CN1025240C - 砼绝对应力和弹性模量检测方法 - Google Patents

Abstract

一种新的砼绝对应力和弹性模量检测方法“盲孔松弛——加压法”。适用于不能预埋传感器的已建的砼构件。其特征在于在测点处钻盲孔，并向孔壁施加压力，该压力由应力检测装置控制和计算。

Description

本方法属于力的测量。

申请号为88108972.9的一种可直接显示出应力值的压磁式砼绝对应力检测装置，是一种将其传感器预埋于砼构件中的检测装置，对于无法预埋传感器的已建结构，则不适用。

在已建结构上检测砼绝对应力，曾有过两种方法。一曰取芯法，即在砼构件上钻取砼芯，钻取前先在芯的表面布置好应变片花，用应变仪检测出由于砼芯脱离开构件时，引起的松弛应变，再依此推算出测点之原有应力，所需之弹性模量值，是用砼芯作实验得到的。此法所需钻取之砼芯很大，钻孔机械笨重以及损伤构件等等缺点，未能推广。另一曰狭槽应力恢复法，即在砼表面切割出一狭槽，槽中放入千斤顶，以对槽之侧壁施压，预先在槽之两侧的砼表面设置好应变计和位移计，检测出由于切槽引起的松弛应变、松弛位移以及由于加压引起的加压应变和加压位移，当松弛应变、松弛位移与加压应变、加压位移大小相等、符号相反时，此时千斤顶所施加的压力值，即为砼原存在的绝对应力值。此法一道槽只能得出一个方向的应力值，切槽尺寸大，对构件损伤较大，且无法得出砼的弹性模量值，而该值又是个非常重要的参数，故也未能推广使用。所以，目前在国内外，尚无可付诸实用的对已建结构的砼绝对应力和弹性模量进行检测的装置和方法。

本发明的目的就在于提出已建结构的砼绝对应力和弹性模量进行检测的原理、设计制造出检测装置以及提出检测方法。设法找出砼构件测点之松弛应变、加压应变及加压压力值与绝对应力和弹性 模量之间的关系，来解决此问题。

本方法的要点是，首先在砼测点处钻制盲孔，在盲孔点周围，先布置好应变片或应变片花，盲孔的大小，要能满足检测值精度之要求，又要不影响构件的正常使用，尤其要适用于小型砼构件，用一套加压装置，对盲孔之侧壁加压，使用仪器检测出盲孔周围的松弛应变和加压应变，以及对盲孔壁施加的压力值。仪器对信号进行处理后，即可输出测点砼的最大主应力值、最小主应力值，主应力夹角及弹性模量值。我们称此法为“盲孔松弛-加压法”。

结合附图说明之

图1为构件测点应力分析和应变片花布置图。

1、2、3为电阻应片片，L为电阻应变片之标距，r.θ为极座标，O为原点，a为圆形通孔之半径，，r₁为电阻应变片近端至孔中心距离，r₂为电阻应变片远端至孔中心之距离，6₁为最大主应力，6₂为最小主应力，θ为电阻应变片1与6₁的夹角，θ+-₄为电阻应变片2与6₁的夹角，θ+-₂为电阻应变片3与6₁的夹角。

该方法的原理是，如图1所示，构件测点之应力总可看作是主应力6₁、6₂的二向应力状态，在距原点极座标为（r、θ）处的应力为：

切向应力

$6_{\theta }=\frac{6_1{\mathrm{+6}}_2}{2}-\frac{6_1{\mathrm{-\; 6}}_2}{2}\mathrm{cos2\; \theta }$

径向应力    （1）

$6_1=\frac{6_1{\mathrm{+6}}_2}{2}+\frac{6_1{\mathrm{-\; 6}}_2}{2}\mathrm{cos2\; \theta }$

在0点钻取半径为a的圆形通孔。开孔后，（r，θ）处之应力，根据弹性力学Kirsch公式为：

$6_0\mathrm{＇\; =}\frac{6_1{\mathrm{+\; 6}}_2}{2}\mathrm{(1+}\frac{a^2}{r^2}\mathrm{)\; -}\frac{6_1{\mathrm{-\; 6}}_2}{2}\mathrm{(1\; +}\frac{{\mathrm{3a}}^4}{r^4}\mathrm{)cos2\; \theta }$

$6_r{}^1=\frac{6_1{\mathrm{+\; 6}}_2}{2}\mathrm{(1-}\frac{q^2}{r}\mathrm{)\; +}\frac{6_1{\mathrm{-\; 6}}_2}{2}\mathrm{(1\; +}\frac{{\mathrm{3a}}^4}{r^4}-\frac{{\mathrm{4a}}^2}{r^4}\mathrm{)\; cos\; 2\theta \; (2)}$

钻孔引起（r、θ）钻孔前后应力值变化为（2）-（1）

即△6_θ＝6′_θ-6_θ

△6_r＝6′_r-6_r

将（1）（2）式代入（3）中得

${\mathrm{△\; 6}}_{\theta }=\frac{6_1{\mathrm{+\; 6}}_2}{2}\times \frac{a^2}{r^2}-\frac{6_1{\mathrm{-\; 6}}_2}{2}\times \frac{{\mathrm{3a}}^4}{r^4}\mathrm{cos2\; \theta }$

