專利名稱：自補(bǔ)償混凝土結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力測試方法及混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試方法，具體是一種自補(bǔ)償混凝土結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力測試方法，本發(fā)明還涉及所述方法采用的混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)。
背景技術(shù)：
混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程中最常見的一種建筑結(jié)構(gòu)，人們充分利用其抗壓強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)，修建大量的人工建筑，自從混凝土材料發(fā)明以來得到極大的推廣。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，混凝土材料的特點(diǎn)逐漸被工程人員認(rèn)識(shí)混凝土不是理想線彈性材料，其在澆注成型后，會(huì)產(chǎn)生收縮；在荷載作用下不僅產(chǎn)生彈性應(yīng)變，隨著時(shí)間推移，還產(chǎn)生徐變；在溫度作用下會(huì)產(chǎn)生膨脹或收縮。由于傳感器和混凝土在材料特性存在巨大差異，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)變、收縮應(yīng)變或徐變應(yīng)變時(shí)，傳感器會(huì)因?yàn)槠渥柚怪車炷两Y(jié)構(gòu)自由變形而產(chǎn)生附加應(yīng)力。因此，工程人員在測試混凝土結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力方面遇到巨大難題。
目前工程界在混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試中，通常有2種方法。方法一利用埋入混凝土中的應(yīng)變傳感器，測得混凝土結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的應(yīng)變。根據(jù)混凝土材料特點(diǎn)，該應(yīng)變包括應(yīng)力產(chǎn)生的彈性應(yīng)變(下文將簡稱其為彈性應(yīng)變)、溫度應(yīng)變、收縮應(yīng)變和徐變應(yīng)變等(下文將這三種應(yīng)變簡稱為非彈性應(yīng)變)。工程人員必須從測試應(yīng)變中準(zhǔn)確地扣除非彈性應(yīng)變得到彈性應(yīng)變，然后乘以混凝土彈性模量換算出混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。由于混凝土材料的離散性非常大、材料參數(shù)隨時(shí)間而變化，要想準(zhǔn)確掌握其收縮、徐變與溫度對(duì)應(yīng)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(yīng)變測試結(jié)果準(zhǔn)確，該方法所得應(yīng)力因人而異，其結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性嚴(yán)重依賴于測試人員的理論水平和工程經(jīng)驗(yàn)。這表明通過上述方法無法確保得到混凝土得真實(shí)應(yīng)力。方法二將壓力傳感器直接埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，通過測試傳感器上的壓力推算混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力。該方法雖然不需要從應(yīng)變推算到應(yīng)力，而是直接測得應(yīng)力，但是在混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非彈性應(yīng)變時(shí)，由于傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)在材料特性上的差異，傳感器上將產(chǎn)生極大的附加應(yīng)力，造成測試結(jié)果嚴(yán)重偏離混凝土的真實(shí)應(yīng)力。由于該方法在理論上未能解決混凝土結(jié)構(gòu)非彈性應(yīng)變對(duì)應(yīng)力測試產(chǎn)生嚴(yán)重影響的問題，因此，未能得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種自補(bǔ)償混凝土結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力測試方法，它能夠真正解決混凝土真實(shí)應(yīng)力測試的難題，通過采用隔離裝置利用混凝土自身特性對(duì)非彈性應(yīng)變進(jìn)行補(bǔ)償，最大限度地降低非彈性應(yīng)變對(duì)測試結(jié)果的影響，直接測得混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力，而不需要從應(yīng)變推算到應(yīng)力，從而克服目前工程界混凝土應(yīng)力無法準(zhǔn)確測試的問題。
