CN1266182A - 建筑结构工作应力现场检测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于建筑结构工作应力的现场检测方法。该方法“应用局部应力解除”原理,在被测构件局部开一浅槽,测量开槽后的应变释放值,根据实验所建立起来的槽深与应变释放率存在的相关关系,确定已受力结构构件的工作应力大小和方向。本发明能克服现有技术中多种测量方法的不足,可准确地测得建筑结构在各种荷载及作用所产生的应力大小和方向,具有操作简便、精度高、费用低等优点。

Description

建筑结构工作应力现场检测方法

本发明涉及的是结构应力检测方法，尤其是一种建筑结构工作应力现场检测方法。

建筑结构工作应力系指：已建成的建筑物，在正常使用条件下，结构构件的实际应力水平。建筑结构工作应力是由作用在结构上的各种荷载(如：结构自重、楼面荷载、屋面荷载、设备荷载、风荷载、雪荷载、预应力、土压力等)以及引起结构外加变形或约束变形的各种原因(如：温度、焊接、变形、位移、基础不均匀沉降等)在结构构件内所产生的实际应力的总和。

建筑结构工作应力与设计应力的差别在于：设计应力是根据设计要求、使用要求、工艺要求，按照国家建筑结构设计规范得出的设计理论计算值，设计过程中结构计算模型、设计荷载值都是人为预定或预估的，只要满足规范要求即可；而对于已经建成投入使用的已有建筑物，其结构形式、尺寸、节点连接、约束条件、边界条件以及作用在结构上的各种荷载值均已确定，结构构件的工作应力必须根据上述条件并且考虑施工偏差、温度、振动、基础不均匀沉降、焊接、变形等作用的影响。

为了确定已有建筑结构构件的真实工作应力，采用现场应力实测方法，无疑是一种好方法，它能够直接测出结构构件的真实应力状态，而不需考虑结构构件的荷载条件、力学计算模型、外来影响因素等等条件，这一优点是其它方法所不具有的，因而在实际工程中应力实测方法具有广泛的实用价值。

国内外曾采用过下列方法检测已建成建筑物钢结构或钢筋的实际工作应力：1)截面法：根据钢筋内总拉力恒定不变、截面减少量与应力增加量成正比例关系的原理，测量切削钢筋前、后应力的增量，推算钢筋的原有应力值，此方法对钢筋损伤大(需切削1/3截面)，切削设备重，不适合现场应用；2)激振法：测量预应力钢丝的固有自振频率，根据固有自振频率与应力的关系，推算钢丝的预应力值，此法仅适用于砼构件预制厂控制产品质量；3)振弦法：测试屋架预应力钢筋的预应力值，测量结果误差较大；4)挠度法：假定钢筋为柔性结构，根据三角几何关系，测量水平安放的预应力钢筋在跨中施加重物后的挠度，推算钢筋的预应力，测量结果误差较大；5)电磁法：根据磁通量与应力之间的相关关系，测试钢材表面的应力状态，由于磁通量还与钢材品种、轧制方向等诸多因素密切相关，操作复杂，测量误差大，因而不适用于建筑物钢结构或钢筋的实际工作应力检测。所以，到目前为止，国内外尚无可付诸实用的对已建成建筑物钢结构或钢筋的实际工作应力进行检测的装置和方法。

本发明的目的是针对上述建筑物钢结构或钢筋实际工作应力检测中存在的不足，提供一种能准确检测出建筑物钢结构或钢筋实际工作应力的建筑结构工作应力现场检测方法。

本发明的建筑结构工作应力现场检测方法包括：

一、布置测点：根据测试要求，在被测钢构件或钢筋上布置应力测点，即在需要测试工作应力的钢结构或钢筋处布置应变片，对于单向应力状态的工作应力测试，可选用专用应变计；对于平面应力状态的工作应力测试，可选用专用应变花；

