基于混凝土应变计观测数据的温度应力分析方法

摘要

本发明公开了一种基于混凝土应变计观测数据的温度应力分析方法，其特点是，该方法采用振弦式混凝土应变计测定混凝土结构中温度应力σT和温度应变εc。本发明的科学意义主要体现在三个方面，一是解决了长期存在的混凝土温度应力无法测定的技术难题，二是扩展了混凝土应变计的应用范围，三是指出了现行分析方法中关于温度荷载影响处理的错误之处，可使大量已有观测成果得到正确分析，因此具有重要的理论意义和使用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及结构分析方法，特别涉及一种基于混凝土应变计观测数据的温度应力分 析方法。

背景技术

温度应力是一项重要的结构荷载，有时甚至成为导致混凝土结构物开裂破坏的关键 因素。绝大多数混凝土建筑物都处在温度交替变化的自然环境中，温度应力的影响是无 法避免的。虽然关于温度应力的研究文献很多，但目前尚无专用测量仪器和设备可以用 来测定温度应力，只能采用理论计算方法确定结构中的温度应力，由于混凝土的非完全 线性和徐变特性，理论计算的温度应力还需乘以一个变化范围很大(0.2～1)的系数。因 此，如此得到的温度应力实际上是一个参考值而非真值。

通过混凝土应变计等观测仪器来监测结构的应力状态，一直是研究复杂结构工作性 态和检验计算结果正确性的重要手段，也是大型重要工程在线监测预警预报的主要方法。 但基于混凝土应变计观测数据的温度应力解析方法至今未能得到解决，使大量观测数据 得不到合理分析，因而观测仪器不能发挥其应有的在线监测预警预报作用。

混凝土应变计是科学研究和建筑工程中常用的一种观测仪器，其基本工作原理是混 凝土结构或构件产生变形时，埋设在其中的混凝土应变计会产生相应的变化，根据应变 计输出信号的应变变化，间接推算出混凝土结构的应力变化。混凝土应变计输出信号的 应变变化是一个综合值，其中除了外力作用引起的应变外，还包括温度变化、湿度变化、 混凝土自生体积变形和混凝土徐变等引起的应变变化。在观测资料分析中，如何从总应 变变化中分离出上述各影响因素的单独作用，对保证分析结果的正确性是至关重要的。

温度应力的特殊性在于温度荷载作用下的应力应变关系并不是严格地满足虎克定律 σ＝Eε，而是与结构的约束状态有关。在混凝土结构观测资料分析中，目前普遍采用的方 法是在混凝土应变计相近位置埋设一支无应力计，认为无应力计因温度变化、湿度变化 和混凝土自生体积变形引起的应变变化与混凝土应变计相同，再通过试验确定混凝土的 徐变变化，这样就可以根据混凝土应变计与无应力计应变变化之差来确定混凝土中应力 的数值。实际上，这种做法存在以下两个问题：一是结构物处于约束状态时，温度变化、 湿度变化和混凝土自生体积变形引起的应变变化同样会导致结构物的应力变化；二是混 凝土应变计因温度变化引起的应变读数变化随着结构物所处约束状态的不同而改变。在 相同温度变化下，无应力计和混凝土应变计由于约束条件不同，所给出的应变变化量也 不相同。因此，目前普遍采用的上述做法并不能给出混凝土结构物的真实应力状态。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于混凝土应变计观测数据的 温度应力分析方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于混凝土应 变计观测数据的温度应力分析方法，采用振弦式混凝土应变计测定混凝土结构中温度应 力σ_T和温度应变ε_c；假定混凝土的静弹性模量为E_c，线膨胀系数为α，混凝土应变计钢 弦的线膨胀系数为β，混凝土试件处于单轴受力状态且只受温度变化作用，温度变化为ΔT， 混凝土应变计的初始读数为S₀，当前读数为S_T，应变计实测应变变化为ε，ε＝S_T-S₀；

定义三种约束状态：

(1)自由状态：试件处于无约束状态，在温度荷载作用下，试件轴向方向可以自 由变形；

(2)固定约束状态：试件轴向两端受到固定约束，在温度荷载作用下，试件轴向 方向的变形为零，其它两个方向可以自由变形；

(3)弹性约束状态：试件轴向两端受到约束，在温度荷载作用下，试件轴向方向 产生一定变形，其它两个方向可以自由变形；

若令混凝土的温度应变为ε_c，约束应变为ε_r，自由状态的理论应变为αΔT，应变计 实测应变变化为ε，温度应力为σ_T，它们之间存在如下理论关系：

$\left(\begin{array}{c}{\sigma }_T=E_c{ϵ}_r\\ ϵ={ϵ}_c-\mathrm{\beta \Delta T}\\ {ϵ}_r={ϵ}_c-\mathrm{\alpha \Delta T}\end{array}\right)---\left(1\right)$

当结构处于自由状态，当温度变化ΔT时，有：

ε_c＝αΔT

ε_r＝0

ε＝(β-α)ΔT；

σ_T＝0

当结构处于弹性约束状态，当温度变化ΔT时，有：

ε_c＝ε+βΔT，

ε＝ε_c-βΔT，

σ_T＝E_c[ε+(β-α)ΔT]

当结构处于固端约束状态，当温度变化ΔT时，有：

ε_c＝0

ε_r＝-αΔT

ε＝-βΔT，

σ_T＝-E_cαΔT

式(1)就是本发明提出的根据混凝土应变计观测资料分析混凝土温度应力和温度变 形的计算公式。它是一个具有普遍意义的通用公式，可直接用于分析不同约束状态下混 凝土结构的温度应力和温度变形。

本发明具有的优点和积极效果是：在理论分析的基础上，提出基于混凝土应变计观 测数据的温度应力分析方法和理论公式，可根据应变计的实测数据确定出混凝土结构中 产生的温度应力和温度变形。解决了目前混凝土温度应力无法测定的技术难题，同时也 使混凝土应变计的应用范围得到扩展，使振弦式混凝土应变计成为一种可用于测定混凝 土结构中温度应力的测试仪器，使其能够真正发挥在线监测和预警预报的作用。利用本 发明提出的方法，可以根据目前工程中普遍应用的混凝土应变计的观测数据，直接确定 出混凝土结构中温度应力的大小和真实应力水平。并且本发明提供的方法概念明确，理 论公式形式简单。

综上所述，本发明的科学意义主要体现在三个方面，一是解决了长期存在的混凝土 温度应力无法测定的技术难题，二是扩展了混凝土应变计的应用范围，三是指出了现行 分析方法中关于温度荷载影响处理的错误之处，可使大量已有观测成果得到正确分析， 因此具有重要的理论意义和使用价值。