CN102175354B - 利用附着钢片测量钢支撑轴力的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种利用附着钢片测量钢支撑轴力的测试方法，包括以下步骤：(1)设计一标准钢片，标定所述标准钢片的最优张紧状态频率f以及标准计算系数k′；(2)根据上述标定结果选取所需的附着钢片，在钢支撑安装使用之前，处于无应力的状态下将所述选取的附着钢片安装在钢支撑上，并将该附着钢片调整至所述最优张紧状态，记录所述最优张紧状态下所述附着钢片的计算系数k；(3)钢支撑使用过程中承受轴向压力，测试所述附着钢片在该状态下的频率值记为f_i，根据轴力公式F＝EAk(f_a ²-f_i ²)，计算得到钢支撑的轴力F，其中E为钢支撑弹性模量，A为钢支撑截面面积。

Description

利用附着钢片测量钢支撑轴力的测试方法

技术领域

本发明涉及一种建筑工程技术领域的测试方法及装置，尤其是指一种利用附着钢片测量钢支撑轴力的测试方法及装置。 

背景技术

在深基坑施工中，围护结构加内支撑系统是一种常用的支护形式，支撑系统作用于围护结构上，承受施工过程中的水土压力，是保证基坑稳定的重要结构，因此，在基坑开挖过程中对支撑的受力状态做出全面、准确的测量，必要时发出风险预警是非常重要的。 

经文献检索发现，徐伟、吕凤梧著《支撑结构设计与施工》，收录于刘建航、侯学渊主编《基坑工程手册》第17章，中国建筑工业出版社1997年4月第1版，ISBN7-112-03068-4，该文献中将支撑按材料分为钢管支撑、型钢支撑、钢筋混凝土支撑和钢/钢筋混凝土组合支撑等种类，其中钢支撑具有材料可重复使用，安装方便，作用迅速等优势，广泛应用于地铁、隧道和其他类型的深基坑工程中。钢支撑的设计一般将其简化为单跨或多跨压杆，按其极限压弯承载力计算。 

关于支撑系统的监测方法和安全性评估方法，在南京水利科学研究院和常州金土木工程仪器有限公司编制的《岩土工程安全监测手册》（中国水利水电出版社2008年3月第2版，ISBN 978-7-5084-5311-8）中有较为全面的描述，在该书第五章第六节《支撑轴力测试》中，作者指出一般用轴力计和表面应变计可以测量钢支撑的轴力。二者之间的差异在于，在测量过程中，轴力计所受的压力与钢支撑相等，而表面应变计则为应变与钢支撑相等。亦有文献表明，可以采用钢筋计取代表面应变计，但此方法尚未普及成熟。 

在实际工程中,目前常用的方法存在下列缺陷:（1）轴力计须安装在钢支撑端部，所测量的轴力值虽较为准确，但压力加速度计截面积远小于钢支撑，容易造围护结构和支撑局部受压失稳，是支撑体系的薄弱节点，影响基坑安全，而且此方法无法测出支撑轴力的偏心距；（2）在钢支撑表面安装应变计或钢筋计，与安装轴力计相比，避免了截面削弱和失稳问题。但应变计和 钢筋计都是复杂脆弱的传感器，长期暴露在基坑内很容易损害。更重要的是，上述两种方法必须每一测点放置一个价值不菲的传感器，监测成本很高，无法实现每根支撑都设置测点，不能保证全面监控所有钢支撑轴力，从而造成监控盲点，导致安全隐患。 

经对现有技术文献检索发现，中国专利申请号200720071364.4，发明名称：钢支撑轴力计支座，该专利自述为：一种基坑施工使用的钢支撑轴力计支座，用于建筑工程构件领域。本实用新型包括由支座面板、支座筒体、轴力计、圆法兰、中心十字肋板、轴力计支撑座构成的轴力计支座结构与由面板、筒体及环形止水钢板组成的外部钢套筒；中心十字肋板焊接在支座筒体内部；轴力计支撑座焊接在中心十字肋板所切割位置处；钢套筒与基坑内衬、基坑槽壁组成固定连接；轴力计支座置于钢套筒内部，可与固定钢支撑通过螺栓连接。本支座采用装配式代替焊接式，安装速度快，确保安装质量，且不受气候影响；测力系统在不稳定情况下与基坑的接触面增大，保证支撑体系的稳定性，确保了基坑工程安全；施工结束后，钢支撑轴力计支座可全部回收，有效地节省了材料。该发明改进了压力盒式轴力测量方式，避免了截面削弱，但是是没有从根本上改进测试方法，只是局部改良,依旧有成本造价不菲，不能全面应用于每根钢支撑的问题。 

