CN106771102A - 混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统和测量方法，该系统包括金属块传感器、温度补偿块、温度传感器、温度加热箱及应变测试仪；金属块传感器与温度传感器埋设于待测混凝土之中，温度补偿块放置于温度加热箱之中并位于待测混凝土之外；金属块传感器包括金属块状的测试块，该测试块上粘贴有至少三个相互垂直的应变片；温度补偿块包括金属块状的补偿块，该补偿块上粘贴有一个温度应变片；所述各应变片与温度应变片以1/4桥接方式接入到应变测试仪上；该测试块与补偿块的泊松比和线膨胀系数与混凝土相近；该温度传感器连接温度加热箱。本发明可以解决混凝土早龄期混凝土内部温度变化和不同的钢筋配筋率对混凝土内应力的影响，测试精度较高。

Description

混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统和测量方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤指一种混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统和测量方法。

背景技术

混凝土结构中混凝土早龄期的力学性能指标发展非常迅速，混凝土由塑性状态转化为固态，虽然混凝土结构此时没有承担设计的荷载，但是混凝土早龄期的开裂问题经常困扰混凝工程的质量。混凝土早龄期时的非荷载应力包括温度应力和收缩应力，这两种应力的发展是混凝土早期开裂的主要原因。由于混凝土的徐变性能在早龄期时很难准确确定，因此不能通过测定混凝土早龄期的变形来确定混凝土的内应力，一般混凝土结构中混凝土所处的温度环境与外界不同和钢筋的约束等，很难通过理论计算方法准确得到混凝土的内应力，现有的有限元方法计算出来的混凝土内早龄期的内应力数值也缺乏实验测定的数据来证实。

现有的需要监测混凝土内部应力状况的工程，例如大坝、高层建筑等大型混凝土结构，监测混凝土结构早龄期内部应力的变化可为结构的安全稳定评估提供数据。目前最常用的办法是将传感器埋设在混凝土中，由传感器在应力作用下的输出来获取相应的应力值。然而传感器匹配情况还与埋入时传感器结合程度、混凝土含水率、环境温度等相关，且理论解析中的部分参数需要具体实验中测得，从而增加匹配误差计算的难度。石振明等人应用了一种振弦式应力计测量混凝土的应力，但其测量值与实际值比较偏小。光纤传感器作为一种新型传感器开始应用于混凝土内部应变的测量，但需解决准确定位埋设和防护的难题，同时没有解决混凝土早龄期徐变对内应力确定的干扰。

相对于温度补偿，黎小毛等人研究的《混凝土内应力测量的应变砖传感器设计与应用》中，在传感器中设置了温度和干扰补偿片，可以对温度和干扰误差进行补偿。CN201110436857.4公开了一种“不同温度和湿度环境条件下早龄期混凝土抗裂性能的测试装置及测量方法”，该专利申请中也设置有温度补偿片。然而，上述技术中，温度补偿片均是埋设在混凝土中，除了温度干扰以外，不可避免的还存在应力等其他干扰，因此补偿误差较大。

此外，现有技术不能解决不同的钢筋配筋率对混凝土内应力的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于测定混凝土早龄期时非荷载作用下内应力大小的方法及测量系统，解决定量分析混凝土早龄期时内应力时混凝土徐变的影响，直接确定出混凝土早龄期的内应力，减少混凝土的早龄期开裂。本测定的方法可以解决混凝土早龄期混凝土内部温度变化和不同的钢筋配筋率对混凝土内应力的影响，测试精度较高。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统，包括金属块传感器、温度补偿块、温度传感器、温度加热箱以及应变测试仪；所述的金属块传感器与温度传感器埋设于待测混凝土之中，所述的温度补偿块放置于温度加热箱之中并位于待测混凝土之外；所述的金属块传感器包括金属制成的块状测试块，该测试块上粘贴有至少三个相互垂直的应变片；所述的温度补偿块包括金属制成的块状补偿块，该补偿块上粘贴有一个温度应变片；所述各应变片与温度应变片以1/4桥接方式接入到所述的应变测试仪上；所述的测试块与所述的补偿块的材质的泊松比和线膨胀系数与混凝土相近；所述的温度传感器连接温度加热箱。

