自补偿混凝土结构真实应力测试方法及混凝土真实应力计

摘要

本发明涉及一种测试混凝土结构真实应力的方法，方法包括：在混凝土应力测试方向设置一等截面隔离装置，使装置内外混凝土在与测试应力垂直方向上隔开，通过力传感器测试隔离装置内混凝土柱体轴向力来得到混凝土真实应力。该方法利用隔离装置内外混凝土材质相同、应力状态一致和温湿度等环境条件相同等特点，通过隔离装置内混凝土柱体的非弹性应变来补偿测试部位混凝土的非弹性应变，达到在应力测试结果中消除混凝土非弹性应变影响的目的，能够解决混凝土应力无法准确测量的问题。本发明还涉及实现本发明方法的混凝土真实应力计，其结构简单，实用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土结构应力测试方法，具体是一种自补偿混凝土结构真实应力测试方法，本发明还涉及所述方法采用的混凝土真实应力计。

背景技术

混凝土结构是土木工程中最常见的一种建筑结构，人们充分利用其抗压强度高、耐久性好等特点，修建大量的人工建筑，自从混凝土材料发明以来得到极大的推广。随着科学技术的发展，混凝土材料的特点逐渐被工程人员认识：混凝土不是理想线弹性材料，其在浇注成型后，会产生收缩；在荷载作用下不仅产生弹性应变，随着时间推移，还产生徐变；在温度作用下会产生膨胀或收缩。由于传感器和混凝土在材料特性存在巨大差异，当混凝土结构产生温度应变、收缩应变或徐变应变时，传感器会因为其阻止周围混凝土结构自由变形而产生附加应力。因此，工程人员在测试混凝土结构的真实应力方面遇到巨大难题。

目前工程界在混凝土结构应力测试中，通常有2种方法。方法一：利用埋入混凝土中的应变传感器，测得混凝土结构在各种荷载作用下的应变。根据混凝土材料特点，该应变包括应力产生的弹性应变(下文将简称其为弹性应变)、温度应变、收缩应变和徐变应变等(下文将这三种应变简称为非弹性应变)。工程人员必须从测试应变中准确地扣除非弹性应变得到弹性应变，然后乘以混凝土弹性模量换算出混凝土结构的应力。由于混凝土材料的离散性非常大、材料参数随时间而变化，要想准确掌握其收缩、徐变与温度对应变的影响量和混凝土弹性模量都是非常困难的。因此，即使应变测试结果准确，该方法所得应力因人而异，其结果的准确性和可靠性严重依赖于测试人员的理论水平和工程经验。这表明通过上述方法无法确保得到混凝土得真实应力。方法二：将压力传感器直接埋入混凝土结构中，通过测试传感器上的压力推算混凝土结构应力。该方法虽然不需要从应变推算到应力，而是直接测得应力，但是在混凝土结构产生非弹性应变时，由于传感器与混凝土结构在材料特性上的差异，传感器上将产生极大的附加应力，造成测试结果严重偏离混凝土的真实应力。由于该方法在理论上未能解决混凝土结构非弹性应变对应力测试产生严重影响的问题，因此，未能得到广泛的实际应用。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种自补偿混凝土结构真实应力测试方法，它能够真正解决混凝土真实应力测试的难题，通过采用隔离装置利用混凝土自身特性对非弹性应变进行补偿，最大限度地降低非弹性应变对测试结果的影响，直接测得混凝土结构应力，而不需要从应变推算到应力，从而克服目前工程界混凝土应力无法准确测试的问题。

本发明的目的之二是提供一种实现上述方法的混凝土真实应力计，它不但能够实现对混凝土真实应力的测试，而且结构简单，便于应用。

为实现本发明的目的之一而采用的技术方案是这样的：即一种自补偿混凝土结构真实应力测试方法，方法包括：

1)根据测试要求，确定力传感器的准确度和量程，选用稳定性好的静态或动态力传感器；

2)制作或设置合适的隔离装置，隔离装置长度应不低于力传感器厚度的10倍；

3)将力传感器固定于隔离装置内部或端部，构成混凝土真实应力计，并记录隔离装置内部的截面面积；

4)混凝土浇注前，在需要测试应力的部位沿测试方向放置混凝土真实应力计，并将数据线或电源线引出至模板之外；

5)浇注混凝土，并在混凝土真实应力计附近振捣，确保隔离装置内部混凝土密实；

6)在需要进行应力测试时，通过数据线读取或记录力传感器读数，并除以隔离装置内部的截面面积得到混凝土真实应力值。该换算关系也可以嵌入读数设备中，直接读取或记录混凝土真实应力值。

