔離裝置內外部混凝土的應力差逐漸減小，並最終趨近於0，表明測試誤差也最終趨近於0。
因此，本實用新型帶來的技術效果是顯而易見的，即它徹底解決了數十年來長期困擾工程測量中混凝土材料非彈性應變帶來的應力測試誤差問題，既具有原創性，又具有極大的工程實用價值，是混凝土結構應力測試技術的重大突破，這也是本發明區別於其它混凝土應力測試方法的主要特徵之一。
權利要求1.一種自補償混凝土結構真實應力測試裝置，包括力傳感器(2)，其特徵是所述力傳感器(2)設置在隔離裝置(1)內或端部。
2.根據權利要求1所述的自補償混凝土結構真實應力測試裝置，其特徵是所述隔離裝置為等截面無頂或/和無底的桶狀結構。
專利摘要本實用新型涉及一種自補償混凝土結構真實應力測試裝置，採用它可以在混凝土應力測試結果中消除溫度、收縮、膨脹和徐變產生的非彈性應變的影響，使測試應力與混凝土真實應力一致。裝置包括力傳感器2，其特徵是所述力傳感器2設置在隔離裝置內或端部。利用隔離裝置內外混凝土材質相同、應力狀態一致和溫溼度等環境條件相同等特點，通過隔離裝置內混凝土柱體的非彈性應變來補償測試部位混凝土的非彈性應變，達到在應力測試結果中消除混凝土非彈性應變影響的目的，解決混凝土應力無法準確測量的問題，其原理簡單、實用性強。
文檔編號G01N33/38GK2929716SQ200620110550
公開日2007年8月1日 申請日期2006年5月12日 優先權日2006年5月12日
發明者鄭萬山, 鄭罡, 張又進 申請人:鄭萬山, 張又進, 鄭罡