优选地，所述的测试块或者所述的补偿块为立方体或者长方体。

优选地，所述的测试块和所述的补偿块均为立方体，且两者尺寸不大于尺寸20mm×20mm×20mm。

优选地，所述测试块或者所述补偿块的材料采用45号优质碳素结构钢。

优选地，所述金属块传感器上的三个相互垂直的应变片分别设置在所述测试块的三个相互垂直的面上。

优选地，所述测试块的其中三个相互垂直的面上各设置有两个相互垂直的应变片，共6个应变片。

优选地，所述测试块的六个面上各设置有两个相互垂直的应变片，共12个应变片。

优选地，所述的补偿块与所述的测试块形状与材质相同。

优选地，所述金属块传感器的各应变片选用金属基应变片，其采用耐水胶进行粘贴，并在应变片表面用硅胶防水密封。

应用上述测量系统对混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量方法，包括如下步骤：

(1)将所述的金属块传感器与温度传感器固定到待测混凝土中；

(2)将所述的温度补偿块放置在温度加温箱内；

(3)将各应变片以1/4桥接方式连接至所述的应变测试仪上，将温度传感器与温度加温箱连接；

(4)浇注混凝土使所述的金属块传感器与温度传感器埋设在待测混凝土之中；

(5)所述的温度传感器实时监测混凝土内的温度，并控制温度加热箱的温度与测量温度相同，从而使所述温度补偿块所处的环境温度与待测点相同；

(6)所述各应变片共用一个温度应变片，应变测试仪所测量的三个应变值即为混凝土内部测量点三个方向的应变，且已经过温度补偿；

(7)计算内应力：

先对各方向的应变数值计算平均值，之后应用如下公式计算测量点三个方向的主内应力σ_x,σ_y,σ_z，

式中：ε_x,ε_y,ε_z为应变测试仪所测量的待测点的三个方向的平均应变；E为测试块材料的弹性模量；μ为测试块材料的泊松比。

采用上述方案后，本发明具有如下有益效果：

1.本发明设计制作了一种埋入式金属块传感器，该金属块传感器的测试块材质的泊松比和线膨胀系数与混凝土相近，因此该测试块的形变与混凝土相当，根据牛顿第三定律作用力与反作用力大小相等，直接测定出金属块传感器所受到的作用力，就能够反应出混凝土三维内应力的大小和变化规律，且测量结果直接与所放置的测试点有关，即使设置有不同的钢筋配筋率，也可以较真实的反应测试点的内应力，测试精度更高。

2.本发明设置了一个温度应变片，且置于待测混凝土外部的温度补偿金属块上；混凝土内部的温度由于处于混凝土中的位置不同，表面的热量散失不同，采用同步埋入温度传感器，实现实时测点的温度，同时采用温度加热箱，使温度补偿块所处的环境温度与混凝土内部待测点的温度环境一致；这样温度应变片的形变即可反应温度对内应力的影响，从而有效消除温度对应变测量的影响。

3.本发明所制作的温度补偿块由于是设置在待测混凝土之外的，不受混凝土内其他因素的影响，因此可以实现完全的温度补偿，使所测定的内应力再为精准。

附图说明

图1是本发明所述测量系统的结构示意图；

图2是本发明所述金属块传感器的结构示意图；

图3是本发明所述温度补偿块的结构示意图；

图4是本发明所述测试电桥原理图；

图5是本发明所述测试原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

本发明所揭示的是一种混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统，如图1所示，为本发明的较佳实施例。所述的测量系统包括金属块传感器1、温度补偿块2、温度传感器3、温度加热箱4以及应变测试仪5。其中：