${\mathrm{△\; 6}}_r=\frac{6_1{\mathrm{+\; 6}}_2}{2}\times \frac{a^2}{r^2}+\frac{6_1{\mathrm{-\; 6}}_2}{2}\mathrm{\times (}\frac{{\mathrm{3a}}^4}{r^4}-\frac{{\mathrm{4a}}^2}{r^2}\mathrm{)\; cos2\; \theta \; (4)}$

依胡克定律，在（r、θ）处，由于钻孔引起的径向应变值△ε为：

△ε＝（△6_r-μ△6_θ）/E （5）

实际上，如图1所示之径向应变片不是一点，而是L＝r₂-r₁，应变片所反映的平均应变值为：

将（4）代入（6）中，积分得：

△ε_m＝A（6₁+6₂）+B（6₁-6₆）cos2θ （7）

式中

$\mathrm{A\; =\; -}\frac{a^2}{{\mathrm{2r}}_1{r}_2}\times \frac{\mathrm{1\; +\; \mu }}{E}$

$\mathrm{B\; =\; -}\frac{{\mathrm{2a}}^2}{r_1{r}_2}\times \frac{1}{E}\mathrm{［\; 1\; -}\frac{a^2{\mathrm{(1\; +\; \mu \; )\; (r}}^2{}_1{\mathrm{+\; r}}_1{r}_2{\mathrm{+\; r}}^2{}_2)}{{\mathrm{4r}}^2{}_1{r}^2{}_2}\mathrm{(8)}$

若按图1所示布置三片电阻应变片而组成应变片花，逆时针方向编为1、2、3号，与6₁方向的夹角分别为θ.θ+π/4.0+π/2，其由于钻孔引起的应变值分别为△ε_1m、△ε_2m和△ε_3m将其代入（7）中，得：△ε_1m＝A（6₁+6₂）+B（6₁-6₂）cos2θ

△ε_2m＝A（6₁+6₂）-B（6₁-6₂）sin2θ （9）

△ε_3m＝A（6₁+6₂）-B（6₁-6₂）cos2θ

解（9）得：

由（10）得知，欲得到准确的6₁、6₂和θ的值，须有准确的△ε_1m、△ε_2m、△ε_3m，A和B的值，△ε_1m、△ε_2m、△ε_3m可由检测仪器测得。从（8）中得知，除a、r₁、r₂，钻孔直径和应变片布置方式确定后即可获得外，尚有μ和E未知。已知μ数值波动不大，但E却有很大的离散性，对测量结果之影响也大，故须设法获得准确的弹性模量E。

若在图1所示之圆孔中，沿孔壁施加均匀压力q、则（r、θ）处将引起应力：

${\sigma }_1\mathrm{=\; -}\frac{a^2}{r^2}\mathrm{\times \; q}$

${\sigma }_{\theta }=\frac{a^2}{r^2}\mathrm{\times \; q\; (11)}$

将（11）按胡克定律作应力应变换算并进行积分，可以得出径向电阻应变片由于沿孔壁施加均匀压力q引起的平均应变值为：

${\mathrm{△\; \epsilon }}_1\mathrm{=\; -}\frac{a^2}{r_1{r}_2}\times \frac{\mathrm{1\; +\; \mu }}{E}\mathrm{\times \; q\; =\; 2Aq\; (12)}$

则砼之弹性模量为：

$\mathrm{E\; =\; -}\frac{a^2}{r_1{r}_2}\times \frac{\mathrm{1+\mu }}{{\mathrm{△\; \epsilon }}_1}\mathrm{\times q\; (13)}$

可见，只要检测出q和△ε_j，即可得到E。至此，在理论上，测点砼的6₁、6₂、θ和E均可准确地测得了。

根据分析和试验，我们取孔径a＝3.5cm，应变片标距L＝8cm，其近端距孔中心r₁＝4.5cm，其远端距孔中心r₂＝12.5cm，μ＝1/6，分别代入前面有关公式，可得出：

以及

E＝-0.25q/△ε_j

当测点为双向应力状态，但主应力方向已知，则只需沿两个主应力方向6₁、6₂，布置两片应变片即可。主应力公式与（14）同。

当测点为单向应力状态，且主应力方向已知，则只需沿6方向布置一片应变片即可。其主应力公式为：

6＝0.57×q×△ε_m/△ε_j

上述即为“盲孔松弛-加压法”检测砼绝对应力和弹性模量的基本原理，据此构思，研制成功了由传感器、钻孔机、加压台和砼绝对应力检测仪组成的检测装置，定名为HJY-1结构砼绝对应力检测装置。

