CN1063358A - 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。使用新开发的HJY-1砼绝对应力检测装置， 可以可靠地检测出已建的各类砼构件之绝对应力和 弹性模量。

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。此法所需钻取的砼芯很大，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新的构思，并在此基础上提出检测原理，设计制造出检测装置以及提出检测方法。

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、最小主应力、主应力夹角及弹性模量，我们称此法为“盲孔松弛-加压法”。

该方法的原理是，如图所示，构件测点的应力总可看作是主应力б₁，б₂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：

径向应力：

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：

钻孔引起（r、θ）钻孔前后应力值变化为（2）-（1）

即

△б_θ＝б_θ′-б_θ（3）

△б_r＝б_r′-б_r

将（1）、（2）式代入（3）中，得：

依胡克定律，在（r、θ）处，由于钻孔引起的径向应变值△ε为：

△ε＝（△б_r-μ△б_θ）/E （5）

实际上，如图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（б₁+б₂）+B（б₁-б₂）cos2θ （7）

式中

A = - (a²)/(2r₁r₂) × (1 + μ)/(E)

B = - (2a²)/(r₁r₂) × 1/(E) ［1 - (a²（1＋μ）（r₁ ²＋r₁r₂＋r₂ ²）)/(4r₁ ²r₂ ²) ］ (8)

若按图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б₁方向的夹角分别为θ、θ+π/4、θ+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（б₁+б₂）+B（б₁-б₂）cos2θ

△ε_2m＝A（б₁+б₂）-B（б₁-б₂）sin2θ

△ε_3m＝A（б₁+б₂）-B（б₁-б₂）cos2θ （9）

解（9）得：

б₁= (△ε_fm+ △ε_3m)/(4A) + (△ε_1m+ △ε_3m)/(4Bcos2θ)

б₂= (△ε_1m+ △ε_3m)/(4A) - (△ε_1m- △ε_3m)/(4Bcos2θ) (10)

2θ= arctg (2△ε_2m- 4ε_1m- △ε_3m)/(△ε_1m- △ε_3m)

由（10）得知，欲得到准确的б₁、б₂和θ值，须有准确的△ε_1m、△ε_2m、△ε_3mA和B值，△ε_1m△ε_2m△ε_3m可由检测仪器测得。从（3）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，尚有和E未知。已知数值波动不大，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：

б_r= - (a²)/(r²) × q

б_θ= - (a²)/(r²) × 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：

△ε_{j = -}(a²)/(r₁r₂) × (1 + μ)/(E) × q = 2Aq (12)

则砼之弹性模量为：

E = -(a²)/(r₁r₂) × (1 + μ)/(△ε_j) × 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б₁、б₂、θ和E均可准确地测得了。

根根分析和试验，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：

б₁= ((△ε_1m+ △ε_3m)q)/(2△ε_j) + ((△ε_1m+ △ε_3m)q)/(5.04△ε_jcos2θ)

б₂= ((△ε_1m+ △ε_3m)q)/(2△ε_j) - ((△ε_1m- △ε_3m)q)/(5.04△ε_jcos2θ) (14)

2θ= arctg (2△ε_2m- △ε_1m- △ε_3m)/(△ε_1m- △ε_3m)

以及

E＝-0.25q/△ε_j（15）

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б₁、б₂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б方向布置一片应变片即可。其主应力公式为：

б＝0.57×q×△ε_m/△ε_j（16）

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NJY-1结构砼绝对应力检测装置。该装置已由交通部重庆公路科学研究所、天津建筑仪器厂共同提出专利申请。

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12.5cm，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。

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-8×10^-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和弹性模量检测方法“盲孔松弛--加压法”。使用检测装置，在砼构件上钻孔；在钻孔之周围，砼测点表面预先布置好电阻应变片。其特征在于，使用的是HJY-1砼绝对应力检测装置；在砼构件上所钻之孔为盲孔；向盲孔壁施加压力；用同一片(组)应变片分步采集盲孔周围之松弛应变和加压应变。

2、如权利要求1所述之砼绝对应力和弹性模量检测“盲孔松弛-加压法”，其特征在于盲孔呈圆形，孔径70mm，孔深70～80mm最佳。

3、如权利要求1、2所述之砼绝对应力和弹性模量检测“盲孔松弛-加压法”，其特征在于应变片标距以80mm，近端距孔心4.5cm，远端距孔心12.5cm最佳。

4、如权利要求1、2所述之砼绝对应力和弹性模量检测“盲孔松弛-加压法”，其特征在于测点中心距砼构件最小边界大于17.5cm为最佳。

5、如权利要求1所述之砼绝对应力和弹性模量之检测“盲孔松弛-加压法”，其特征在于向盲孔孔壁施加均匀压力时，稳压压力值取5MPa为最佳。

6、如权利要求1所述之砼绝对应力及弹性模量之检测“盲孔松弛-加压法”，其特征在于判断检测结果的有效性的方法是，在5MPa压力作用下，加压应变值有效范围取-80×10^-6～-25×10^-6，每片应变片加压应变值与同组应变花加压应变平均值之差和平均应变值之间比值的绝对值小于20%。

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