CN108426764A - 一种基于频率变化率的混凝土弹性模量温变系数测试方法 - Google Patents

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谭国金
韩洋洋
吴春利
王�华
马桂荣
毕海鹏
程永春
孙洪超
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    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants

Abstract

本发明提供了一种基于频率变化率的混凝土弹性模量温变系数测试方法，采用了结构频率变化率和结构弹性模量变化率之间的关系，通过对不同温度下的梁的测试就可以精确地得出弹性模量的温变系数；无需对试件加载，混凝土悬臂梁的模态测试时间十分短，克服了原有测试方法测试费时费力，且温度损失较大的缺点。

Description

一种基于频率变化率的混凝土弹性模量温变系数测试方法
技术领域
本发明公开一种基于频率变化率的混凝土弹性模量温变系数测试方法，用于测试混凝土预制构件的弹性模量温变系数，属于建筑材料检测技术领域。
背景技术
弹性模量是混凝土材料特性的一项重要指标，是混凝土结构静力计算和动力特性分析中的一个十分重要的参数。不同温度作用下弹性模量的变化规律是人们一直关心的重要问题。例如，在基于动力参数的结构损伤识别和状态评估中，由于温度变化引起的结构模态特性的改变完全能掩盖结构损伤所带来的变化。大量研究结果研究表明，温度对弹性模量的改变则是导致混凝土结构模态特性改变(尤其是温度)的一个主要因素。因此，准确地测试出弹性模量的温变系数(或者弹性模量温度系数，或者弹性模量热系数)就显得十分重要和迫切。
当前，针对不同温度下混凝土弹性模量的测试主要是先对试件加热至预定温度，然后基于《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)中第8章中的静力受压弹性模量试验。用于该试验最广泛的测试装置是TM-2型混凝土弹性模量测定仪，然而在将该装置固定于试件上时不易控制且测试过程费时费力，这也一定程度上影响了测试精度。同时，在进行不同温度下试件的弹性模量测试时，需要尽量保证试件温度不发生变化。而通过前述方法中的弹性模量测试需要多次加载和卸载，这一测试过程往往需要持续数分钟才能完成，会使试件温度发生明显的变化。若在试件周围安装保温设备，也是不易操作的，因为需要在试件上安装位移传感器或者应变传感器以及对试件进行加载。因此，提出一种方便、快捷且测试精度高的混凝土弹性模量温变系数测试方法及其相应设备就显得十分必要和迫切。
发明内容
本发明提供了一种基于频率变化率的混凝土弹性模量温变系数测试方法，无需对试件加载，混凝土悬臂梁的模态测试时间十分短，克服了原有测试方法测试费时费力，且温度损失较大的缺点。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的基于频率变化率的混凝土弹性模量温变系数测试方法的步骤如下：
1)制作一个有固定装置的混凝土支座系统；；
2)依据实际结构的混凝土配合比，制作800mm×150mm×60mm的混凝土悬臂梁式样；养生满足《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081-2002)中规定的养生条件；
3)养生后，为了保证混凝土悬臂梁式样的湿度保持不变，用塑料薄膜进行包裹；
4)将混凝土悬臂梁式样放入温度为T1的烘箱中，温度保持1小时；
5)取出混凝土悬臂梁式样，立刻放置于步骤1)的支座系统上，进行模态测试，得到温度T1时的频率
6)调整烘箱的温度为T2，重复步骤4)和5)，得到温度T2时的频率
7)采用下式计算不同温度区间的悬臂梁混凝土弹性模量温变系数θE：
式中：
θE为弹性模量温变系数，T1为第一时刻温度，T2为第二时刻温度，为温度T1时的频率，为温度T2时的频率。
所述步骤7)中公式(1)的理论基础为：对于悬臂梁其基频f如下
式中：L为梁长，E为材料的弹性模量，I为横截面的二次距，m为线密度。
I和m可以分别表示为：
式中：b为横截面的宽度，h为横截面的宽度，M为梁的总质量；
将式(3)和(4)带入(2)式，则可得到频率变化率如下：
式中：δ(·)表示变分；
令混凝土的热膨胀系数为θt，弹性模量温变系数为θE；均假设混凝土在较小的温度区间上，弹性模量温变系数和热膨胀系数均线性变化；
可以得到：
将式(6)带入式(5)则可以得到：
由于混凝土材料的热膨胀系数θt为10-5/℃数量级，而弹性模量的温变系数θE为-10-3/℃数量级，θt远远小于θE，因此，式(7)变为：
通过式(8)即得混凝土温变系数的表达式(1)，即弹性模量温变系数θE表达式。
本发明所述的一种基于频率变化率的混凝土弹性模量温变系数测试设备，包括一个支座系统、加速度传感器、传给动态信号测试分析仪、电脑和力锤；
其中，支座系统上表面设有上下两个台阶；上面的台阶边缘设有一个凹槽；凹槽的底面铺垫有垫板，固定钢板通过螺栓固定在凹槽上；加速度传感器、传给动态信号测试分析仪、电脑通过连接线电连接。
将混凝土悬臂梁式样一端固定于支座系统的凹槽内并固定，另一端悬空于支座系统的下面台阶上；将加速度传感器置于测试点钢盘上，用力锤激励混凝土悬臂梁；加速度传感器将采集信号经连接线传给动态信号测试分析仪、电脑得到频率。
本发明的积极效果在于：
1、本发明基于频率变化率的混凝土弹性模量温变系数测试方法采用了结构频率变化率和结构弹性模量变化率之间的关系，通过对不同温度下的梁的测试就可以精确地得出弹性模量的温变系数；
2、该方法无需对试件加载，且混凝土悬臂梁的模态测试时间十分短，克服了原有测试方法测试费时费力，且温度损失较大的缺点；
3、由于对混凝土悬臂梁进行模态测试无需加载，使得结构可以重复多次利用，克服了原有测试方法需要制作多个试件的缺陷；
4、由于通过对同一个试件不同温度下的测试就能获得混凝土的温变系数，操作十分简单有效，其避免了常规试验方法测试结果离散；
5、混凝土悬臂梁的边界条件更容易实现，且混凝土悬臂梁的宽度较一般梁宽，可以较容易的激励出混凝土悬臂梁的弯曲模态，从而提高模态特性测试精度。
附图说明
图1为本发明所述的基于频率变化率的混凝土弹性模量温变系数测试设备；
图2为本发明所述的支座系统结构原理图；
图3为本发明所述的混凝土悬臂梁式样；
图中：1、凹槽；2、固定板；3、螺栓；4、垫板；5、护板；6、测试点钢盘；7、力锤；8、加速度传感器；9、连接线；10、动态信号测试分析仪；11、电脑；12、混凝土悬臂梁式样；13、混凝土支座系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
1、如图1、图2所示，支座系统13为的混凝土立方体墩，支座系统13上表面设有上下两个台阶；上面的台阶边缘设有一个凹槽1；凹槽1的底面铺垫有垫板4(0.5cm厚薄钢)，固定钢板2通过螺栓3固定在凹槽1上；
2、如图3所示，根据待测结构的弹性模量温变系数的配合比制成混凝土悬臂梁式样12(150mm*150mm*300mm)；混凝土悬臂梁式样12的一端上下各设有一块护板5(0.2cm厚薄钢板)，另一端贴一个测试点钢盘6(直径2cm)；依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081-2002)，对混凝土悬臂梁式样12进行养生；
3、养生完成后，使梁混凝土悬臂梁式样12表面干燥后将其表面覆盖一层塑料薄膜；
4、将混凝土悬臂梁式样12放入温度为20℃的温控箱中，恒温保持1h；
5、参照图1所示，将混凝土悬臂梁式样12取出，贴有测试点钢盘6为上表面；将设有护板5的一端放于支座系统13的凹槽1内，盖上固定钢板2通过螺栓3拧紧固定，置混凝土悬臂梁式样12悬空于支座系统13的下面台阶上；将加速度传感器8置于测试点钢盘6上，用力锤7敲击3次，每次敲击间隔5s；加速度传感器8将采集信号经连接线9传给动态信号测试分析仪10、电脑11得出频率为5.3645Hz；
6、将混凝土悬臂梁式样12取下，重新调节温控箱的温度为30℃，重复步骤4和5，得出频率为5.4497Hz；
7、即得到相邻温度区间下混凝土弹性模量的温变系数如下：
计算出θE为混凝土在温度20℃至30℃之间的弹性模量温变系数。
试验例
1、按相同混凝土配合比，分别制作混凝土抗压弹性模量标准试件(150mm*150mm*300mm)和本发明测试所需尺寸的试件(800mm*150mm*60mm)，依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081-2002)，对梁进行养生。
2、按规范《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)水泥混凝土棱柱体抗压弹性模量试验方法测试的混凝土温变系数数据如下：(试件尺寸150mm*150mm*300mm)
3、按本发明测试混凝土温变系数：(试件尺寸为本发明试件尺寸800mm*150mm*60mm)
温度/℃ 测试频率/Hz
20 5.3645
30 5.4497
温变系数 -3.176438x10-3/℃
4、误差分析
规范测试的温变系数 -3.1746032x10-3/℃
本发明测试的温变系数 -3.176438x10-3/℃
比值 100.0577873％
误差 0.05778731％
结论：利用本发明测试的混凝土弹性模量温变系数与现有标准规范测试的混凝土弹性模量温变系数误差为0.05778731％，说明本发明测试方法准确可行。