上述方法原理如下：

利用隔离装置内混凝土柱体的非弹性应变来补偿隔离装置外混凝土的非弹性应变，使非弹性应变引起的传感器附加应力减小。隔离装置内混凝土柱体给力传感器上施加的应力σ_g由两部分组成，一是混凝土结构应力产生的σ_g1；二是非弹性应变(包括温度自由应变、收缩和徐变)产生的附加应力σ_g2。本发明的目的是使σ_g1接近于σ_c，而使σ_g2接近于0。

1、混凝土结构承受由正应力产生的应变(弹性应变)时：

混凝土正应力σ_c产生的应变为

$>>>ϵ>c>>=>>>\sigma >c>>>E>c>\; >->->->>(>1>)>>>s>$

隔离装置外混凝土在隔离装置长度范围内产生的变形量为

Δh＝h₀*ε_c………………………………………………………………………………………(2)

则隔离装置内的总变形量由两部分组成：一是隔离装置内混凝土柱体变形量Δh_c，二是力传感器的变形量Δh_g。力传感器受到的轴向力与隔离装置内混凝土柱体的轴向力相同，且传感器和隔离装置内混凝土柱体横截面面积相同，其应力也相同。因此，力传感器的变形量为

$>>\Delta >>h>g>>=>>>>h>g>>*>>\sigma >>g>1>>>>>E>g>\; >->->->>(>3>)>>>s>$

混凝土柱体变形量为

$>>\Delta >>h>c>>=>>>>(>>h>0>>->>h>g>>)>>*>>\sigma >>g>1>>>>>E>c>\; >->->->>(>4>)>>>s>$

设隔离装置内外混凝土在隔离装置长度内的变形量一致，则

Δh＝Δh_c+Δh_g………………………………………………………………………………(5)

将(1)～(4)式带入上式得

$>>>\sigma >>g>1>>>=>>>\sigma >c>>>>(>>\lambda >E>>->1>)>>>\lambda >h>>+>1>\; >->->->>(>6>)>>>s>$

上式中 $>>>\lambda >E>>=>>>E>c>>>E>g>\; >;>>s>$ >>>\lambda >h>>=>>>h>g>>>h>0>\; >>s>$$

从上式中可知：当传感器的弹性模量与混凝土的弹性模量一致，即λ_E趋近于1，或者传感器厚度h_g远小于隔离装置高度h₀，即λ_h趋近于0时，测得的应力即为混凝土的真实应力。

2、混凝土产生非弹性应变时

当混凝土产生非弹性应变ε_μ时，由于隔离装置内外混凝土应力状态相同、混凝土同质和环境条件相同，因此，可认为隔离装置内外混凝土的非弹性应变一致。隔离装置外混凝土在隔离装置长度范围内产生的变形量Δh等于h₀*ε_μ。

隔离装置内混凝土柱体产生的变形量由两部分组成：

一是非弹性应变产生的变形量

Δh_c1＝(h₀-h_g)*ε_u………………………………………………………………………………(7)

二是附加应力σ_g2产生的变形量

$>>\Delta >>h>>c>2>>>=>>(>>h>0>>->>h>g>>)>>*>>>\sigma >>g>2>>>>E>c>\; >->->->>(>8>)>>>s>$

故Δh＝Δh_g+Δh_c1+Δh_c2............................................................(9)

考虑到Δh等于h₀*ε_μ，且传感器变形量Δh_g为h_g*σ_g2/E_g，并将(7)和(8)式带入上式中得到

$>>>\sigma >>g>2>>>=>>>>ϵ>u>>*>>E>c>>>>>(>>\lambda >E>>->1>)>>+>>1>>\lambda >h>\; >\; >->->->>(>10>)>>>s>$

从上式中可以看出，只要λ_h趋近于0，则传感器测得的应力即为0。合理选择λ_h就可以将非弹性应变产生的附加应力控制在工程要求之内。

3、混凝土在弹性应变和非弹性应变同时作用时

力传感器在混凝土的弹性应变和非弹性应变共同作用下测得的应力为

$>>>\sigma >g>>=>>\sigma >>g>1>>>+>>\sigma >>g>2>>>=>>>\sigma >c>>>>(>>\lambda >E>>->1>)>>>\lambda >h>>+>1>\; >+>>>>ϵ>u>>*>>E>c>>>>>(>>\lambda >E>>->1>)>>+>>1>>\lambda >h>\; >\; >->->->>(>11>)>>>s>$

通过制作工艺使力传感器与混凝土弹性模量之比接近于1，则上式变成：

σ_g＝σ_c+ε_u*E_c*λ_h……………………………………………………………………………(12)

