一种钢筋混凝土梁弹性模量的测试装置及方法
技术领域
本发明属于混凝土建筑领域,特别涉及一种钢筋混凝土梁弹性模量的测试装置及方法。
背景技术
混凝土是一种耐久性很好的结构材料,是目前建筑工程中最重要、用量最大的工程材料。 混凝土需经过配料、搅拌、浇注成型和养护等诸多工序。随着科技的不断进步,混凝土的配 料和搅拌已经可以完全自动化,但浇注与养护的工序还必须依赖人工完成,因此混凝土的质 量与操作者的技能与素质有很大关系,所以必须加强混凝土质量的监测与控制,保证建筑物 的质量以实现社会安全发展。
目前关于混凝土弹性模量测试的方法分为破坏检测或无损检测两种。破坏检测的原理即 对混凝土试件采用压力加载,对试件进行一次检测并破坏试件。无损检测的原理与破坏检测 相反,即在不破坏混凝土内部结构和使用性能的情况下,利用声、光、热、电、磁和射线等 方法,直接在构件或结构上测定混凝土某些适当的物理量,并通过这些物理量推定混凝土强 度、均匀性、连续性、耐久性和存在的缺陷等的检测方法。
然而在实际的检测中,采用破坏检测虽然可以得到较为精确的检测弹性模量,但是从结 构构件中破损取样的过程,其实对结构构件也是一种破坏,很多工况也不允许破坏检测。即 使是试验室制备试件进行破坏性试验,每次结果也只能得到单个具体龄期试件的弹性模量, 若想要得到早期阶段不同龄期混凝土试件的弹性模量,需要制备并压碎大量试件,造成浪费。 另一方面,由于混凝土自身的多相复合结构,导致其均质性较差,若应用单一的无损检测的 方法推算混凝土弹性模量,因影响因素多而使得推算的混凝土弹性模量不能达到一定的精度。 因此需要研究一种测量钢筋混凝土梁弹性模量的装置,基于上述两种检测方法的结合,建立 由两种方法检测出的混凝土梁弹性模量的综合相关关系,以便使无损检测可以得到较为精确 的检测结果。
发明内容
本发明针对现有技术中检测混凝土试件弹性模量存在的问题,提供一种钢筋混凝土梁弹 性模量的测试装置及方法,将传统的破坏检测与无损检测方法相结合,建立对应的函数关系, 以便检测不同龄期的混凝土试件的弹性模量。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种钢筋混凝土梁弹性模量的测试装置,所述装置包括混凝土梁试件、左工字钢,右工 字钢,下箱型钢、压力加载单元、振动测试单元、位移测试单元,静态信号分析系统以及计 算机;所述左工字钢和右工字钢的底部与下箱型钢固定连接,左工字钢和右工字钢的中部对 应设有通孔,所述混凝土梁试件水平穿过通孔;所述压力加载单元固定安装在下箱型钢上, 所述振动测试单元设于混凝土梁试件的两侧,所述位移测试单元设于混凝土梁试件的中部; 所述静态信号分析系统分别与压力加载单元、回弹测试单元以及位移测试单元连接,另一端 连接计算机;
所述压力加载单元由两个千斤顶和两个力传感器组成,所述千斤顶底端与下箱型钢固定 连接,分别设置在左工字钢和右工字钢的外侧;所述力传感器安装在千斤顶的上部,与混凝 土梁试件的下表面接触,力传感器通过信号线与静态信号分析系统连接;
所述振动测试单元由力锤、激发器和接收器组成,所述激发器设于水平放置的混凝土梁 试件的左端,接收器设于混凝土梁试件的右端,接收器与静态信号分析系统连接;所述力锤 与激发器设于同一侧,力锤的上端通过连接杆与左工字钢固定连接,力锤的敲击端面与激发 器的端面平行设置;所述力锤敲击激发器时产生振动,所述接收器接收振动产生的频率信息;
所述位移测试单元由磁性表座和位移计组成;所述磁性表座底端固定安装在下箱型钢的 中部位置,另一端与位移计连接;所述位移计对应设于混凝土梁试件中部位置,另一端通过 信号线与静态信号分析系统的信号接收端连接。