本發(fā)明的目的之二是提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)，它不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)混凝土真實(shí)應(yīng)力的測試，而且結(jié)構(gòu)簡單，便于應(yīng)用。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的之一而采用的技術(shù)方案是這樣的即一種自補(bǔ)償混凝土結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力測試方法，方法包括1)根據(jù)測試要求，確定力傳感器的準(zhǔn)確度和量程，選用穩(wěn)定性好的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)力傳感器；2)制作或設(shè)置合適的隔離裝置，隔離裝置長度應(yīng)不低于力傳感器厚度的10倍；3)將力傳感器固定于隔離裝置內(nèi)部或端部，構(gòu)成混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)，并記錄隔離裝置內(nèi)部的截面面積；4)混凝土澆注前，在需要測試應(yīng)力的部位沿測試方向放置混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)，并將數(shù)據(jù)線或電源線引出至模板之外；5)澆注混凝土，并在混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)附近振搗，確保隔離裝置內(nèi)部混凝土密實(shí)；
6)在需要進(jìn)行應(yīng)力測試時(shí)，通過數(shù)據(jù)線讀取或記錄力傳感器讀數(shù)，并除以隔離裝置內(nèi)部的截面面積得到混凝土真實(shí)應(yīng)力值。該換算關(guān)系也可以嵌入讀數(shù)設(shè)備中，直接讀取或記錄混凝土真實(shí)應(yīng)力值。
上述方法原理如下利用隔離裝置內(nèi)混凝土柱體的非彈性應(yīng)變來補(bǔ)償隔離裝置外混凝土的非彈性應(yīng)變，使非彈性應(yīng)變引起的傳感器附加應(yīng)力減小。隔離裝置內(nèi)混凝土柱體給力傳感器上施加的應(yīng)力σg由兩部分組成，一是混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生的σg1；二是非彈性應(yīng)變(包括溫度自由應(yīng)變、收縮和徐變)產(chǎn)生的附加應(yīng)力σg2。本發(fā)明的目的是使σg1接近于σc，而使σg2接近于0。
1、混凝土結(jié)構(gòu)承受由正應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變(彈性應(yīng)變)時(shí)混凝土正應(yīng)力σc產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?amp;epsiv;c=σcEc---(1)]]>隔離裝置外混凝土在隔離裝置長度范圍內(nèi)產(chǎn)生的變形量為Δh＝h0*εc………………………………………………………………………………………(2)則隔離裝置內(nèi)的總變形量由兩部分組成一是隔離裝置內(nèi)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(nèi)混凝土柱體的軸向力相同，且傳感器和隔離裝置內(nèi)混凝土柱體橫截面面積相同，其應(yīng)力也相同。因此，力傳感器的變形量為Δhg=hg*σg1Eg---(3)]]>混凝土柱體變形量為Δhc=(h0-hg)*σg1Ec---(4)]]>設(shè)隔離裝置內(nèi)外混凝土在隔離裝置長度內(nèi)的變形量一致，則Δh＝Δhc+Δhg………………………………………………………………………………(5)將(1)～(4)式帶入上式得
σg1=σc(λE-1)λh+1---(6)]]>上式中λE=EcEg;]]>λh=hgh0]]>從上式中可知當(dāng)傳感器的彈性模量與混凝土的彈性模量一致，即λE趨近于1，或者傳感器厚度hg遠(yuǎn)小于隔離裝置高度h0，即λh趨近于0時(shí)，測得的應(yīng)力即為混凝土的真實(shí)應(yīng)力。
2、混凝土產(chǎn)生非彈性應(yīng)變時(shí)當(dāng)混凝土產(chǎn)生非彈性應(yīng)變?chǔ)纽虝r(shí)，由于隔離裝置內(nèi)外混凝土應(yīng)力狀態(tài)相同、混凝土同質(zhì)和環(huán)境條件相同，因此，可認(rèn)為隔離裝置內(nèi)外混凝土的非彈性應(yīng)變一致。隔離裝置外混凝土在隔離裝置長度范圍內(nèi)產(chǎn)生的變形量Δh等于h0*εμ。
隔離裝置內(nèi)混凝土柱體產(chǎn)生的變形量由兩部分組成一是非彈性應(yīng)變產(chǎn)生的變形量Δhc1＝(h0-hg)*εu………………………………………………………………………………(7)二是附加應(yīng)力σg2產(chǎn)生的變形量Δhc2=(h0-hg)*σg2Ec---(8)]]>故Δh＝Δhg+Δhc1+Δhc2............................................................(9)考慮到Δh等于h0*εμ，且傳感器變形量Δhg為hg*σg2/Eg，并將(7)和(8)式帶入上式中得到σg2=ϵu*Ec(λE-1)+1λh---(10)]]>從上式中可以看出，只要λh趨近于0，則傳感器測得的應(yīng)力即為0。合理選擇λh就可以將非彈性應(yīng)變產(chǎn)生的附加應(yīng)力控制在工程要求之內(nèi)。