从上式可以看出只要合理选择λ_h大小就能使传感器测得的应力接近混凝土的真实应力，非弹性应变产生的附加应力较小，满足工程需要。

应注意到，由于隔离装置内部混凝土柱体应力略高于隔离装置外部混凝土应力，且混凝土徐变应变具有与应力成正比的特性，隔离装置内混凝土柱体徐变应变略大于隔离装置外部混凝土，这将会使混凝土应力得到重新分布，使得隔离装置内外混凝土应力趋于一致，因此，利用本发明测得的应力实际上比(12)式更接近并最终等于混凝土结构的真实应力。

符号：

传感器弹性模量E_g；

混凝土弹性模量E_c；

力传感器厚度h_g；

隔离装置高度h₀；

传感器测得的应力σ_g；

混凝土结构的应力σ_c。

为实现本发明目的之二，本发明采用的技术方案是这样的，即一种混凝土真实应力计，包括力传感器，其特征是：所述力传感器设置在隔离装置内或端部，所述力传感器信号线由隔离装置内引出。

本发明由于上述结构而适用于各种配合比、各种应力水平、各种截面形式和各种温湿度环境条件下混凝土结构的短期或长期应力测试。

附图说明

本发明可以通过附图给出的实施例进一步说明。

附图1为本发明的结构剖视图；

附图2为本发明的使用状态示意图。

参见附图：图中：1-隔离装置、2-压力传感器、3-隔离装置内混凝土、4-隔离装置外的混凝土。

具体实施方式：

实施例1自补偿混凝土结构真实应力测试方法，方法包括：

1)根据测试要求，确定力传感器的准确度和量程，选用稳定性好的静态或动态力传感器；

2)制作或设置合适的隔离装置，隔离装置长度应不低于力传感器厚度的10倍；

3)将力传感器固定于隔离装置内部或端部，构成混凝土真实应力计，并记录隔离装置内部的截面面积；

4)混凝土浇注前，在需要测试应力的部位沿测试方向放置混凝土真实应力计，并将数据线或电源线引出至模板之外；

5)浇注混凝土，并在混凝土真实应力计附近振捣，确保隔离装置内外部混凝土均匀密实；

6)在需要进行应力测试时，通过数据线读取或记录力传感器读数，并除以隔离装置内部的截面面积得到混凝土真实应力值。该换算关系也可以嵌入读数设备中，直接读取或记录混凝土真实应力值。

实施例2混凝土真实应力计

参见图1，图1是本发明混凝土真实应力计实施例的结构示意图，由图可见，通过本发明制作的混凝土真实应力计包括隔离装置1和力传感器2组成，结构简单，便于应用。将力传感器2放置在隔离装置1内部固定，力传感器为一饼状结构，其横截面与隔离装置横截面相匹配。当力传感器位于隔离装置中间某一部位时，隔离装置内的混凝土被力传感器分成2部分；当力传感器位于隔离装置端部时，则其内部混凝土为一整体。

本发明所述的力传感器可以直接采用市售的振弦式压力盒、压磁式力传感器、应变式力传感器及光纤式力传感器等等。

实例中，将力传感器置于隔离装置中间部位，在混凝土浇筑之前将混凝土真实应力计沿测试应力方向固定，并将力传感器导线引出模板之外。在混凝土浇筑工程中要注意保护好传感器，同时在传感器周围进行充分振捣，以保证隔离装置内外部混凝土均匀密实。

试验中，在混凝土结构上施加10MPa压应力和产生600με的非弹性压应变的组合工况下，理论上非弹性应变不产生应力，故混凝土结构内部只有10MPa的压应力。力学分析表明：在该工况下混凝土真实应力计测得10.7MPa压应力，测试误差仅0.7MPa。该实例表明，本发明不仅理论严密、构造简单、实用性强，且测试结果准确，在600με的非弹性压应变(换算压应力为20.7MPa)作用下，仅产生0.7MPa的测试误差，完全满足工程测试的要求。应该注意到，这0.7MPa的测试误差即隔离装置内外部混凝土的应力差。由于混凝土材料具有徐变特性，这将使隔离装置内外部混凝土的应力差逐渐减小，并最终趋近于0，表明测试误差也最终趋近于0。本发明彻底解决了数十年来长期困扰工程测量中混凝土材料非弹性应变带来的应力测试误差问题，既具有原创性，又具有极大的工程实用价值，是混凝土结构应力测试技术的重大突破，这也是本发明区别于其它混凝土应力测试方法的主要特征之一。