本发明进一步解决的问题是,所述左工字钢和右工字钢通过角钢与下箱型钢固定连接, 角钢(15)的连接端面上设有用于固定连接的螺栓孔(16)。
本发明进一步解决的问题是,所述混凝土梁试件(1)的长度为1200mm,侧面的截面尺寸 为150mm×150mm。
本发明进一步解决的问题是,所述左工字钢和右工字钢中部设置的通孔尺寸为160mm×160mm。
本发明进一步解决的问题是,所述凝土梁试件穿过左工字钢和右工字钢中部的通孔时, 两端悬挑伸出的距离为300mm。
本发明进一步解决的问题是,所述装置采用两种方法测量钢筋混凝土梁弹性模量;所述 两种方法包括纯弯法和振动法。
所述纯弯法测试钢筋混凝土梁弹性模量具体是指:通过梁的两点加载得到中间梁段为纯 弯曲段,通过梁的挠度公式反推出梁的弹性模量。纯弯法测弹性模量比较接近混凝土梁真实 受力状况,试验结果准确;缺点是试验较为繁琐,试验装置要求高,要求在试验室试验完成。
所述振动法测试钢筋混凝土梁弹性模量具体是指:通过在钢筋混凝土梁一端锤击得到击 振频率,在另一端安置频率接受器接受击振频率。通过频率与弹性模量的函数关系,计算出 弹性模量。优点是试验简单,不损伤试件,为无损检测;缺点是混凝土材料的离散性很大, 频率与弹性模量之间的函数关系未必可靠,试验结果精度没有纯弯法高。
本发明还提出了一种钢筋混凝土梁弹性模量装置的测试方法,包括如下步骤:
步骤一、构建知识库数据集,所述知识库数据集是基于同一混凝土梁试件,先采用纯弯 测试法后采用振动测试法分别得到弹性模量E1和E2,然后根据数值模拟方法对测试得到的E1和E2之间构建函数关系,得到E1=ψ(E2);
步骤二、装配测试装置,将左工字钢、右工字钢通过角钢与下箱型钢螺栓连接,在下箱 型钢中部安装磁性表座,在下箱型钢两侧端部安装两个千斤顶,并在千斤顶上端安装力传感 器;将力传感器与静态信号分析系统连接;
步骤三、取待检测的混凝土梁试件安装在测试装置的左工字钢和右工字钢的通孔中,控 制两端悬挑伸出的距离为300mm;在混凝土梁试件左侧端面安装接收器(11),右侧端面安装 接收器;然后在混凝土梁试件中部与磁性表座对应的位置安装位移计;将接收器与位移计分 别与静态信号分析系统连接;
步骤四、对步骤三安装好的混凝土梁试件采用振动法测试得到弹性模量E2,然后根据步 骤一得到的函数关系E1=ψ(E2),即可间接得到采用纯弯法测试得到的混凝土梁试件的弹性 模量E1。
本发明所述方法进一步解决的问题是,所述步骤一中构建知识库数据集的具体步骤包括:
(a)浇注10组长度为1200mm,截面尺寸为150mm×150mm,龄期为8h的混凝土梁试件, 将其装配在测试装置上待测;
(b)控制力锤敲击混凝土梁试件左侧的接收器,位于右侧的接收器得到因振动产生的频率 fL,并通过静态信号分析系统传递给计算机,根据公式E2=ρ(2fLL)2得到振动法测试的弹性 模量E2,式中,ρ表示混凝土梁试件的密度、fL表示频率、L表示混凝土梁试件的长度;
(c)控制千斤顶(8)对步骤(b)中的混凝土梁试件两端进行加载,混凝土梁试件收弯产生的 位移通过位移计传给静态信号分析系统,记录加载过程中的混凝土梁试件的竖向荷载P和试 件挠度ωt,根据公式得到纯弯法测试的弹性模量E1,式中,P表示竖向荷载、L 表示混凝土梁试件的长度、I表示截面惯性矩、ωt表示试件挠度;
(d)每隔1h重复上述(b)、(c)步骤,记录得到多组E2和E1,作为构建函数关系的对应数据 集;然后利用数值模拟方法,将上述数据集构建形成函数关系E1=ψ(E2)。