二、粘贴应变片：将钢构件或钢筋表面的测点处打磨光滑，然后用丙酮清洗干净，用胶将选用的专用应变计或专用应变花粘贴在被检钢构件或钢筋测点上；

三、调整应变仪：采用屏蔽电缆将粘贴在被检钢构件或钢筋测点上的专用应变计或专用应变花与应变仪连接，并将应变仪读数调整至零；

四、开槽：采用钢锯或钻孔机具在专用应变计的两端或专用应变花四周，以0.5-1mm/分的开槽速度，开设深度为h的浅槽，浅槽的深度h＝0.3-0.4槽间距l；

五、读取测量值：在开槽的过程中监测应变仪的读数，直至应变读数稳定时，即可读取单向应力状态下的应变释放测量值ε′或平面应力状态下的应变释放测量值ε₁′ε₂′、ε₃′；

六、建筑结构工作应力计算：将读取的应变释放测量值ε′或ε₁′、ε₂′、ε₃′代入实际应变释放值ε计算式：

    ε＝ε′-ε_m(式中ε_m为加工附加应变值，一般情况下ε_m＝-5～-19με)算出实际应变释放值ε，然后将实际应变释放值ε代入工作应力计算公式： ${\mathrm{\σ}}_2^1=-\frac{E}{2}[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{1-\mathrm{\μ}}\±\frac{1}{1+\mathrm{\μ}}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({2\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2}]$ $\mathrm{tg}2\mathrm{\β}=\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_1}$ 或        σ＝-Eε即可得出被测钢构件或钢筋的实际应力。

本发明的建筑结构工作应力现场检测方法的基本原理是：设直角坐标系中，构件测点处的主应力为σ₁、σ₂，开槽后，与σ₁成夹角α的方向上释放应变ε(α)可用下式表示：

   ε(α)＝K(α)σ₁+K(90°-α)σ₂               (1)系数K(α)、K(90°-α)为随α而呈周期性变化的参变量，因而可用三角级数描述，即： $K\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\cos 2\mathrm{n\α}----\left(2\right)$ 取前两项近似，有：

      K(α)＝A+Bcos2α                          (3)代入(1)式，得任意方向释放应变与主应力的关系式：

ε(α)＝[A+Bcos2α]σ₁+[A+Bcos(90°-α)]σ₂     (4)若采用45°应变花(θ₁＝0、θ₂＝45°、θ₃＝90°)，分别得到ε₁、ε₂、ε₃三个释放应变值：

      ε₁＝[A+Bcos2β]σ₁+[A-Bcos2β]σ₂

      ε₂＝[A+Bsin2β]σ₁+[A-Bsin2β]σ₂        (5)

      ε₃＝[A-Bcos2β]σ₁+[A-Bsin2β]σ₂联立求解得： ${\mathrm{\σ}}_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{4A}+\frac{1}{4B}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({2\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2}$ ${\mathrm{\σ}}_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{4A}+\frac{1}{4B}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({2\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2}----\left(6\right)$ $\mathrm{tg}2\mathrm{\β}=\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_1}$ 当槽达到足够深度时，测点处应力完全释放，有： $A=-\frac{1}{2E}(1-\mathrm{\μ}),B=-\frac{1}{2E}(1+\mathrm{\μ})----\left(7\right)$ 代入(6)式，得平面应力状态下，工作应力计算公式： ${\mathrm{\σ}}_2^1=-\frac{E}{2}[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{1-\mathrm{\μ}}\±\frac{1}{1+\mathrm{\μ}}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({2\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2}]$ $\mathrm{tg}2\mathrm{\β}=\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_1}----\left(8\right)$