所述的金属块传感器1(如图2所示)包括金属制成的立方体测试块11，测试块11的尺寸越小测量越准确，但是尺寸过小不利于设置应变片，也不方便使用；最佳的，该测试块11的不大于尺寸20mm×20mm×20mm，其表面平整，表面粗糙度无要求；另外，该测试块11的材料可以采用45号优质碳素结构钢，该材料的泊松比和线膨胀系数与混凝土相近，也可以采用其他与混凝土的泊松比和线膨胀系数相近的材料。该测试块11上至少粘贴有三个应变片12，三个应变片12的方向相互垂直，用以测试x、y、z三个方向的应力；该三个应变片12可以分别设置在测试块11的三个相互垂直的面上。本实施例中，在测试块11其中三个相互垂直的面上各设置有两个相互垂直的应变片12，共6个应变片12，因此每个方向的应变片有两个。也可以在测试块的六个面上各设置两个相互垂直排列的应变片，共设置12个应变片，这样每个方向有四个应变片，测量结果取平均值以增加测量精度。所述的应变片12可以选用高精度的金属基应变片，采用耐水胶进行粘贴，并在应变片表面用硅胶防水密封。该金属块传感器1在使用时埋设在待测混凝土6中。

所述的温度补偿块2(如图3所示)包括金属制成的立方体补偿块21以及一个粘贴在该补偿块21上的温度应变片22。该补偿块21的材料或尺寸可以与所述的测试块11相同。该温度补偿块2放置在所述的温度加热箱4内，而温度加热箱4位于待测混凝土6之外。

所述的温度传感器3可以采用铂电阻式温度传感器，其使用时埋设在待测混凝土6内，位于所述金属块传感器1的旁边，用以测量混凝土内的温度，根据该温度控制所述的温度加热箱4，使所述温度传感器3所处的温度与混凝土内部相同，实现温度影响的补偿。

所述的应变测试仪5与所述金属块传感器1的各应变片12及温度补偿块2的温度应变片22相连，并利用1/4桥接入应变片(如图4、5所示)，即6个应变片12接入R1，一个温度应变片22接入R2。

本发明还揭示了一种混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量方法，包括如下步骤：

(1)将金属块传感器1与温度传感器3固定到待测混凝土6中，可以通过应变片12与温度传感器3的导线固定，也可以将两者固定在混凝土内钢筋上。

(2)将温度补偿块2放置在温度加温箱4内。

(3)将各应变片12、22以1/4桥接方式连接至所述的应变测试仪5上，将温度传感器3与温度加温箱4连接。

(4)浇注混凝土使所述的金属块传感器1与温度传感器3埋设在混凝土之中。

(5)温度传感器3实时监测混凝土内的温度，并控制温度加热箱5的温度与测量温度相同，从而使温度补偿块2所处的环境温度与待测点相同。

(6)6个应变片12共用一个温度应变片22，应变测试仪5所测量的三个应变值即为混凝土内部测量点三个方向的应变，且经过温度补偿。

具体的应变计算方法为：

如图4所示，当时，U_BD＝0

当每个电阻一个变化，则

当R₁＝R₂，R₃＝R₄时，

对于电阻式应变片其中K为应变片常数，ε为应变片的应变数值，所以有：

其中ε₁-ε₂即为经过温度补偿的一个应变片11的应变值。

(7)计算内应力：

如图5所示的测试，由于1/4桥测量时，桥臂系数是1，应变测试仪5实测的应变与应变片的应变是一致的，且测试结果中已经包括温度补偿，因此可以直接利用测试所得的应变进行计算内应力。

根据应变测试仪5测定的应变数值，由于设置有6个应变片，每个方向有两个应变的数值，计算平均值之后，再计算混凝土中的待测位置的应力。

式中：ε_x,ε_y,ε_z为应变测试仪所测量的待测点的三个方向的应变(已取平均值)；σ_x,σ_y,σ_z为待测点的三个方向的主内应力；E为45号钢材(即测试块材料)的弹性模量，值为209GPa；μ为45号钢材的泊松比，值为0.269，求解出：

在钢筋混凝土中，由于钢筋等约束条件的限制，实际相同位置处的可能σ_x≠σ_y≠σ_z，因此，可以通过测定ε_x,ε_y,ε_z，来计算出待测点三个方向的主应力。

当未配钢筋的混凝土，其内部的同一位置可以认为不同的方向的约束是一样，因此这是三个方向的主应力是相同的，这时

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (10)