Claims (2)

1.一种基于频率变化率的混凝土弹性模量温变系数测试方法，步骤如下：
1)制作一个有固定装置的混凝土支座系统；
2)依据实际结构的混凝土配合比，制作800mm×150mm×60mm的混凝土悬臂梁式样；养生满足《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081-2002)中规定的养生条件；
3)养生后，为了保证混凝土悬臂梁式样的湿度保持不变，用塑料薄膜进行包裹；
4)将混凝土悬臂梁式样放入温度为T1的烘箱中，温度保持1小时；
5)取出混凝土悬臂梁式样，立刻放置于步骤1)的支座系统上，进行模态测试，得到温度T1时的频率
6)调整烘箱的温度为T2，重复步骤4)和5)，得到温度T2时的频率
7)采用下式计算不同温度区间的悬臂梁混凝土弹性模量温变系数θE：
式中：θE为弹性模量温变系数，T1为第一测试温度，T2为第二测试温度，为温度T1时的频率，为温度T2时的频率。
2.一种基于频率变化率的混凝土弹性模量温变系数测试设备，其特征在于：包括一个支座系统、加速度传感器、传给动态信号测试分析仪、电脑和力锤；
其中，支座系统上表面设有上下两个台阶；上面的台阶边缘设有一个凹槽；凹槽的底面铺垫有垫板，固定钢板通过螺栓固定在凹槽上；加速度传感器、传给动态信号测试分析仪、电脑通过连接线电连接。
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