一种结构裂缝控制测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种结构裂缝控制测量装置及测量方法，装置由两个内部均布设振弦应变计的第一钢管和第二钢管组成；第一钢管和第二钢管内壁上贴合布置弹性内衬；两个振弦式应变计分别与其各自所在的第一钢管和第二钢管同轴布置；第一钢管和第二钢管的开口方向指向混凝土主应力；振弦式应变计的信号线缆引出浇筑实体结构外部；浇筑实体结构混凝土，确保第一钢管和第二钢管内的混凝土填充饱满；监控测量期间的两个振弦式应变计的数据实时收集、分析与开裂控制。本发明提供的装置结构简单、成本低，真正实现结构内部的应力测量，且测量过程更易于实施，加强了开裂测量数据的可信度，降低了误差范围，对温度应力等引起的开裂可以实现很好地防控。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程测量与控制技术领域，更具体的说是涉及一种结构裂缝控制测量装置，及应用该装置的结构裂缝控制测量方法。

背景技术

大体积混凝土几何尺寸大，内部水化热传递途径长、不易散发，尤其是核电站等使用的又是高强度混凝土，水泥用量大，内部水化热高，混凝土施工裂缝时有发生，严重影响结构的安全与正常使用。大体积混凝土的施工裂缝控制是国内外土木建造行业寻求解决的共同技术难题，也制约着重大混凝土工程(如核电站)的安全发展。

大体积混凝土施工，温度应力是一种重要的结构荷载作用，是结构开裂破坏的关键因素之一。虽然关于温度应力的研究文献很多，但目前尚缺温度应力有效的测量装置与方法，更多的采用理论计算的方法来确定温度应力可控条件下的养护技术条件，进而利用施工过程温控的等措施以实现对施工裂缝的控制；或者使用应变的测量方法，试图区分出制约裂缝开展的约束应变这种间接的控制方法。

目前大体积混凝土结构施工裂缝控制主要有如下几种方法：

方法1：现有专利“201510956216.X一种确定大体积混凝土结构施工养护方法的方法”，本方法的核心思想通过严谨的有限元建模与实体工程的初始条件及设定的技术条件进行混凝土结构的温度场与温度应力场的理论分析，将结构温度应力与对应龄期混凝土的允许抗拉强度对比，根据比对结果调整优化和最终确定结构施工的具体养护方式及对应的技术指标作为初始养护技术条件，并根据温度及温度应变监测实施实体工程施工养护措施的调整。此方法优势明显，对于确定混凝土养护初始技术指标及养护监控指标具有很好的实用价值与指导意义，但是影响混凝土开裂的直接因素温度应力或约束应力测量未予明示。

方法2：现有专利“ZL201510342273.9一种混凝土绝对应力的测量装置及方法”及“ZL201510342272.4一种既有混凝土结构绝对应力的测试方法”，使用超声波探头，通过预埋式或者取芯后并装配式相结合测量混凝土结构内部绝对应力；这种方式同样可以用在大体积混凝土施工中用于混凝土绝对应力的测量。此方法存在的问题是，由于混凝土并非是一种匀质性能好的材料，特别是混凝土施工可能造成内部缺陷存在，将严重影响测试数据的准确性。更进一步，采用超声波探头测量，本身设备成本较高，取芯对混凝土结构也有一定损伤，工程应用价值有待考量。

方法3：结构内部布置应变计或者表面布置应变计或应变片进行测量。由于结构应变非常复杂，特别是大体积混凝土施工，温度应变是主导，应变计测得的测量应变需要经过温度修正，对于大体积混凝土施工，修正后获得温度应变与温度应力不完全遵循胡克定律，真正影响结构的开裂的因素约束变形或温度应力很难有效获取。