3、混凝土在彈性應(yīng)變和非彈性應(yīng)變同時(shí)作用時(shí)力傳感器在混凝土的彈性應(yīng)變和非彈性應(yīng)變共同作用下測得的應(yīng)力為
σg=σg1+σg2=σc(λE-1)λh+1+ϵu*Ec(λE-1)+1λh---(11)]]>通過制作工藝使力傳感器與混凝土彈性模量之比接近于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(yīng)力接近混凝土的真實(shí)應(yīng)力，非彈性應(yīng)變產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，滿足工程需要。
應(yīng)注意到，由于隔離裝置內(nèi)部混凝土柱體應(yīng)力略高于隔離裝置外部混凝土應(yīng)力，且混凝土徐變應(yīng)變具有與應(yīng)力成正比的特性，隔離裝置內(nèi)混凝土柱體徐變應(yīng)變略大于隔離裝置外部混凝土，這將會(huì)使混凝土應(yīng)力得到重新分布，使得隔離裝置內(nèi)外混凝土應(yīng)力趨于一致，因此，利用本發(fā)明測得的應(yīng)力實(shí)際上比(12)式更接近并最終等于混凝土結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力。
符號(hào)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(yīng)力σg；混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力σc。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的之二，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的，即一種混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)，包括力傳感器，其特征是所述力傳感器設(shè)置在隔離裝置內(nèi)或端部，所述力傳感器信號(hào)線由隔離裝置內(nèi)引出。
本發(fā)明由于上述結(jié)構(gòu)而適用于各種配合比、各種應(yīng)力水平、各種截面形式和各種溫濕度環(huán)境條件下混凝土結(jié)構(gòu)的短期或長期應(yīng)力測試。


本發(fā)明可以通過附圖給出的實(shí)施例進(jìn)一步說明。
附圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視圖；
附圖2為本發(fā)明的使用狀態(tài)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(nèi)混凝土、4-隔離裝置外的混凝土。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1自補(bǔ)償混凝土結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力測試方法，方法包括1)根據(jù)測試要求，確定力傳感器的準(zhǔn)確度和量程，選用穩(wěn)定性好的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)力傳感器；2)制作或設(shè)置合適的隔離裝置，隔離裝置長度應(yīng)不低于力傳感器厚度的10倍；3)將力傳感器固定于隔離裝置內(nèi)部或端部，構(gòu)成混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)，并記錄隔離裝置內(nèi)部的截面面積；4)混凝土澆注前，在需要測試應(yīng)力的部位沿測試方向放置混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)，并將數(shù)據(jù)線或電源線引出至模板之外；5)澆注混凝土，并在混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)附近振搗，確保隔離裝置內(nèi)外部混凝土均勻密實(shí)；6)在需要進(jìn)行應(yīng)力測試時(shí)，通過數(shù)據(jù)線讀取或記錄力傳感器讀數(shù)，并除以隔離裝置內(nèi)部的截面面積得到混凝土真實(shí)應(yīng)力值。該換算關(guān)系也可以嵌入讀數(shù)設(shè)備中，直接讀取或記錄混凝土真實(shí)應(yīng)力值。
實(shí)施例2混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)參見圖1，圖1是本發(fā)明混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，通過本發(fā)明制作的混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)包括隔離裝置1和力傳感器2組成，結(jié)構(gòu)簡單，便于應(yīng)用。將力傳感器2放置在隔離裝置1內(nèi)部固定，力傳感器為一餅狀結(jié)構(gòu)，其橫截面與隔離裝置橫截面相匹配。當(dāng)力傳感器位于隔離裝置中間某一部位時(shí)，隔離裝置內(nèi)的混凝土被力傳感器分成2部分；當(dāng)力傳感器位于隔離裝置端部時(shí)，則其內(nèi)部混凝土為一整體。
本發(fā)明所述的力傳感器可以直接采用市售的振弦式壓力盒、壓磁式力傳感器、應(yīng)變式力傳感器及光纖式力傳感器等等。
