砼絕對應力和彈性模量檢測方法

2023-06-08 19:52:01 1

專利名稱：砼絕對應力和彈性模量檢測方法
本方法屬於力的測量。
申請號為88108972.9的一種可直接顯示出應力值的壓磁式砼絕對應力檢測裝置，是一種將其傳感器預埋於砼構件中的檢測裝置，對於無法預埋傳感器的已建結構，則不適用。
在已建結構上檢測砼絕對應力，曾有過兩種方法。一曰取芯法，即在砼構件上鑽取砼芯，鑽取前先在芯的表面布置好應變片花，用應變儀檢測出由於砼芯脫離開構件時，引起的鬆弛應變，再依此推算出測點之原有應力，所需之彈性模量值，是用砼芯作實驗得到的。此法所需鑽取的砼芯很大，鑽孔機械笨重以及損傷構件等等缺點，未能推廣。另一曰狹槽應力恢復法，即在砼表面切割出一狹槽，槽中放入千斤頂，以對槽之側壁施壓，預先在槽之兩側的砼表面設置好應變計和位移計，檢測出由於切槽引起的鬆弛應變、鬆弛位移以及由於加壓引起的加壓應變和加壓位移，當鬆弛應變、鬆弛位移與加壓應變、加壓位移大小相等、符號相反時，此時千斤頂所施加的壓力值，即為砼原存在的絕對應力值。此法一道槽只能得出一個方向的應力值，切槽尺寸大，對構件損傷較大，且無法得出砼的彈性模量值，而該值又是個非常重要的參數，故也未能推廣使用，所以，目前國內外，尚無可付諸實用的對已建結構的砼絕對應力和彈性模量進行檢測的裝置和方法。
本發明的目的就在於提出新的構思，並在此基礎上提出檢測原理，設計製造出檢測裝置以及提出檢測方法。
本方法的要點是，首先在砼測點處鑽制盲孔，在盲孔點周圍，先布置好應變片或應變片花，盲孔的大小，要能滿足檢測值精度之要求，又要不影響構件的正常使用，尤其要適用於小型砼構件。用一套加壓裝置，對盲孔之側壁加壓，使用儀器檢測出盲孔周圍的鬆弛應變和加壓應變，以及對盲孔壁施加的壓力值。儀器對信號進行處理後，即可輸出測點砼的最大主應力、最小主應力、主應力夾角及彈性模量，我們稱此法為「盲孔鬆弛-加壓法」。
該方法的原理是，如圖所示，構件測點的應力總可看作是主應力б1，б2的二向應力狀態。在距原點極座標為(r、θ)處的應力為切向應力
徑向應力
在0點鑽取半徑為a的圓形通孔。開孔後(r、θ)處之應力，根據彈性力學Kirsch公式為
鑽孔引起(r、θ)鑽孔前後應力值變化為(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，由於鑽孔引起的徑向應變值△ε為△ε＝(△бr-μ△бθ)/E (5)實際上，如圖所示之徑向應變片不是一點，而是L＝r2-r1，應變片所反映的平均應變值為
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變片而組成應變片花，逆時針方向編為1、2、3號，與б1方向的夾角分別為θ、θ+π/4、θ+π/2，其由於鑽孔引起的應變值分別為△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，欲得到準確的б1、б2和θ值，須有準確的△ε1m、△ε2m、△ε3mA和B值，△ε1m△ε2m△ε3m可由檢測儀器測得。從(3)中得知，除a、r1、r2，鑽孔直徑和應變片布置方式確定後即可獲得外，尚有和E未知。已知數值波動不大，但E卻有很大的離散性，對測量結果之影響也大，故須設法獲得準確的彈性模量E。
若在圖所示之圓孔中，沿孔壁施加均勻壓力q，則(r、θ)處將引起應力бr= - (a2)/(r2) × qбθ= - (a2)/(r2) × q (11)將(11)按胡克定律作應力應變換算並進行積分，可以得出徑向電阻應變片由於沿孔壁施加均勻壓力q引起的平均應變值為△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，只要檢測出q和△εj，即可得到E。至此，在理論上，測點砼的б1、б2、θ和E均可準確地測得了。
根根分析和試驗，我們取孔徑a＝3.5cm，應變片標距L＝8cm，其近端距孔中心r1＝4.5cm，其遠端距孔中心r2＝12.5cm，μ＝1/6，分別代入前面有關公式，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)當測點為雙向應力狀態，但主應力方向已知，則只需沿兩個主應力方向б1、б2布置兩片應變片即可。主應力公式與(14)同。
