CN104034453B - 基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法，将各应变计均布在桥面应力释放环外侧，用来测量其应变，用钻机在桥面上分步切割应力释放环，每步钻环完成后，静置一段时间，用静态应变采集仪采集各应变计的应变数据，直至每个分步钻环结束；按公式计算单计单步的原位存量应力，计算得到4个应变计在各分步钻环下检测到的原位存量应力后，再按公式计算得到的原位存量应力的平均值即为最终检测值。与现有技术相比，本方法检测到的混凝土桥梁单轴原位存量应力识别精度高，操作简单可行。

Description

基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法

技术领域

本发明涉及一种应力检测方法，尤其是涉及一种基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法，属于混凝土桥梁检测领域。

背景技术

桥梁混凝土结构服役年限长，在预应力损失、车辆荷载和环境效应的综合影响下，实际受力状态复杂，难以准确计算，真实的原位应力数据对桥梁状态与可靠度评估均有重要意义。

目前，国内外已有学者研究过类似方法。Trautner和McGinnis等结合在混凝土表面分步钻环与数字图像相关技术，对混凝土梁的原位存量应力进行了检测。但该方法测量对象为环附近位移场，其量级极小，实际应用难度较大。此外，整套检测设备造价较高，难以广泛应用。Parivallal等采用了单步钻环，并在环附近混凝土表面粘贴应变计的方法。但该方法一次钻环仅能得到一个有效识别结果，识别精度难以保证。李新凯等采用外径为100mm的释放环，在试验室条件下对混凝土板进行了加载与不加载两种工况的钻入试验，得到的应变时程曲线表明混凝土残余应力的存在，但并没有提出有效的定量识别方法。杨勇与王柏生等还对平行槽式释放区域进行了研究，结果表现出良好的精度，但是释放区域较大结构损伤代价较高，且切割过程扰动不易控制，实际操作难度较大。

因此，需要提供一种对混凝土结构操作较小、费用低廉、方便快捷的检测方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法，适用于既有的以单轴受力为主的桥梁混凝土构件。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法，包括以下步骤：

(1)将4个应变计均匀布置在混凝土桥梁表面应力释放环外侧，应变计的长轴均沿单轴受力方向，其中两个应变计沿应力释放环轴向方向对称设置在应力释放环两侧，用来测量应力释放环轴向释放的应变，另外两个应变计沿应力释放环切向方向对称设置在应力释放环两侧，用来测量应力释放环切向释放的应变；

(2)利用钻机在混凝土桥梁表面分步切割应力释放环，应力释放环的外径为30毫米至50毫米，第一步钻环深度为15毫米，接着以5毫米为步长逐步垂直向下钻应力释放环；

(3)每一步钻环完成后，静置一段时间，然后采用静态应变采集仪采集应变计的应变数据，直至整个应力释放环每个分步钻环结束；

(4)对每个应变计针对每一个分步钻环深度下检测到的应变结果，按照公式计算得到单计单步检测的原位存量应力，式中，σ_ij表示单计单步检测的原位存量应力，j表示各个应变计的编号，i表示对应力释放环钻入分步的编号，ε_ij为应变计编号j在第i钻入分步深度下检测得到的释放应变，k_ij为对应变计编号j在第i钻入分步深度下的轴向标定系数或切向标定系数，E为弹性模量；

(5)按照公式通过对4个应变计在各分步钻环下得到的独立检测值进行平均处理，计算得到原位存量应力最终检测值σ，式中N为实际操作中对应力释放环的钻入步数，N为整数，其取值范围为2至8。

当混凝土桥梁实际条件受到限制时，应力释放环最少分步钻环步数不少于2步，最小钻入深度不小于20毫米；每个钻入分步结束后，应收回钻头，使钻机停钻，等应变数据采集结束后，再继续下一个分步，应力释放环最大钻入深度为50毫米。

整个应力释放环钻入过程中，伴随水冷却；钻机的钻头钻入方向必须保持与混凝土桥梁表面垂直，呈90°夹角，实际操作中最大累积偏差角度不能超过5°。

与现有技术相比，本发明具有以下特点及优势：

1、根据实际检测中采用的释放环尺寸(外径、壁厚、深度、分步)，可以通过程序计算得到对应的标定系数k_ij，具有较强的针对性。

2、借助分步钻环、标定系数k_ij以及特定的应变计配置方式，一个释放环即可以到多个独立检测结果(根据分步步数不同，共有8-64个独立检测结果)，大大增加了检测数据的样本，有效提高了检测精度。

