CN105043624A - 确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法，通过测量钢片几何参数和物理参数，可以直接根据给出公式计算出频率与拉力间系数k。与已有的试验法相比，在不同钢片尺寸或者集中质量条件下，无需针对每种工况进行试验，仅需根据钢片几何尺寸和集中质量值，可快速利用公式计算出该系数k，具有如下优势：(1)快捷、低成本，避免了试验室复杂的操作以及试验引起的各种误差；(2)对于不同尺寸钢片或者受拉钢片，甚至在采用不同质量的传感器时，均可方便应用，具有较好的应用性。

Description

确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法

技术领域

本发明涉及市政设施技术领域的受拉钢片系数测试方法，尤其涉及一种确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法。

背景技术

钢支撑是基坑工程中广泛使用的支护构件，处于工作状态的钢支撑受压轴力是基坑工程人员尤为关注的监测变量，传统测量钢支撑轴力的装置主要有两种：表面应变计和压力盒。前者安装在钢支撑表面，但成本较高，实际在基坑工程中安装率不足10％，不能全面了解钢支撑的工作状况；后者与钢支撑串联安装，测量精度高，但截面小，容易成为钢支撑的薄弱面，不利于钢支撑的稳定性。

本申请人经过检索，发现已授权的发明专利针对这一情况，公开了一种利用附着钢片测量钢支撑轴力的测试方法及装置(申请号CN201010611421.X)，所述测试方法及装置，结构简单，成本低廉，且精度满足现场要求，操作简单，为全面了解钢支撑轴力提供了新途径。

在该发明专利中，先将装置中的钢片施加预拉力，再将该专利装置沿钢支撑受压方向焊接在钢支撑表面，根据钢片和钢支撑的变形同步性，通过测量钢片的频率改变计算钢片应变(拉力)变化，从而计算得到钢支撑的轴力。钢支撑轴力与钢片频率计算关系式如下：

F＝EAk(f₀ ²-f²)(1)

其中，F—钢支撑轴力，k—钢片拉力与频率间的系数，E—钢支撑材料弹性模量，f₀—钢片初始安装频率(亦即钢支撑轴力为零时钢片频率)，f—钢支撑轴力为F时钢片频率。

钢支撑轴力计算公式(1)中，系数k反映的是钢片拉力(应变)与钢片频率间的关系，系数k受钢片尺寸及传感器质量的影响，是该套装置的核心参数。

在该发明专利中，钢支撑轴力计算公式(1)中的系数k是通过试验测得的：首先选定钢片(320×12×0.8mm)，将频率测量传感器安装在钢片中部，同时将应变片贴在钢片表面以测量钢片的拉力，测量不同拉力下钢片的频率，最后回归得到钢片拉力与频率之间系数k的值。

然而如上述发明专利中采用试验法测定系数k有诸多不足之处：其一，为了测量钢片拉力，须在钢片上粘贴应变片，应变片及其连接导线均会对钢片振动形成干扰，使所测得钢片频率不准确；其二，频率与拉力的关系系数与集中质量密切相关，即使质量相差不足1克的传感器，也会导致系数k较大的差异，降低测量精度，因此一旦试验时所采用传感器损害，更换新的传感器之后，必须对重新通过室内试验测定系数k，十分不方便；其三，测定系数k的试验要求较高，需要在特定的试验室内才可以进行，且试验容易受到气温、人为操作等外部因素影响。

由上可知，采用试验法获得系数k除了不方便，所得系数的准确性也容易受到外在因素影响，需进一步加以改进。

因此，本申请人致力于开发一种确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法，实现无需试验即可得到跨中有集中质量受拉钢片拉力和频率间系数k。

发明内容

有鉴于现有技术的上述不足，本发明提出了一种确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法，实现无需试验即可得到跨中有集中质量受拉钢片拉力和频率间系数k。

为实现上述目的，本发明提供了一种确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法，所述钢片的跨中位置上设置有一用于采集钢片频率的传感器，所述钢片的两端设置有用于供外部机构施加张紧拉力的连接点。