方法4：其它控制方法，如跳仓法、降低混凝土水化热、温控监测等等。这些均是一种定性的方法或措施，无法量化实现开裂所对应的温度应力的测量与控制。

因此，如何将影响混凝土开裂直接原因的约束应变及温度应力予以实现准确测量，从而达到对结构开裂的控制，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种结构裂缝控制测量装置及其控制测量方法，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种结构裂缝控制测量装置，包括第一钢管和第二钢管；所述第一钢管一端开口，另一端封闭；所述第二钢管两端均开口；所述第一钢管与所述第二钢管置于待测混凝土结构中；所述第一钢管和所述第二钢管的内壁均贴合布置有弹性内衬；所述第一钢管与所述第二钢管内部均布置有振弦式应变计；两个所述振弦式应变计分别与其各自所在的所述第一钢管和所述第二钢管同轴布置；所述第一钢管与所述第二钢管的内腔灌注混凝土，且一体埋置于所述待测混凝土结构内部；所述振弦式应变计的信号线缆引出所述待测混凝土结构的外部。

通过上述技术方案，本发明提供的装置结构简单、成本低，测量过程更易于实施，加强了开裂测量数据的可信度，降低了误差范围，对温度应力引起的开裂可以实现很好的防控。

优选的，在上述一种结构裂缝控制测量装置中，所述振弦式应变计通过多根定位绳悬空拉紧在所述第一钢管/所述第二钢管内部；所述定位绳一端与所述振弦式应变计绑定，另一端穿出所述第一钢管/所述第二钢管的外侧壁后收紧。通过采用定位绳拉紧固定，可以保证在浇筑过程中始终保持振弦式应变计与第一钢管/第二钢管同轴布置，提高测量的精确度。

优选的，在上述一种结构裂缝控制测量装置中，所述第一钢管与所述第二钢管平行布置，且外侧壁贴合。

优选的，在上述一种结构裂缝控制测量装置中，所述第一钢管与所述第二钢管的外侧壁焊接固定。

优选的，在上述一种结构裂缝控制测量装置中，所述弹性内衬为泡沫塑料材质，且厚度为10毫米。弹性内衬能够保证其与钢管壁和底部贴紧，保证混凝土浇筑时混凝土流动不会拉脱衬里。

优选的，在上述一种结构裂缝控制测量装置中，所述弹性内衬与所述第一钢管/所述第二钢管的内壁粘贴固定。事先使用胶粘接衬里于管壁管底，确保成型后的钢管内部混凝土成柱状一体，并紧握裹应变计，能自然适应混凝土自由膨胀收缩变化而变化的特点。

优选的，在上述一种结构裂缝控制测量装置中，所述第一钢管与所述第二钢管的内径均为150毫米，长度均为300毫米。能够满足装置的尺寸需求。

优选的，在上述一种结构裂缝控制测量装置中，所述第一钢管与所述第二钢管的材质为Q235碳钢。能够满足材质的需求。

本发明还提供了一种结构裂缝控制测量方法，包括以下步骤：

S1、将上述结构裂缝控制测量装置置于测量处；使得第一钢管和第二钢管的开口方向指向混凝土主应力方向；

S2、浇筑实体结构混凝土，确保第一钢管和第二钢管内的混凝土填充饱满；

S3、监控测量期间的两个振弦式应变计的数据实时收集、分析与开裂控制。

具体的，步骤S3中具体包括以下步骤：

a、根据第一钢管内的振弦应变计测量出混凝土在无应力状态下的自由膨胀收缩应变的第一测量值；

b、根据第二钢管内的振弦应变计测量出混凝土结构在沿第二钢管方向的应变的第二测量值；

c、计算第二测量值和第一测量值之间的差值；

d、将差值与对应龄期的混凝土弹性模量相乘，得到待测混凝土结构的温度应力；

e、将实测的温度应力与混凝土材料的极限承载能力相比较，从而对引起混凝土开裂进行控制。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种结构裂缝控制测量装置及测量方法，具有以下有益效果：

1、本发明提供的装置结构简单、成本低，真正实现结构内部的应力测量，且测量过程更易于实施，加强了开裂测量数据的可信度，降低了误差范围，对温度应力引起的开裂可以实现很好的防控。

2、本装置除可以用于大体积混凝土施工过程中温度应力的测量与开裂的防控，也可以用于新建或在役实体结构工程绝对应力的准确测量。比如钢筋混凝土梁式桥等等，在梁的受拉部位顺拉方向设置监测装置，可以极大提高测量的准确度，通过高效的温度修正，减小环境温度的不确定性影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的结构裂缝控制测量装置的示意图。