當測點為單向應力狀態，且主應力方向已知，則只需沿б方向布置一片應變片即可。其主應力公式為б＝0.57×q×△εm/△εj(16)上述即為「盲孔鬆弛-加壓法」檢測砼絕對應力和彈性模量的基本原理，據此構思，研製成功了由傳感器、鑽孔機、加壓臺和砼絕對應力檢測儀組成的檢測裝置，定名為NJY-1結構砼絕對應力檢測裝置。該裝置已由交通部重慶公路科學研究所、天津建築儀器廠共同提出專利申請。
公式(14)(15)(16)是根據在無限域彈性薄板上鑽通孔的彈性理論推導出來的。對於盲孔，為滿足(14)(15)(16)三式，尚需解決孔深、孔徑問題，解決滿足測點具有足夠的鬆弛和加壓應變輸出又不影響構件正常使用情況下，盲孔該多大以及應變片的標距該多大的問題，解決測點所在構件邊界尺寸該多大的問題。為此，我們進行了力學分析。計算結果，盲孔孔徑70mm，孔深70～80mm，應變片標距為80mm，近端距孔中心4.5cm，遠端距孔中心12.5cm，加壓壓力為5MPa。在此情況下，鑽取盲孔引起的應變輸出，對於檢測儀的分辨精度已足夠大，孔狀以圓形孔引起的應力集中最小，且在盲孔周圍應力集中的範圍很有限，衰減也快，離孔邊3.5cm處只有22%的影響，離孔邊7cm處，已基本沒有影響了。即是說，鑽取這樣的盲孔，不影響構件的正常使用。計算結果還表明，只要構件最小邊界離測點中心大於17.5cm(2.5倍孔徑)，由邊界引起的測試誤差即可忽略不計。這足以說明，「盲孔鬆弛-加壓法」，適用於各種類型之橋梁構件及其它的工程構件，這是「狹槽應力恢復法」所無法比擬的。
若測點恰好布置在有缺陷的構件部位，如裂縫、孔隙等處，或應變片的粘貼質量不佳，都會影響到檢測結果的可靠性，對此，判斷方法是，在5MPa的壓力作用下，加壓應變值有效範圍取-8×10-6～-25×10-6，每片應變片加壓應變值和同組應變花加壓應變平均值之差與平均應變值之間比值的絕對值小於20%，就證明檢測結果可靠、有效。
「盲孔鬆弛-加壓法」及其配套之HJY-1型砼絕對應力檢測裝置，是砼絕對應力檢測技術的突破，實屬首創。
我國現有公路橋梁422萬延米。按最低量測算，也有4%的低標準橋梁需重建，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裝置進行檢測和評價，則不必全部重建，只需投入重建費用的20～30%，適當加固，即可恢復和提高舊橋之承載力，從而為國家節約大量寶貴資金，還可應用到道路、港口、隧道、大壩、房屋等工程的砼構件中。推廣普遍使用，可獲得顯著的經濟效益和社會效益。
權利要求
1.一種新的砼絕對應力和彈性模量檢測方法「盲孔鬆弛--加壓法」。使用檢測裝置，在砼構件上鑽孔；在鑽孔之周圍，砼測點表面預先布置好電阻應變片。其特徵在於，使用的是HJY-1砼絕對應力檢測裝置；在砼構件上所鑽之孔為盲孔；向盲孔壁施加壓力；用同一片(組)應變片分步採集盲孔周圍之鬆弛應變和加壓應變。
2.如權利要求1所述之砼絕對應力和彈性模量檢測「盲孔鬆弛-加壓法」，其特徵在於盲孔呈圓形，孔徑70mm，孔深70～80mm最佳。
3.如權利要求1、2所述之砼絕對應力和彈性模量檢測「盲孔鬆弛-加壓法」，其特徵在於應變片標距以80mm，近端距孔心4.5cm，遠端距孔心12.5cm最佳。
4.如權利要求1、2所述之砼絕對應力和彈性模量檢測「盲孔鬆弛-加壓法」，其特徵在於測點中心距砼構件最小邊界大於17.5cm為最佳。
5.如權利要求1所述之砼絕對應力和彈性模量之檢測「盲孔鬆弛-加壓法」，其特徵在於向盲孔孔壁施加均勻壓力時，穩壓壓力值取5MPa為最佳。
6.如權利要求1所述之砼絕對應力及彈性模量之檢測「盲孔鬆弛-加壓法」，其特徵在於判斷檢測結果的有效性的方法是，在5MPa壓力作用下，加壓應變值有效範圍取-80×10-6～-25×10-6，每片應變片加壓應變值與同組應變花加壓應變平均值之差和平均應變值之間比值的絕對值小於20%。
全文摘要
一種新的砼絕對應力和彈性模量檢測方法「盲孔鬆弛—加壓法」。適用於不能預埋傳感器的已建的砼構件。使用新開發的HJY-1砼絕對應力檢測裝置，可以可靠地檢測出已建的各類砼構件之絕對應力和彈性模量。
文檔編號G01L5/16GK1063358SQ9110039
公開日1992年8月5日 申請日期1991年1月18日 優先權日1991年1月18日
發明者張力, 連啟濱 申請人:交通部重慶公路科學研究所, 天津建築儀器廠