實(shí)例中，將力傳感器置于隔離裝置中間部位，在混凝土澆筑之前將混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)沿測試應(yīng)力方向固定，并將力傳感器導(dǎo)線引出模板之外。在混凝土澆筑工程中要注意保護(hù)好傳感器，同時(shí)在傳感器周圍進(jìn)行充分振搗，以保證隔離裝置內(nèi)外部混凝土均勻密實(shí)。
試驗(yàn)中，在混凝土結(jié)構(gòu)上施加10MPa壓應(yīng)力和產(chǎn)生600με的非彈性壓應(yīng)變的組合工況下，理論上非彈性應(yīng)變不產(chǎn)生應(yīng)力，故混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部只有10MPa的壓應(yīng)力。力學(xué)分析表明在該工況下混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)測得10.7MPa壓應(yīng)力，測試誤差僅0.7MPa。該實(shí)例表明，本發(fā)明不僅理論嚴(yán)密、構(gòu)造簡單、實(shí)用性強(qiáng)，且測試結(jié)果準(zhǔn)確，在600με的非彈性壓應(yīng)變(換算壓應(yīng)力為20.7MPa)作用下，僅產(chǎn)生0.7MPa的測試誤差，完全滿足工程測試的要求。應(yīng)該注意到，這0.7MPa的測試誤差即隔離裝置內(nèi)外部混凝土的應(yīng)力差。由于混凝土材料具有徐變特性，這將使隔離裝置內(nèi)外部混凝土的應(yīng)力差逐漸減小，并最終趨近于0，表明測試誤差也最終趨近于0。本發(fā)明徹底解決了數(shù)十年來長期困擾工程測量中混凝土材料非彈性應(yīng)變帶來的應(yīng)力測試誤差問題，既具有原創(chuàng)性，又具有極大的工程實(shí)用價(jià)值，是混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試技術(shù)的重大突破，這也是本發(fā)明區(qū)別于其它混凝土應(yīng)力測試方法的主要特征之一。
權(quán)利要求
1.一種自補(bǔ)償混凝土結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力測試方法，方法包括1)根據(jù)測試要求，確定力傳感器的準(zhǔn)確度和量程，選用穩(wěn)定性好的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)力傳感器；2)制作或設(shè)置合適的隔離裝置，隔離裝置長度應(yīng)不低于力傳感器厚度的10倍；3)將力傳感器固定于隔離裝置內(nèi)部或端部，構(gòu)成混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)，并記錄隔離裝置內(nèi)部的截面面積；4)混凝土澆注前，在需要測試應(yīng)力的部位沿測試方向放置混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)，并將數(shù)據(jù)線或電源線引出至模板之外；5)澆注混凝土，并在混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)附近振搗，確保隔離裝置內(nèi)外部混凝土均勻密實(shí)；6)在需要進(jìn)行應(yīng)力測試時(shí)，通過數(shù)據(jù)線讀取或記錄力傳感器讀數(shù)，并除以隔離裝置內(nèi)部的截面面積得到混凝土真實(shí)應(yīng)力值。
2.一種混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)，包括力傳感器(1)，其特征是所述力傳感器設(shè)置在隔離裝置(2)內(nèi)或端部，所述力傳感器信號(hào)線由隔離裝置內(nèi)引出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)，其特征是所述隔離裝置為等截面無頂或/和無底的桶狀結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測試混凝土結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力的方法，方法包括在混凝土應(yīng)力測試方向設(shè)置一等截面隔離裝置，使裝置內(nèi)外混凝土在與測試應(yīng)力垂直方向上隔開，通過力傳感器測試隔離裝置內(nèi)混凝土柱體軸向力來得到混凝土真實(shí)應(yīng)力。該方法利用隔離裝置內(nèi)外混凝土材質(zhì)相同、應(yīng)力狀態(tài)一致和溫濕度等環(huán)境條件相同等特點(diǎn)，通過隔離裝置內(nèi)混凝土柱體的非彈性應(yīng)變來補(bǔ)償測試部位混凝土的非彈性應(yīng)變，達(dá)到在應(yīng)力測試結(jié)果中消除混凝土非彈性應(yīng)變影響的目的，能夠解決混凝土應(yīng)力無法準(zhǔn)確測量的問題。本發(fā)明還涉及實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的混凝土真實(shí)應(yīng)力計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01N33/38GK1866005SQ20061005428
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者鄭萬山, 鄭罡, 張又進(jìn) 申請人:鄭萬山, 張又進(jìn), 鄭罡