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种利用附着钢片测量钢支撑轴力的测试方法，包括以下步骤： 

(1).设计一标准钢片，标定所述标准钢片的最优张紧状态频率f_a以及标准计算系数k′； 

(2).根据上述标定结果选取所需的附着钢片，在钢支撑安装使用之前，处于无应力的状态下将所述选取的附着钢片安装在钢支撑上，并将该附着钢片调整至所述最优张紧状态，记录所述最优张紧状态下所述附着钢片的计算系数k； 

(3).钢支撑使用过程中承受轴向压力，测试所述附着钢片在该状态下的频率值记为f_i，根据轴力公式F=EAk(f_a ²-f_i ²)，计算得到钢支撑的轴力F，其中E为钢支撑弹性模量，A为钢支撑截面面积。 

通过上述方法，在钢支撑上安装附着钢片，在钢支撑使用过程中，由于附着钢片与钢支撑协同变形产生应变，从而导致附着钢片频率的改变，通过 测试附着钢片的频率，根据轴力计算公式即可得到钢支撑的轴力。 

本发明的进一步改进在于，所述附着钢片的长度与厚度之比不小于300。 

本发明的进一步改进还在于，标定所述标准钢片步骤中进一步包括： 

a.在实验室内用型钢模拟钢支撑，将所述标准钢片安装到所述型钢上，对所述标准钢片施加一张紧拉力，激振所述标准钢片，通过一传感器与一数据采集设备确定所述张紧状态下所述标准钢片对应的频率； 

b.保持张紧拉力不变，对所述型钢施加不同的轴心压力，同时激振所述标准钢片，通过所述传感器与所述数据采集设备确定在所述张紧状态下所述型钢受到不同轴心压力时，所述标准钢片对应的一组频率f_b值； 

c.改变所述标准钢片的张紧拉力，重复上述两个步骤a、b，得到复数组不同张紧状态下所述标准钢片对应的频率f_b值； 

d.由回归分析得到所述标准钢片应变与频率间的关系式：ε＝k'f_b ²-c，其中ε为所述标准钢片应变，由施加于所述型钢上的压力除以其截面积得到，f_b为所述标准钢片频率，c为所述标准钢片常数，k′为所述标准钢片计算系数，根据上述各组频率f_b值，计算得到复数组不同张紧状态下所述标准钢片的计算系数k′值； 

e.选择k′值稳定性最好的组数，以该组k′值对应的张紧状态作为最优张紧状态，并以该最优张紧状态下所述标准钢片对应的频率f_b作为最优张紧状态频率f_a。 

本发明的进一步改进还在于，选取所需的附着钢片的步骤中进一步包括： 

将选取的附着钢片调至最优张紧状态频率f_a，根据公式ε=kf_a ²-c计算出计算系数k，如果k与k′相差不超过±5%，则选取该附着钢片。 

本发明的进一步改进还在于，激振时所用的激振锤与所述附着钢片的接触面积控制在1～2mm²。 

本发明的进一步改进还在于，所述钢支撑不同位置可以安装多个附着钢片，根据各个附着钢片的应变改变量Δε=k(f_a ²-f_i ²)差异，由材料力学公式计算出所述钢支撑轴力的偏心距。 

本发明还提供了一种利用附着钢片测量钢支撑轴力的附着钢片装置，包括：两安装台，所述安装台固接于所述钢支撑上；一附着钢片，所述附着钢片张紧连接于所述两安装台之间。 

本发明的进一步改进还在于，所述安装台包括：一基座，所述基座内侧通过一锚固件连接所述附着钢片的端部，且所述锚固件通过一螺杆以可轴向移动的方式连接于所述基座内侧。 

本发明的进一步改进还在于，所述锚固件容置孔背面的侧壁中部设有一凹槽，该凹槽的两侧壁上分别设有一连接孔；所述附着钢片的表面沿长度方向的两端分别设有一钻孔，所述附着钢片通过一穿过所述连接孔与钻孔的中间连接件固接于所述两锚固件凹槽之间。 

本发明的特点是：（1）附着钢片成本低廉，可在每根钢支撑进行普遍安装，从而满足测量所有钢支撑轴力的要求；（2）附着钢片装置结构简单，安装方便，且不会造成截面削弱，适合在基坑内长期监测；（3）测试方法操作简单，有较好的工程实用性。 