公式（14）（15）（16）是根据在无限域弹性薄板上钻通孔的弹性理论推导出来的。对于盲孔，为满足（14）（15）（16）三式，尚需解决孔深、孔径问题、解决满足测点具有足够的松弛和加压应变输出又不影响构件正常使用的情况下，盲孔该多大以及应变片的标距该多大的问题，解决测点所在构件边界尺寸该多大的问题。为此，我们进行了力学分析，计算结果，盲孔孔径70mm，孔深70-80mm，应变片标距为80mm，近端距孔中心4.5cm，远端距孔中心12.5mm，加压压力为5MPa，在此情况下，钻取盲孔引起的应变输出，对于检测仪器的分辨精度已足够大，孔状以圆形孔引起的应力集中最小，且在盲孔周围应力集中的范围很有限，衰减也快，离孔边3.5cm处只有22%的影响，离孔边7cm处，已基本没有影响了。即是说，钻取这样的盲孔，不影响构件的正常使用。计算结果还表明，只要构件最小边界离测点中心大于17.5cm（2.5倍孔径），由边界引起的测试误差

即可忽略不计。这足以说明，“盲孔松弛-加压法”，适用于各种类型之桥梁构件及其它的工程构件，这是“狭槽应力恢复法”所无法比拟的。

无论布置的是一片应变片还是应变片花，布置好后，用这同一应变片或应变片花采集盲孔周围之松弛应变和加压应变。

若测点恰好布置在有缺陷的构件部位，如裂缝、孔隙等处，或应变片的粘贴质量不佳，都会影响到检测结果的可靠性，对此，判断方法是，在5MPa的压力作用下，加压应变值有效范围取-80×10^-6～-25×10^-6，每片应变片加压应变值和同组应变花加压应变平均值之差与平均应变值之间比值的绝对值小于20%，就证明检测结果可靠、有效。

“盲孔松弛”-加压法”及其配套之HJY-1型砼绝对应力检测装置，是砼绝对应力检测技术的突破，实属首创。

我国现有公路桥梁422万延米。按最低量测算，也有4%的低标准桥梁需重建，投资至少也需20亿元，若用我们提出之方法及其配套之检测装置进行检测和评价，则不必全部重建，只需投入重建费用的20-30%，适当加固，即可恢复和提高旧桥之承载力，从而为国家节约大量宝贵资金，还可应用到道路、港口、隧道、大坝、房屋等工程的砼构件中。推广普遍使用，可获得显著的经济效益和社会效益。

Claims (6)

1、一种新的砼绝对应力检测方法，在砼测点表面布置电阻应变片，并将电阻应变片与砼绝对应力检测装置相连接，在测点处钻孔，砼绝对应力检测装置测得松弛应变并储存，用加压台向孔壁均匀施压，由砼绝对应力检测装置控制加压并测得加压应变值和施加之压力值并储存，砼绝对应力检测装置计算出测点之绝对应力值和弹性模量并打印输出；电阻应变片布置的方法是，当测点为双向应力状态，且主应力方向已知，则沿两个主应力6₁、6₂方向布置两片电阻应变片，若测点为单向应力状态，且主应力方向已知，则沿6方向布置一片电阻应变片，除以上两种情况外，则布置三片电阻应变片，且L102=L203=-^π ₄，其特征在于所钻之孔为盲孔，孔呈圆形，孔径70mm，孔深70-80mm，电阻应变片标距80mm，近端距孔中心45mm，远端距孔中心125mm，向孔壁施加之均匀压力值为5MPa。

2、如权利要求1所述之一种新的砼绝对应力检测方法，其特征在于测点中心距砼构件最小边界大于175mm。

3、如权利要求1所述之一种新的砼绝对应力检测方法，其特征在于判断检测结果有效性的方法是，在5MPa压力作用下，加压应变值有效范围取-80×10^-6-25×10^-6，每片电阻应变片加压应变值与同组电阻应变片花加压应变平均值之差和平均应变值之间的比值之绝对值小于20%。

4、一种新的砼弹性模量检测方法，在测点钻孔，在砼的测点表面布置电阻应变片并与砼绝对应力检测装置相连接，用加压台向孔壁均匀施压，由砼绝对应力检测装置控制加压并测得加压应变值和施加之压力值并储存，砼绝对应力检测装置计算出该测点的弹性模量并打印输出;电阻应变片布置的方法是，当测点为双向应力状态，且主应力方向已知，则沿两个主应力6₁、6₂方向布置两片电阻应变片，若测点为单向应力状态，且主应力方向已知，则沿6方向布置一片电阻应变片，除以上两种情况外，则布置三片电阻应变片，且＜102＝＜203＝-^π ₄，其特征在于所钻之孔为盲孔，孔呈圆形，孔径70mm，孔深70-80mm，电阻应变片标距80mm，近端距孔中心45mm，远端距孔中心125mm，向孔壁施加之均匀压力值为5MPa。

5、如权利要求4所述之一种新的砼弹性模量检测方法，其特征在于测点中心距砼构件最小边界大于175mm。

6、如权利要求4所述之一种新的砼弹性模量检测方法，其特征在于判断检测结果有效性的方法是，在5MPa压力作用下，加压应变值有效范围取-80×10^-6～-25×10^-6，每片电阻应变片加压应变值与同组电阻应变片花加压应变平均值之差和平均应变值之间的比值之绝对值小于20%。