其中：

1-第一钢管；

2-第二钢管；

3-弹性内衬；

4-振弦式应变计；

5-定位绳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例公开了一种结构裂缝控制测量装置，包括第一钢管1和第二钢管2；第一钢管1一端开口，另一端封闭；第二钢管2两端均开口；第一钢管1与第二钢管2置于待测混凝土结构中；第一钢管1和第二钢管2的内壁均贴合布置有弹性内衬3；第一钢管1与第二钢管2内部均布置有振弦式应变计4；两个振弦式应变计4分别与其各自所在的第一钢管1和第二钢管2同轴布置；第一钢管1与第二钢管2的内腔灌注混凝土，且一体埋置于待测混凝土结构内部；振弦式应变计4的信号线缆引出待测混凝土结构的外部。

为了进一步优化上述技术方案，振弦式应变计4通过多根定位绳5悬空拉紧在第一钢管1/第二钢管2内部；定位绳5一端与振弦式应变计4绑定，另一端穿出第一钢管1/第二钢管2的外侧壁后收紧。

为了进一步优化上述技术方案，第一钢管1与第二钢管2平行布置，且的外侧壁贴合。

为了进一步优化上述技术方案，第一钢管1与第二钢管2的外侧壁焊接固定。

为了进一步优化上述技术方案，弹性内衬3为泡沫塑料材质，且厚度为10毫米。

为了进一步优化上述技术方案，弹性内衬3与第一钢管1/第二钢管2的内壁粘贴固定。

为了进一步优化上述技术方案，第一钢管1与第二钢管2的内径均为150毫米，长度均为300毫米。

为了进一步优化上述技术方案，第一钢管1与第二钢管2的材质为Q235碳钢。

上述的结构裂缝控制测量装置的制作方法，包括以下步骤：

S1、在第一钢管1和第二钢管2内壁上贴合布置弹性内衬3；

S2、将两个振弦式应变计4分别放入第一钢管1和第二钢管2内部，并分别与其各自所在的第一钢管1和第二钢管2同轴布置，且保持相对位置不变；将振弦式应变计4的线缆引出浇筑实体结构外部。

本发明提供的结构裂缝控制测量方法包括以下步骤：

S1、将上述的结构裂缝控制测量装置置于测量处；使得第一钢管1和第二钢管2的开口方向指向混凝土主应力方向；

S2、浇筑实体结构混凝土，确保第一钢管1和第二钢管2内的混凝土填充饱满；

S3、监控测量期间的两个振弦式应变计4的数据实时收集、分析与开裂控制。

具体的，步骤S3中包括以下步骤：

a、根据第一钢管1内的振弦应变计4测量出混凝土结构在无应力状态下的自由膨胀收缩应变的第一测量值；

b、根据第二钢管2内的振弦应变计4测量出混凝土结构在沿第二钢管2方向的应变的第二测量值；

c、计算第二测量值和第一测量值之间的差值；

d、将差值与对应龄期的混凝土弹性模量相乘，得到待测混凝土结构的温度应力；

e、将实测的温度应力与混凝土材料的极限承载能力相比较，从而对引起混凝土开裂进行控制。

本实施例的工作原理为：

假如振弦式应变计实测应变ε、混凝土温度应变ε

ε＝ε

假如混凝土约束应变ε

ε

假如混凝土温度应力σ

σ

对于第一钢管，柱状混凝土自由膨胀收缩，ε

ε

α

以往很多学者，都是通过实验室的混凝土试验来确定混凝土的热膨胀收缩系数，而实体工程缺乏实测量，直接用理论数据或实验室数据近似处理。本发明无需测量混凝土自由膨胀收缩系数α

即：对于第二钢管，有了自由变形α

ε

再结合，

σ

[σ]为混凝土材料的极限承载能力；λ为混凝土开裂的应力安全系数。

这就得出了第二钢管混凝土的约束应变与温度应力，也即是结构测点处的温度应力，更优的如果装置布置在结构主应力方向，测的就是主温度应力。在实际应用中，需要测量哪个方向的应力，就将装置沿该方向布置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。