本实施例的所述确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数k包括以下步骤：

第一步，测量钢片几何参数和物理参数；所述几何参数包括：钢片的长度l、宽度b及厚度t，其中所述长度l为所述钢片两端连接点的中心间距；所述物理参数包括：钢片材料的弹性模量E及密度ρ，钢片跨中处的质量m₀。

第二步，根据下列公式计算确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数k：

$k=\frac{4({\mathrm{\ρ}}^2{\mathrm{btl}}^2+4{\mathrm{\ρlm}}_0)l}{E(10(\frac{\mathrm{\ρ}btl}{2}+m_0)-\sqrt{100{(\frac{\mathrm{\ρ}btl}{2}+m_0)}^2-9({\mathrm{\ρ}}^2{b}^2{t}^2{l}^2+4{\mathrm{\ρbtlm}}_0)})}$

将第一步得到的钢片几何参数和物理参数相应代入上述公式，即可得到系数k。

较佳的，所述弹性模量可取为E＝1.97×10¹¹N/m²，所述密度可取为ρ＝7930kg/m³。

较佳的，所述钢片跨中处的质量m₀取为所述传感器的质量。

较佳的，所述钢片长度l的测量精度不低于0.1mm；所述宽度b及厚度t的测量精度不低于0.01mm；所述钢片跨中处的质量m₀的测量精度不低于0.1g。

本发明的确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法通过测量钢片几何参数和物理参数，可以直接根据给出公式计算出频率与拉力间系数k。与已有的试验法相比，在不同钢片尺寸或者集中质量条件下，无需针对每种工况进行试验，仅需根据钢片几何尺寸和集中质量值，可快速利用公式计算出该系数k，具有如下优势：(1)快捷、低成本，避免了试验室复杂的操作以及试验引起的各种误差；(2)对于不同尺寸钢片或者受拉钢片，甚至在采用不同质量的传感器时，均可方便应用，具有较好的应用性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为具体实施例的钢片结构平面示意图。

图2为具体实施例的钢片结构侧面示意图。

图3为具体实施例跨中有集中质量受拉钢片的结构示意图。

具体实施方式

本实施例提出了一种确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法，如图3所示，本实施例的钢片1的跨中位置上设置有一用于采集钢片频率的传感器2，所述钢片的两端设置有用于供外部机构施加张紧拉力T的连接点。

本实施例的所述确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数k，包括以下步骤：

第一步，测量钢片1几何参数和物理参数；结合图1和图2所示，所述几何参数包括：钢片1的长度l、宽度b及厚度t，其中所述长度l为钢片1两端连接点的中心间距；所述物理参数包括：钢片材料的弹性模量E及密度ρ，钢片跨中处的质量m₀。

第二步，根据下列公式计算确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数k：

$k=\frac{4({\mathrm{\ρ}}^2{\mathrm{btl}}^2+4{\mathrm{\ρlm}}_0)l}{E(10(\frac{\mathrm{\ρ}btl}{2}+m_0)-\sqrt{100{(\frac{\mathrm{\ρ}btl}{2}+m_0)}^2-9({\mathrm{\ρ}}^2{b}^2{t}^2{l}^2+4{\mathrm{\ρbtlm}}_0)})}---\left(2\right)$

将第一步得到的钢片1几何参数和物理参数相应代入上述公式(2)，即可得到系数k。

具体的，本实施例的所述钢弹性模量取为E＝1.97×10¹⁰N/m²，所述密度取为ρ＝7930kg/m³。

所述钢片跨中处的质量m₀取为传感器2的质量。

钢片1长度l的测量精度不低于0.1mm。所述宽度b及厚度t的测量精度不低于0.01mm；所述钢片跨中处的质量m₀的测量精度不低于0.1g。

示例性的，为验证本实施例的方法之可靠性，以按照中国第201010611421.X号发明专利的授权公告文本中的钢片为例进行本实施例的方法确定系统k的值。

技术人员通过阅读中国第201010611421.X号发明专利的授权公告文本，可以获知钢片的参数长度l＝300mm,宽度b＝l2mm,厚度t＝0.8mm，传感器的质量m₀＝30.1g；由授权公告文本中描述的试验法得出的系数k’＝0.0534×10^-6。中国第201010611421.X号发明专利的公布文本以及授权公告文本所涉及的内容，可以为本实施例所参考使用，为避免重复，本处不再赘述。