对于单向应力状态，只需沿工作应力方向贴一片单向应变计，在应变计两端开槽，当槽足够深时，测点处应力完全释放，测量开槽前后的应变释放量ε，由下式计算工作应力：

             σ＝-Eε。

本发明的建筑结构工作应力现场检测方法的适用范围是：建筑物中各种钢结构构件和钢筋混凝土结构构件中钢筋的实际工作应力的现场测试。本方法可准确地测得建筑结构在各种荷载以及各种原因所产生的应力大小和方向。与其它方法相比，具有操作简便、测试精度高、费用低廉、不受现场环境条件影响等优点。本方法可用于：1)建筑结构可靠性检测鉴定，在结构构件抗力已知条件下，确定其承载能力，评定建筑结构的安全性；2)建筑事故原因分析，对存在安全隐患的建筑结构构件或破坏失效的结构构件进行应力分析，找出引起结构构件安全隐患或破坏失效的原因，为加固处理提供依据；3)建筑工程质量检测；4)旧建筑物加固维修效果评价，论证建筑结构挖潜改造、增加荷载的可行性等。采用锉、钻、锯等方式开槽，经实验室对比试验和现场实际应用结果表明：用锉、锯等方法开槽的优点是加工应力小、操作简便、费用极低，可满足上述各项要求；钻孔法开槽的优点是操作简便、费用低、不受测点形状的限制，但加工应力比锉、锯开槽方法稍大，只要掌握好速度，即可满足上述各项要求。锉、锯等开槽方法适合于单向应力状态的测试，而钻孔开槽方法适合于平面应力状态的测试。

本发明的建筑结构工作应力现场检测方法在建筑结构应力分析中有其独特的作用，它能有效地解决许多理论计算分析不能解决的工程问题，特别是在已有建筑结构可靠性鉴定评价、承载能力评定、结构构件破坏失效原因分析、加固挖潜改造可行性论证等方面有着广泛的应用前景，适用于质检站、检测鉴定站、科研设计单位、施工企业等单位。

本发明的建筑结构工作应力现场检测方法的具体实施方法和步骤由以下附图和实施例详细给出。

图1是建筑结构工作应力现场检测方法实施例1的测点与开槽位置示意图；

图2是建筑结构工作应力现场检测方法实施例2的测点与开槽位置示意图。

实施例1、从图1可见，这是采用本发明建筑结构工作应力现场检测方法对单向受力杆件进行工作应力测试，所选择的应变片1为BJ120-0.5AA单向应变计，单向应变计1粘贴在被测杆件2角钢的两个肢尖上，测量出各杆件实际工作应力后，再根据实验应力分析方法，得出屋架各杆件的实际状况，然后分析钢屋架平面外偏斜的原因。其具体方法步骤是：

1、测点布置：每根杆件2上布置两个测点，先将贴片处的钢材表面打磨光滑，然后用丙酮将钢材表面清洗干净，再均匀地涂一层502胶。

2、粘贴应变片：为了减小开槽深度，选择小尺寸BJ120-0.5AA单向应变计1，应变计栅长0.5mm，外形尺寸1.5×2.0mm2，将单向应变计1粘贴在杆件涂有502胶的测点上。

3、调整应变仪：用屏蔽电缆3将粘贴在杆件2测点上的单向应变计1按半桥方式接入应变仪4，然后打开应变仪4，将应变读数调整为零。

4、开槽：为便于高空作业，采用钢锯开槽，施工前应先在开槽5处安装固定夹具，以防止钢锯滑动将应变计损坏，按槽间距l＝4mm，槽深h＝1.3mm之比例开出浅槽5，开槽速度控制在0.5mm/分左右，不宜过快，以免产生过大加工应力。

5、读取测量值：边开槽边监测应变仪4显示的读数，当应变仪4读数不随深度变化时，记录应变值ε′。

6、建筑结构工作应力计算：将读取的应变释放测量值ε′代入实际应变释放值ε计算式：

        ε＝ε′-ε_m根据室内标定试验结果，钢锯开槽所引起的平均附加应变值为ε_m＝-12με，实际应变释放值ε为：

           ε＝ε′+12然后将实际应变释放值ε代入工作应力计算公式：

          σ＝-Eε获得每个测点的实际工作应力。

实施例2、从图2可见这是采用本发明建筑结构工作应力现场检测方法对平面受力构件2进行工作应力测试，所选择的专用应变片为TJI20-0.5AA应变花6。其具体方法步骤是：