1.一种混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统，其特征在于：包括金属块传感器(1)、温度补偿块(2)、温度传感器(3)、温度加热箱(4)以及应变测试仪(5)；所述的金属块传感器与温度传感器埋设于待测混凝土(6)之中，所述的温度补偿块放置于温度加热箱之中并位于待测混凝土之外；所述的金属块传感器(1)包括金属制成的块状测试块(11)，该测试块上粘贴有至少三个相互垂直的应变片(12)；所述的温度补偿块(2)包括金属制成的块状补偿块(21)，该补偿块上粘贴有一个温度应变片(22)；所述各应变片(12)与温度应变片(22)以1/4桥接方式接入到所述的应变测试仪(5)上；所述的测试块(11)与所述的补偿块(21)的材质的泊松比和线膨胀系数与混凝土相近；所述的温度传感器(3)连接温度加热箱(4)。

2.根据权利要求1所述的混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统，其特征在于：所述的测试块(11)或者所述的补偿块(21)为立方体或者长方体。

3.根据权利要求1所述的混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统，其特征在于：所述的测试块(11)和所述的补偿块(21)均为立方体，且两者尺寸不大于尺寸20mm×20mm×20mm。

4.根据权利要求1所述的混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统，其特征在于：所述测试块(11)或者所述补偿块(21)的材料采用45号优质碳素结构钢。

5.根据权利要求2或3所述的混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统，其特征在于：所述金属块传感器(1)上的三个相互垂直的应变片(12)分别设置在所述测试块(11)的三个相互垂直的面上。

6.根据权利要求2或3所述的混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统，其特征在于：所述测试块(11)的其中三个相互垂直的面上各设置有两个相互垂直的应变片(12)，共6个应变片。

7.根据权利要求2或3所述的混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统，其特征在于：所述测试块(11)的六个面上各设置有两个相互垂直的应变片(12)，共12个应变片。

8.根据权利要求1-4任一所述的混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统，其特征在于：所述的补偿块(21)与所述的测试块(11)形状与材质相同。

9.根据权利要求1-4任一所述的混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量系统，其特征在于：所述金属块传感器(1)的各应变片(12)选用金属基应变片，其采用耐水胶进行粘贴，并在应变片表面用硅胶防水密封。

10.应用权利要求1-9任一的测量系统对混凝土结构中混凝土非荷载内应力的测量方法，包括如下步骤：

(1)将所述的金属块传感器(1)与温度传感器(3)固定到待测混凝土(6)中；

(2)将所述的温度补偿块(2)放置在温度加温箱(4)内；

(3)将各应变片(12、22)以1/4桥接方式连接至所述的应变测试仪(5)上，将温度传感器(3)与温度加温箱(4)连接；

(4)浇注混凝土使所述的金属块传感器与温度传感器埋设在待测混凝土之中；

(5)所述的温度传感器实时监测混凝土内的温度，并控制温度加热箱的温度与测量温度相同，从而使所述温度补偿块(2)所处的环境温度与待测点相同；

(6)所述各应变片(12)共用一个温度应变片(22)，应变测试仪所测量的三个应变值即为混凝土内部测量点三个方向的应变，且已经过温度补偿；

(7)计算内应力：

先对各方向的应变数值计算平均值，之后应用如下公式计算测量点三个方向的主内应力σ_x,σ_y,σ_z，

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x(1-\mathrm{\μ})+\mathrm{\μ}({\mathrm{\ϵ}}_y+{\mathrm{\ϵ}}_z)}{(1-2\mathrm{\μ})(1+\mathrm{\μ})}E$

${\mathrm{\σ}}_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_y(1-\mathrm{\μ})+\mathrm{\μ}({\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\ϵ}}_z)}{(1-2\mathrm{\μ})(1+\mathrm{\μ})}E$

${\mathrm{\σ}}_z=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_z(1-\mathrm{\μ})+\mathrm{\μ}({\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\ϵ}}_y)}{(1-2\mathrm{\μ})(1+\mathrm{\μ})}E$

式中：ε_x,ε_y,ε_z为应变测试仪所测量的待测点的三个方向的平均应变；E为测试块材料的弹性模量；μ为测试块材料的泊松比。