3、本检测方法过程清晰明了，设备成熟可靠，操作简单可行。

本方法适用性说明：

1、本方法适用于桥梁混凝土结构应力分布基本均匀的区域，而对于结构局部形状有突变、开裂、植筋或螺栓孔等区域不适用。

2、本发明的方法除了可以在桥梁混凝土结构上使用以外，还可以使用于建筑、隧道等的部分具有单轴受力特点的混凝土结构。

附图说明

图1为4个变应计布置在混凝土桥梁表面应力释放环外侧的配置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

参见图1，图1中6为单轴应力场方向，D和d分别为应力释放环5外径和内径，t为其壁厚。

一种基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法，

(1)将4个应变计均匀布置在混凝土桥梁表面应力释放环5外侧附近释放应变最为集中的四个对称区域，其长轴均沿单轴受力方向，其中应变计1和应变计2用来测量应力释放环5轴向释放的应变，应变计3和应变计4用来测量应力释放环5切向释放的应变；

(2)利用钻机在混凝土桥梁表面分步切割外径为30毫米至50毫米范围的应力释放环5，第一步钻环深度为15毫米，接着以5毫米为步长逐步垂直向下钻应力释放环5；

(3)每一步钻环完成后，需静置一段时间，然后采用静态应变采集仪采集应变计的应变数据，直至整个应力释放环5每个分步钻环结束；

(4)对每个应变计针对每一个分步钻环深度下检测到的应变结果，按照公式计算得到单计单步检测的原位存量应力，式中，σ_ij表示单计单步检测的原位存量应力，j表示各个应变计的编号，i表示对应力释放环钻入分步的编号，ε_ij为应变计编号j在第i钻入分步深度下检测得到的释放应变，k_ij为对应变计编号j在第i钻入分步深度下的轴向标定系数或切向标定系数，E为弹性模量；

(5)按照公式通过对4个应变计在各分步钻环下得到的独立检测值进行平均处理，计算得到原位存量应力最终检测值σ，式中N为实际操作中对应力释放环的钻入步数，N为整数，其取值范围为2至8。

对应力释放环5的分步钻入应注意如下条件：

(1)当混凝土桥梁实际条件受到限制时，应力释放环5最少分步钻环步数不应少于2步，最小钻入深度不应小于20毫米；钻头每个钻入分步结束后，应收回钻头，使钻机停钻，须等应变数据采集结束后，再继续下一个分步，应力释放环5最大钻入深度为50毫米。

(2)整个应力释放环5钻入过程中，应伴随水冷却；钻机的钻头钻入方向必须保持与混凝土桥梁表面垂直，即呈90°夹角，实际操作中最大累积偏差角度不能超过5°。

本方法的使用区域应根据不同混凝土构件选择识别区域，应为应力均匀过渡区域，应避开几何形状突变区域以及钢筋重合的区域；识别区域的长、宽、深三个方向的尺寸应分别不小于所使用的钻头外径的10倍、10倍和5倍；当在同一混凝土构件上存在多个识别区域时，各区域不应重合。

本方法所需设备的要求为：

(1)用于在混凝土桥梁表面进行分步钻环的钻机，根据混凝土的级配和识别精度要求，钻机的钻头尺寸可选择在30毫米至50毫米的范围内。

(2)钻头钻入时，用于对混凝土桥梁局部区域进行水冷的水冷设备其出水流量应稳定可靠。

(3)按照固定配置方式沿应力释放环外侧对称布置的应变计用于测量在分步钻环过程中的应变变化，其尺寸可以钻头尺寸和混凝土级配进行选择。

(4)静态应变采集仪在单次识别时至少需要4个应变采集通道，根据实际情况确定温度补偿通道，但至少需要1个。

(5)需要有用于与静态应变采集仪连接采集应变数据的计算机，进行数据计算。

在本方法计算原位存量应力的公式中的轴向标定系数或切向标定系数k_ij需要根据释放区域的尺寸(即应力释放环的外径、壁厚和深度)通过本方法专门开发的软件进行标定，因此，应按以下方法来确定名义钻入深度、名义应力释放环5外径D、名义应力释放环5壁厚t来确定与其对应的标定系数，再按以下方法测得每个应变计的名义释放应变，即可求得一个单独的原位存量应力。