1、测点布置：每根被测构件2布置两个测试面，每个测试面布置两个测点，先将贴片处的构件2表面打磨光滑，然后用丙酮将构件2表面清洗干净，再均匀地涂一层502胶；

2、粘贴应变片：由于被测构件2为平面应力状态，所以采用应变花6，应变花6由三个角度分别为0°、45°、90°的单向应变计1组成，单向应变计1的栅长0.5mm，外形直经为3mm。将应变花6粘贴在构件2涂有502胶的测点上；

3、调整应变仪：用屏蔽电缆3将粘贴在构件2上的应变花6按半桥方式接入应变仪4，然后打开应变仪4，将应变仪4读数调整为零；

4、开槽：开槽方法采用钻孔法，即在应变花6四周钻一圈小孔7，完全解除测点处的约束。为了便于现场操作，钻孔工具采用小型手电钻，钻头采用φ1.5mm麻花钻头，钻孔前先以应变花6为中心，画一直经5mm的圆，再沿圆钻一圈孔7，孔7的深度h控制在1.5～2.0mm，钻孔速度控制在0.5mm/分左右，不宜过快，以免产生过大加工应力；

5、读取测量值：边钻孔边监测应变仪所显示的读数，当应变仪4读数不随钻孔深度变化时，记录应变值ε₁′、ε₂′、ε₃′；

6、建筑结构工作应力计算：将读取的应变释放测量值ε₁′、ε₂′、ε₃′代入实际应变释放值ε计算式：

      ε＝ε′-ε_m根据室内标定试验结果，钻孔开槽所引起的平均附加应变值为-18με，实际应变释放值ε为：

       ε＝ε′+18然后将实际应变释放值ε代入工作应力计算公式： ${\mathrm{\σ}}_2^1=-\frac{E}{2}[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{1-\mathrm{\μ}}\±\frac{1}{1+\mathrm{\μ}}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({2\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2}]$ $\mathrm{tg}2\mathrm{\β}=\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_1}$ 获得每个测点的实际工作应力。

Claims (1)

1、一种建筑结构工作应力现场检测方法，其特征在于：该方法的实施步骤如下：

一、布置测点：根据测试要求，在被测钢构件或钢筋上布置应力测点，即在需要测试工作应力的钢结构或钢筋处布置应变片，对于单向应力状态的工作应力测试，可选用专用应变计；对于平面应力状态的工作应力测试，可选用专用应变花；

二、粘贴应变片：将钢构件或钢筋表面的测点处打磨光滑，然后用丙酮清洗干净，用胶将选用的专用应变计或专用应变花粘贴在被检钢构件或钢筋测点上；

三、调整应变仪：采用屏蔽电缆将粘贴在被检钢构件或钢筋测点上的专用应变计或专用应变花与应变仪连接，并将应变仪读数调整至零；

四、开槽：采用钢锯或钻孔机具在专用应变计的两端或专用应变花四周，以0.5-1mm/分的速度开设槽深度为h的浅槽，槽深度h与槽间距l之比为0.3～0.4；

五、读取测量值：在开槽的过程中监测应变仪的读数，直至应变读数稳定时，即可读取单向应力状态下的应变释放测量值ε′或平面应力状态下的应变释放测量值ε₁′、ε₂′、ε₃′；

六、建筑结构工作应力计算：将读取的应变释放测量值ε′或ε₁′、ε₂′、ε₃′代入实际应变释放值ε计算式：

         ε＝ε′-ε_m(式中ε_m为加工附加应变值，一般情况下ε_m＝-5～-19με)算出实际应变释放值ε，然后将实际应变释放值ε代入工作应力计算公式： ${\mathrm{\σ}}_2^1=-\frac{E}{2}[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{1-\mathrm{\μ}}\±\frac{1}{1+\mathrm{\μ}}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2+{({2\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3)}^2}]$ $\mathrm{tg}2\mathrm{\β}=\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_1}$ 或            σ＝-Eε即可得出被测钢构件或钢筋的实际应力。

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