结合附图1-3所示，而本实施例的确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法具体步骤如下：

第一步，测量钢片1几何参数和物理参数。

这里钢片1长度l＝0.3m,宽度b＝0.012m,厚度t＝0.0008m，传感器2的质量m₀＝0.0301Kg。所述弹性模量取为E＝1.97×10¹¹N/m²，所述密度取为ρ＝7930kg/m³。

第二步，将第一步测得的钢片1的长度l＝0.3m、宽度b＝0.012m、厚度t＝0.0008m，选用不锈钢材料的弹性模量E＝1.97×10¹¹N/m²和密度ρ＝7930kg/m³以及传感器的质量m₀＝0.0301Kg代入计算公式(2)：

$\begin{array}{c}k=\frac{4({\mathrm{\ρ}}^2{\mathrm{btl}}^2+4{\mathrm{\ρlm}}_0)l}{E(10(\frac{\mathrm{\ρ}btl}{2}+m_0)-\sqrt{100{(\frac{\mathrm{\ρ}btl}{2}+m_0)}^2-9({\mathrm{\ρ}}^2{b}^2{t}^2{l}^2+4{\mathrm{\ρbtlm}}_0)})}\\ =\frac{4\left({7930}^2\×0.012\×0.0008\×{0.3}^2+4\×7930\×0.3\×0.0301\right)\×0.3}{1.97\×{10}^{11}\left(0.4152-\sqrt{{4.152}^2-9\left({7930}^2\×{0.012}^2\×{0.0008}^2\×{0.3}^2+4\×7930\×0.012\×0.0008\×0.3\×0.0301\right)}\right)}\\ =0.0558\×{10}^{-6}\end{array}$

计算所得系数k如下表1所示，表1同时列出了系数k和系数k’。

由表1可知，本文公式计算值与试验值的误差在5％范围内，具有较好的精度，说明本文公式法所计算得到的系数k是合理的和可靠的。

表1试验法与本方法计算得到系数k值对比表

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法，所述钢片的跨中位置上设置有一用于采集钢片频率的传感器，所述钢片的两端设置有用于供外部机构施加张紧拉力的连接点；其特征在于，所述确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数k包括以下步骤：

第一步，测量钢片几何参数和物理参数；所述几何参数包括：钢片的长度l、宽度b及厚度t，其中所述长度l为所述钢片两端连接点的中心间距；所述物理参数包括：钢片材料的弹性模量E及密度ρ，钢片跨中处的质量m₀；

第二步，根据下列公式计算确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数k：

$k=\frac{4({\mathrm{\ρ}}^2{\mathrm{btl}}^2+4{\mathrm{\ρlm}}_0)l}{E(10(\frac{\mathrm{\ρ}btl}{2}+m_0)-\sqrt{100{(\frac{\mathrm{\ρ}btl}{2}+m_0)}^2-9({\mathrm{\ρ}}^2{b}^2{t}^2{l}^2+4{\mathrm{\ρbtlm}}_0)})}$

将第一步得到的钢片几何参数和物理参数相应代入上述公式，即可得到系数k。

2.如权利要求1所述的确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法，其特征在于：所述弹性模量可取为E＝1.97×10¹¹N/m²，所述密度可取为ρ＝7930kg/m³。

3.如权利要求1所述的确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法，其特征在于：所述钢片跨中处的质量m₀取为所述传感器的质量。

4.如权利要求1至3任一项所述的确定跨中有集中质量受拉钢片拉力与频率间系数的方法，其特征在于：所述钢片长度l的测量精度不低于0.1mm；所述宽度b及厚度t的测量精度不低于0.01mm；所述钢片跨中处的质量m₀的测量精度不低于0.1g。