本发明所述方法进一步解决的问题是,步骤三中待检测的混凝土梁试件的龄期包括: 8h-24h、2d-3d、4d-7d、8d-14d和15d-28d中的任一种。
本发明所述方法进一步解决的问题是,步骤二中,左工字钢和右工字钢之间的安装间距 为600mm。
本发明纯弯法测梁弹性模量公式的推导过程如下,参见图5:
∑FX=0Fax+Fbx=0;
∑FY=0Fay+Fby=0;
求得跨中弯矩为
用图乘法求梁跨中挠度
则推出
本发明的有益效果为:
本发明的一种钢筋混凝土梁弹性模量的测试装置及方法,所述装置通过设置凝土梁试件、 左工字钢,右工字钢,下箱型钢、压力加载单元、振动测试单元、位移测试单元,静态信号 分析系统以及计算机等部件,可以采用纯弯法和振动法两种方法进行弹性模量的检测;同时, 将上述两种检测方法得到的弹性模量值之间构建函数关系,仅通过振动法即可得到纯弯法测 试弹性模量的结果,使该装置在不破坏混凝土梁试件的基础下,以不同角度综合评价混凝土 的强度;且所述装置还可以一次性测试不同龄期下的混凝土梁试件的弹性模量,大幅提高检 测效率,与传统的检测方法相比,测试的弹性模量具有更高的准确性和可靠性。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图。
图2为本发明角钢示意图。
图3为本发明左工字钢侧面示意图。
图4本发明测试得出的弹性模量E2和E1的函数曲线图。
图5为本发明纯弯法测梁弹性模量公式推导示意图。
图中序号,图中序号,1-混凝土梁试件、2-左工字钢、3-右工字钢、4-下箱型钢、5-静态 信号分析系统、6-计算机、7-通孔、8-千斤顶、9-力传感器、10-力锤、11-激发器、12-接收器、 13-磁性表座、14-位移计、15-角钢、16-螺栓孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的发明内容作进一步地说明。
一种钢筋混凝土梁弹性模量的测试装置,参见图1-3,所述装置包括混凝土梁试件1、左 工字钢2,右工字钢3,下箱型钢4、压力加载单元、振动测试单元、位移测试单元,静态信 号分析系统5以及计算机6;所述左工字钢2和右工字钢3的底部与下箱型钢4固定连接,左工字钢2和右工字钢3的中部对应设有通孔7,所述混凝土梁试件1水平穿过通孔7;所述压力加载单元固定安装在下箱型钢4上,所述振动测试单元设于混凝土梁试件1的两侧,所述位移测试单元设于混凝土梁试件1的中部;所述静态信号分析系统5分别与压力加载单元、 回弹测试单元以及位移测试单元连接,另一端连接计算机6;
所述压力加载单元由两个千斤顶8和两个力传感器9组成,所述千斤顶8底端与下箱型 钢4固定连接,分别设置在左工字钢2和右工字钢3的外侧;所述力传感器9安装在千斤顶 8的上部,与混凝土梁试件1的下表面接触,力传感器9通过信号线与静态信号分析系统5连接;
所述振动测试单元由力锤10、激发器11和接收器12组成,所述激发器11设于水平放置 的混凝土梁试件1的左端,接收器12设于混凝土梁试件1的右端,接收器12与静态信号分 析系统5连接;所述力锤10与激发器11设于同一侧,力锤10的上端通过连接杆与左工字钢 2固定连接,力锤10的敲击端面与激发器11的端面平行设置;所述力锤10敲击激发器11时产生振动,所述接收器12接收振动产生的频率信息;
所述位移测试单元由磁性表座13和位移计14组成;所述磁性表座13底端固定安装在下 箱型钢4的中部位置,另一端与位移计14连接;所述位移计14对应设于混凝土梁试件1中 部位置,另一端通过信号线与静态信号分析系统5的信号接收端连接。