附图说明

图1为本发明利用附着钢片测量钢支撑轴力的附着钢片装置的部分剖面结构示意图。 

图2为本发明利用附着钢片测量钢支撑轴力的附着钢片装置安装台的部分剖面放大示意图。 

图3为本发明利用附着钢片测量钢支撑轴力的附着钢片装置附着钢片的部分剖面放大示意图。 

图4为本发明利用附着钢片测量钢支撑轴力的测试方法的流程图。 

图5为本发明利用附着钢片测量钢支撑轴力的测试方法及装置的一种实施例的测量轴力值与实际加载轴力值的对比曲线图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。 

参见图1所示，本发明利用附着钢片测量钢支撑轴力的测试方法使用到一附着钢片装置1，其包括两个由基座10、连接件（在附图中所示为螺杆20，其亦可以是其他形式的杆状连接件）、锚固件30和两螺母40组成的安装台2以及附着钢片50和两中间连接件（在附图中所示为栓钉60，其亦可以是其他形式的杆状连接件），其中： 

如图2所示，基座10的侧壁中部设有一孔101，该孔101的内壁一周设有内螺纹，螺杆20螺合于该孔101中，基座10还进一步设有一底座102。 

锚固件30的侧壁中部设有一凹槽301，该凹槽301的两侧壁上分别设有一连接孔302，在锚固件30凹槽301背面的侧壁上进一步设有一容置孔303，该容置孔303的内壁一周设有内螺纹，螺杆20进一步螺合于该容置孔303中。螺母40分别从基座10的两侧螺合于螺杆20上，以固定螺杆20和锚固件30于基座10上，并可借此提供锚固件30的轴向移动。 

如图3所示，附着钢片50表面沿长度方向的两端分别设有一钻孔501，钻孔501沿附着钢片50中心对称分布，并且沿附着钢片50宽度方向居中设置，附着钢片50钻孔501连线中点的位置进一步设有一中间孔502。 

附着钢片装置1安装时，将两安装台2基座10的底座102沿钢支撑3的中心对称焊接于钢支撑3上，再将附着钢片50的两端在两安装台2锚固件30凹槽301的开口之间，按钻孔501与两锚固件30凹槽301两侧壁上连接孔302位置对齐的方式，分别通过一中间连接件（在附图中所示为栓钉60，其亦可以是其他形式的杆状连接件）穿过连接孔302与钻孔501，将附着钢片50固定于两安装台2之间，附着钢片50除与栓钉60接触外，与附着钢片装置1的其他部分均不接触。 

测试附着钢片50的频率时，在附着钢片50的中间孔502位置安装一传感器4，保证传感器4沿附着钢片50宽度方向对称，在传感器4外部连接一数据采集设备5，在数据采集设备5上读取频率值。 

参见图4所示，本发明利用附着钢片测量钢支撑轴力的测试方法包括以下步骤： 

S10设计一标准钢片，标定所述标准钢片的最优张紧状态频率f_a以及标准计算系数k′。 

（1）设计一标准钢片。按现场应用条件，设计标准钢片的几何尺寸、材质，标准钢片装置的基座结构、张紧装置、锁定方式以及与钢支撑的连接方法，一般要求标准钢片长度远大于宽度，宽度远大于厚度，材质宜采用与钢支撑热膨胀系数相同的钢或不锈钢，可不必进行温度补偿；基座要求刚度较大，与钢支撑采用焊接即可；张紧装置可采用如图1所示的附着钢片装置1，通过调节基座10外侧的螺母40来改变锚固件30相对基座10的轴向距离从而改变张紧拉力的大小。传感计4选择可拆卸的常用振弦式或压电式的动力测试加速度传感计，质量不宜过大，一般控制在100g以内；数据采集设备5选择数模转换器、波形分析软件，数模转换器、波形分析软件均可采用常规设备、软件，要求频率测量精度不低于1Hz。根据型式设计加工一套 标准钢片及标准钢片附着钢片装置。 

（2）标准钢片的标定。在实验室内用型钢模拟钢支撑，将标准钢片及上述标准钢片装置按设计要求的使用状态与型钢连接，并在标准钢片上安装加速度传感计，保证加速度传感计沿标准钢片宽度方向对称，再在加速度传感计外部连接数模转换器与波形分析软件。标准钢片具体的标定步骤如下： 

第一步，通过调节张紧装置，对标准钢片施加一张紧拉力，采用常规测力手段可随时测量该张紧拉力的大小：激振标准钢片，敲击时，激振锤与标准钢片接触的点应沿附着钢片的宽度方向居中，接触面积约1～2mm²，测量并记录下标准钢片对应的频率f₁₀（一阶主振频率）。在不改变标准钢片张紧拉力的情况下，用常规加力方式对型钢施加一轴心压力，使之逐步达到钢支撑工作阶段相近的应变，采用常规测力手段可随时测量该轴心压力的大小：激振标准钢片，测量并记录下标准钢片对应的频率f₁₁。继续保持标准钢片的张紧拉力不变，对型钢施加不同的轴心压力，从而获得一组该张紧状态下，对型钢施加不同的轴心压力时，该标准钢片的频率f₁₂、f₁₃、f₁₄……f_1n。 