上述数据的采集按如下进行：

对于应力释放环5的每一个钻入分步结束后，在圆形的应力释放环5上选择均匀的4个点分别测量该次钻入深度，并取其平均值作为该分步的名义钻入深度。

对应力释放环5的每一个钻入分步结束后，静置60秒，然后以20秒间隙连续采集3次释放应变，并取三次平均值作为该分步每个应变计的名义释放应变。

最后一个钻入分步结束后，选择均匀的4组点分别测量应力释放环5的外径D，并取其平均值作为该次识别的名义应力释放环5外径D。

最后一个钻入分步结束后，选择均匀的4个点分别测量应力释放环5壁厚t，并取平均值作为该次识别的名义应力释放环5的壁厚t。

一个单独的原位存量应力识别结果需要由一组与名义钻入深度对应的标定系数和该分步每个应变计的名义释放应变按以下公式确定：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}=E{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}{k}_{\mathrm{ij}}^{-1}$

式中：

i为钻入分步编号；j为应变计编号。

当i＝1时，表示第1个钻入分步，i为4个应变计的编号，各参数如下表说明：

取第3步以后(包含第3步)的所有应变计的识别结果进行平均，最终的原位应力识别结果6可由下式得到

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{4N}\underset{i=3}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}$

其中：N为实际操作中钻入步数，取值范围为2至8的整数。

当采用外径为50毫米应力释放环，敏感栅长度为30毫米的应变计，最大钻入深为30毫米至50毫米时，识别精度误差约为10-15％。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将4个应变计均匀布置在混凝土桥梁表面应力释放环外侧，应变计的长轴均沿单轴受力方向，测量应力释放环轴向释放的应变及切向释放的应变；

(2)利用钻机在混凝土桥梁表面分步切割应力释放环，第一步钻环深度为15毫米，接着以5毫米为步长逐步垂直向下钻应力释放环；

(3)每一步钻环完成后，静置一段时间，然后采用静态应变采集仪采集应变计的应变数据，直至整个应力释放环每个分步钻环结束；

(4)对每个应变计针对每一个分步钻环深度下检测到的应变结果，按照公式计算得到单计单步检测的原位存量应力，式中，σ_ij表示单计单步检测的原位存量应力，j表示各个应变计的编号，i表示对应力释放环钻入分步的编号，ε_ij为应变计编号j在第i钻入分步深度下检测得到的释放应变，k_ij为对应变计编号j在第i钻入分步深度下的轴向标定系数或切向标定系数，E为弹性模量；

(5)按照公式通过对4个应变计在各分步钻环下得到的独立检测值进行平均处理，计算得到原位存量应力最终检测值σ，式中N为实际操作中对应力释放环的钻入步数，N为整数，其取值范围为2至8。

2.根据权利要求1所述的一种基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法，其特征在于，其中两个应变计沿应力释放环轴向方向对称设置在应力释放环两侧，用来测量应力释放环轴向释放的应变，另外两个应变计沿应力释放环切向方向对称设置在应力释放环两侧，用来测量应力释放环切向释放的应变。

3.根据权利要求1所述的一种基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法，其特征在于，所述的应力释放环的外径为30毫米至50毫米。

4.根据权利要求1所述的一种基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法，其特征在于，当混凝土桥梁实际条件受到限制时，应力释放环最少分步钻环步数不少于2步，最小钻入深度不小于20毫米；每个钻入分步结束后，应收回钻头，使钻机停钻，等应变数据采集结束后，再继续下一个分步，应力释放环最大钻入深度为50毫米。

5.根据权利要求1所述的一种基于分步钻环的混凝土桥梁单轴原位存量应力检测方法，其特征在于，整个应力释放环钻入过程中，伴随水冷却；钻机的钻头钻入方向保持与混凝土桥梁表面垂直，呈90°夹角，实际操作中最大累积偏差角度不超过5°。