本实施例中,所述左工字钢2和右工字钢3通过角钢15与下箱型钢4固定连接,角钢15 的连接端面上设有用于固定连接的螺栓孔16。
本实施例中,所述混凝土梁试件1的长度为1200mm,侧面的截面尺寸为150mm×150mm。
本实施例中,所述左工字钢和右工字钢中部设置的通孔7尺寸为160mm×160mm。
本实施例中,所述凝土梁试件1穿过左工字钢和右工字钢中部的通孔7时,两端悬挑伸 出的距离为300mm。
本实施例中,所述装置采用两种方法测量钢筋混凝土梁弹性模量;所述两种方法包括纯 弯法和振动法。
利用上述装置测试钢筋混凝土梁弹性模量的方法如下:
构建知识库数据集,所述知识库数据集是基于同一混凝土梁试件,先采用纯弯测试法后 采用振动测试法分别得到弹性模量E1和E2,然后根据数值模拟方法对测试得到的E1和E2之 间构建函数关系,得到E1=ψ(E2);具体步骤包括:
(a)将左工字钢2,右工字钢3,下箱型钢4、压力加载单元、振动测试单元、位移测试单 元,静态信号分析系统5以及计算机6进行装配连接;
(b)浇注10块长度为1200mm,截面尺寸为150mm×150mm,龄期为8h的钢筋混凝土试件;每个试样每隔1h进行一次弹性模量检测;先采用振动法,控制力锤10敲击混凝土梁试件左侧的接收器11,位于右侧的接收器12得到因振动产生的频率fL,根据公式E2=ρ(2fLL)2得到振动法测试的弹性模量E2;再采用纯弯法,控制千斤顶8混凝土梁试件两端进行加载,记录加载过程中的混凝土梁试件的竖向荷载P和试件挠度ωt,根据公式得到纯弯 法测试的弹性模量E1;得到的E2和E1对应的数据详见表1;
表1
时间(h) |
频率f<sub>L</sub>(Hz) |
弹性模量E<sub>2</sub>(N/mm<sup>2</sup>) |
载荷P(KN) |
挠度ω<sub>t</sub>(mm) |
弹性模量E<sub>1</sub>(N/mm<sup>2</sup>) |
1 |
1.71 |
4.09×10<sup>4</sup> |
3 |
0.15 |
2.41×10<sup>4</sup> |
2 |
1.74 |
4.24×10<sup>4</sup> |
6 |
0.30 |
2.49×10<sup>4</sup> |
3 |
1.82 |
4.84×10<sup>4</sup> |
9 |
0.43 |
2.57×10<sup>4</sup> |
4 |
1.84 |
4.74×10<sup>4</sup> |
12 |
0.55 |
2.69×10<sup>4</sup> |
5 |
1.86 |
4.84×10<sup>4</sup> |
15 |
0.66 |
2.81×10<sup>4</sup> |
6 |
1.89 |
5.30×10<sup>4</sup> |
18 |
0.76 |
2.91×10<sup>4</sup> |
7 |
1.91 |
5.11×10<sup>4</sup> |
21 |
0.88 |
2.94×10<sup>4</sup> |
8 |
1.94 |
5.27×10<sup>4</sup> |
24 |
1.00 |
2.96×10<sup>4</sup> |
9 |
1.96 |
5.38×10<sup>4</sup> |
27 |
1.11 |
3.00×10<sup>4</sup> |
10 |
2.12 |
6.29×10<sup>4</sup> |
30 |
1.23 |
3.00×10<sup>4</sup> |
图4是通过数值模拟软件得到的E1与E2的函数关系:
得到具体的函数关系式为:E2=2.43E1-1.73×104;