第二步，改变标准钢片的张紧拉力，重复第一步的步骤，测量并记录下标准钢片在不同的张紧拉力作用下，复数组相应的频率值。 

第三步，根据回归分析得到标准钢片应变与标准钢片频率间的关系式：ε＝k'f_b ²-c，其中ε为标准钢片应变，可由施加于型钢上的压力除以其截面积得到，f_b为标准钢片频率，c为常数只与标准钢片的几何尺寸、材质有关，k′为标准钢片计算系数。根据第一步与第二步所测得的数据，计算得到标准钢片在不同的张紧拉力作用下，复数组相应的标准钢片计算系数k′。 

第四步，比较第三步中得到的复数组标准钢片计算系数k′，找出其中k′值变化幅度最小（即为最稳定）的一组数据，将该张紧状态定为最优张紧状态，并将此最优张紧状态下的标准钢片频率f_b定为标准钢片的最优张紧状态频率f_a。 

S20根据上述标定结果选取所需的附着钢片，在钢支撑安装使用之前，处于无应力的状态下将所述选取的附着钢片安装在钢支撑上，并将该附着钢片调整至所述最优张紧状态，记录所述最优张紧状态下所述附着钢片的计算系数k。 

（1）根据标准钢片的标定结果，标准化加工一批附着钢片，对每一根标准化加工的附着钢片进行与标准钢片同样的标定测试，但仅进行最优张紧状态的测试，如果所测试的附着钢片的计算系数k与标定时所确定的标准钢 片计算系数k′值相近（一般相差不超过±5%），则该附着钢片检验合格，可以投入使用，将所有合格的附着钢片最优张紧状态下的计算系数k整理成一数据表。 

（2）在施工现场，钢支撑安装使用之前，处于无应力的状态下，按设计要求将检验合格的附着钢片通过附着钢片装置安装在钢支撑上，一根钢支撑不同位置可以安装多个附着钢片。然后在附着钢片上安装加速度传感计，保证加速度传感计沿附着钢片宽度方向对称，再在加速度传感计外部连接数模转换器与波形分析软件。逐渐调整张紧装置使附着钢片达到最优张紧状态，根据挑选钢片时整理得到的数据表找出该附着钢片的计算系数k。在确定附着钢片是否达到最优张紧状态时，根据附着钢片张紧拉力与频率之间的正比例关系，采用频率值来反映施加于附着钢片上的张紧拉力大小，在调整张紧装置的过程中，当数据采集设备上显示的频率值为最优张紧状态频率f_a，则此时附着钢片在该张紧拉力下达到最优张紧状态。 

S30钢支撑使用过程中承受轴向压力，测试所述附着钢片在该状态下的频率值记为f_i，根据轴力公式F=EAk(f_a ²-f_i ²)，计算得到钢支撑的轴力F，其中E为钢支撑弹性模量，A为钢支撑截面面积。 

钢支撑正常使用过程中，当需要测量轴力时，可随时在附着钢片上安装加速度传感计测量附着钢片的频率值f_i，由材料力学公式F＝EAΔε，可计算出钢支撑的轴力F，其中Δε＝k(f_a ²-f_i ²)，为附着钢片应变改变量，E为钢支撑弹性模量，A为钢支撑截面面积。根据同一根钢支撑不同位置的附着钢片测试结果，可以通过各个附着钢片的Δε差异，由材料力学公式计算出钢支撑轴力的偏心距。 

为验证本发明的测试方法及测试装置之可靠性，在上海市某地铁站基坑施工现场完成了现场试验，该实施例在以本发明的技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不仅限于该实施例。 

本实施例具体测试方法步骤如下： 

第一步，本实施例中，钢支撑3长度为14000mm，规格为Ф609×16mm，弹性模量E=206000MPa，截面面积A=29807mm²；附着钢片50采用304号不锈钢，全长320mm，两端钻孔501中心间距300mm，孔径为4.2mm，中间孔502依据传感器4固定所需，孔径为5.2mm；基座10上钻孔Ф=9mm，孔径中心距离钢支撑3顶面30mm，两基座10沿钢支撑3中心对称布置；锚固件30凹槽301厚度为3mm；螺杆20长100mm。附着钢片50激振时所 用的激振锤，质量为50g。 

第二步，在实验室内，由标定结果可得标准钢片的计算系数k′=0.0528×10^-6，最优张紧状态频率f_a=120Hz。对本实施例所用的附着钢片50进行最优张紧状态测试，得到计算系数k=0.0534×10^-6，与k′值相差不超过±5%，说明本实施例所用附着钢片50可用，根据轴力计算公式F=EAk(f_a ²-f_i ²)得出本实施例附着钢片50的轴力F=0.328(120²-f_i ²)（单位为kN）。 

第三步，在钢支撑3安装使用之前，处于无应力的状态下，将附着钢片装置1安装在钢支撑3上，调节基座10外侧的螺母40改变附着钢片50的张紧拉力直至附着钢片50达到最优张紧状态，再将基座10内侧的螺母40拧紧，以固定螺杆20和锚固件30于基座10上。 

第四步，模拟钢支撑3正常使用状态下，用经过标定的千斤顶分别对钢支撑3加载50t、100t、150t和200t的轴心压力，测量相应的附着钢片50的频率并记为f₁、f₂、f₃和f₄，根据本实施例附着钢片50的轴力F＝0.328(120²-f_i ²)可计算得到本实施例的钢支撑3在各级加载压力下的测量轴力值，绘制本实施例的钢支撑3测量轴力值和实际加载轴力值的对比曲线图如图5所示，其中，曲线6为实际加载轴力值的曲线，曲线7为测量轴力值的曲线，可以看出测量轴力值与实际加载轴力值十分接近，说明本发明是成功的。 

本发明所采用的装置除传感器与数据采集设备外，均取材于常用材料，成本非常低廉，不易损毁，一般可多次使用，而传感器与数据采集设备只需一套，可重复使用。因此本发明成本低，且标准化后还可以进一步降低成本，十分适合大规模钢支撑轴力测量使用，解决了之前测量方法在实际应用中所存在的问题。 

Claims (5)

1.一种利用附着钢片测量钢支撑轴力的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1).设计一标准钢片，标定所述标准钢片的最优张紧状态频率f_a以及标准计算系数k′，步骤包括：

a.在实验室内用型钢模拟钢支撑，将所述标准钢片安装到所述型钢上，对所述标准钢片施加一张紧拉力，激振所述标准钢片，通过一传感器与一数据采集设备确定所述张紧状态下所述标准钢片对应的频率；

b.保持张紧拉力不变，对所述型钢施加不同的轴心压力，同时激振所述标准钢片，通过所述传感器与所述数据采集设备确定在所述张紧状态下所述型钢受到不同轴心压力时，所述标准钢片对应的频率f_b值；

c.改变所述标准钢片的张紧拉力，重复上述两个步骤a、b，得到复数个不同张紧状态下,所述型钢受到不同轴心压力时，所述标准钢片对应的频率f_b值；

d.由回归分析得到所述标准钢片应变与频率间的关系式：ε＝k'f_b ²-c，其中ε为所述标准钢片应变，由施加于所述型钢上的压力除以其截面积得到，f_b为所述标准钢片频率，c为所述标准钢片常数，k′为所述标准钢片计算系数，根据步骤c中各组频率f_b值，计算得到复数组不同张紧状态下所述标准钢片的计算系数k′值；

e.选择k′值稳定性最好的组数，以该组k′值对应的张紧状态作为最优张紧状态，并以该最优张紧状态下所述标准钢片对应的频率f_b作为最优张紧状态频率f_a；

(2).根据上述标定结果选取所需的附着钢片，在钢支撑安装使用之前，处于无应力的状态下，将所述选取的附着钢片安装在钢支撑上，并将该附着钢片调整至所述最优张紧状态，记录所述最优张紧状态下所述附着钢片的计算系数k；

(3).钢支撑使用过程中承受轴向压力，测试所述附着钢片在该状态下的频率值记为f_i，根据轴力公式F=EAk(f_a ²-f_i ²)，计算得到钢支撑的轴力F，其中E为钢支撑弹性模量，A为钢支撑截面面积。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附着钢片的长度与厚度之比不小于300。 

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选取所需的附着钢片的步骤中进一步包括：

将选取的附着钢片调至最优张紧状态频率f_a，根据公式ε=kf_a ²-c计算出计算系数k，如果k与k′相差不超过±5%，则选取该附着钢片。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，激振时所用的激振锤与所述附着钢片的接触面积控制在1～2mm²。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢支撑不同位置可以安装多个附着钢片，根据各个附着钢片的应变改变量Δε＝k(f_a ²-f_i ²)差异，由材料力学公式计算出所述钢支撑轴力的偏心距。 

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