即:
实施例1
步骤一、装配测试装置,将左工字钢2、右工字钢3通过角钢15与下箱型钢4螺栓连接, 安装间距为600mm;在下箱型钢4中部安装磁性表座13,在下箱型钢两侧端部安装两个千斤 顶8,并在千斤顶上端安装力传感器9;将力传感器9与静态信号分析系统5连接;
步骤二、取长度为1200mm,截面尺寸为150mm×150mm且龄期为8h的混凝土梁试件安 装在测试装置的左工字钢和右工字钢的通孔7中,控制两端悬挑伸出的距离为300mm;在混 凝土梁试件左侧端面安装接收器11,右侧端面安装接收器12;然后在混凝土梁试件中部与磁 性表座13对应的位置安装位移计14;将接收器12与位移计14分别与静态信号分析系统连 接;
步骤三、对步骤二安装好的混凝土梁试件采用振动法测量弹性模量,得到弹性模量E2为 5.27×104N/mm2,根据知识库数据集得到的函数关系即可间接得到采用 纯弯法测试得到的混凝土梁试件的弹性模量E1为2.88×104N/mm2。
实施例2
步骤一、装配测试装置,将左工字钢2、右工字钢3通过角钢15与下箱型钢4螺栓连接, 安装间距为600mm;在下箱型钢4中部安装磁性表座13,在下箱型钢两侧端部安装两个千斤 顶8,并在千斤顶上端安装力传感器9;将力传感器9与静态信号分析系统5连接;
步骤二、取长度为1200mm,截面尺寸为150mm×150mm且龄期为15d的混凝土梁试件安装在测试装置的左工字钢和右工字钢的通孔7中,控制两端悬挑伸出的距离为300mm;在混凝土梁试件左侧端面安装接收器11,右侧端面安装接收器12;然后在混凝土梁试件中部与 磁性表座13对应的位置安装位移计14;将接收器12与位移计14分别与静态信号分析系统 连接;
步骤三、对步骤二安装好的混凝土梁试件采用振动法测量弹性模量,得到弹性模量E2为 6.49×104N/mm2,根据知识库数据集得到的函数关系即可间接得到采用 纯弯法测试得到的混凝土梁试件的弹性模量E1为3.88×104N/mm2。
实施例3
步骤一、装配测试装置,将左工字钢2、右工字钢3通过角钢15与下箱型钢4螺栓连接, 安装间距为600mm;在下箱型钢4中部安装磁性表座13,在下箱型钢两侧端部安装两个千斤 顶8,并在千斤顶上端安装力传感器9;将力传感器9与静态信号分析系统5连接;
步骤二、取长度为1200mm,截面尺寸为150mm×150mm且龄期为4d的混凝土梁试件安 装在测试装置的左工字钢和右工字钢的通孔7中,控制两端悬挑伸出的距离为300mm;在混 凝土梁试件左侧端面安装接收器11,右侧端面安装接收器12;然后在混凝土梁试件中部与磁 性表座13对应的位置安装位移计14;将接收器12与位移计14分别与静态信号分析系统连 接;
步骤三、对步骤二安装好的混凝土梁试件采用振动法测量弹性模量,得到弹性模量E2为6.17×104N/mm2,根据知识库数据集得到的函数关系即可间接得到采用 纯弯法测试得到的混凝土梁试件的弹性模量E1为3.38×104N/mm2。
综上所述,利用本发明所述装置进行混凝土梁弹性模量的检测时,通过使用操作简易的 振动法,并根据构建的的函数关系,快速得到较为准确的纯弯法测试弹性模量的数据,使得 钢筋混凝土梁强度的评价更为准确可靠;同时,还可以利用本发明的装置测试不同龄期阶段 的混凝土梁弹性模量,无需重新制样,大幅提高检测效率。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说, 在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护 范围。