專利名稱：一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量裝置及其測量方法，屬于混凝土應(yīng)力測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
混凝土大壩在修建時為了能夠在大壩建成后對大壩安全運行狀態(tài)進行監(jiān)測，需要在大壩內(nèi)部埋設(shè)混凝土應(yīng)變計，通過對混凝土應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的解算，得到混凝土內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。目前在混凝土大壩應(yīng)力監(jiān)測方面應(yīng)用較多的是各種類型的應(yīng)變計以及由應(yīng)變計組成的應(yīng)變計組。埋設(shè)在混凝土中的單只應(yīng)變計可以量測出混凝土沿應(yīng)變計方向的應(yīng)變，如果要監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)某一處的應(yīng)力狀態(tài)，必須將多個應(yīng)變計按特定方向排列埋設(shè)，對于不同的排列方式采用不同的解算公式得到該處應(yīng)力狀態(tài)。如附圖1所示，即為二支組、三支組和六支組應(yīng)變計組中各個應(yīng)變計排列的空間關(guān)系。由于應(yīng)變計的埋設(shè)方向?qū)φ_解算應(yīng)力狀態(tài)量影響很大，因此埋設(shè)應(yīng)變計組時， 需要嚴格控制應(yīng)變計方位，角度誤差一般不得超過士 1°，為了保證埋設(shè)應(yīng)變計方向的正確，應(yīng)變計組通常需固定在支座及支桿上埋設(shè)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)變計組在混凝土內(nèi)的位置分別采用預(yù)埋錨桿或帶鋪桿預(yù)制混凝土塊固定支座位置和方向。應(yīng)變計組除了埋設(shè)技術(shù)要求高，在解算方面的技術(shù)要求也很嚴格。首先應(yīng)變計組中各個應(yīng)變計直接測量得到的物理量是應(yīng)變量，而混凝土材料在無應(yīng)力狀態(tài)本身存在自由體積變形，這部分變形是不會引起混凝土內(nèi)部應(yīng)力變化，因此在進行混凝土應(yīng)力解算前需要將每個應(yīng)變計測量得到的應(yīng)變量減去混凝土自由體積變形，而這個物理量需要通過無應(yīng)變計測量得到，也就是說應(yīng)變計組測量得到的應(yīng)變量還需要結(jié)合無應(yīng)變計的測量數(shù)據(jù)才能正確解算混凝土的應(yīng)力狀態(tài)值。其次應(yīng)變計組中各個應(yīng)變計的測量值的變化都會對解算結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，因此當某個應(yīng)變計測量結(jié)果存在較大誤差或是失效，很有可能導(dǎo)致整個應(yīng)變計組的失效。綜上所述，目前在混凝土大壩安全監(jiān)測工程中普遍采用的應(yīng)變計組，由于其結(jié)構(gòu)特點，其埋設(shè)和數(shù)據(jù)解算的技術(shù)要求很高，這一方面降低了這種監(jiān)測方法的可靠性，另一方面則顯著提高了這種監(jiān)測手段的技術(shù)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量裝置及其測量方法，克服現(xiàn)有混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測應(yīng)變計組埋設(shè)定位困難以及數(shù)據(jù)可靠性差的缺點， 尤其適合測量大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量裝置，包括兩半球殼，左半球殼、右半球殼和測力鋼環(huán)拼裝成球形腔體，測力鋼環(huán)設(shè)有膠基應(yīng)變片，球形腔體設(shè)有信號采集板，膠基應(yīng)變片引線連接信號采集板，信號采集板連有信號傳輸線。
所述測力鋼環(huán)內(nèi)側(cè)等間距設(shè)有多個膠基應(yīng)變片。所述測力鋼環(huán)外表面為粗糙面。一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量方法，一個測力鋼環(huán)和左半球殼、右半球殼共同組成一個球狀測力結(jié)構(gòu)，埋設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)中，測力鋼環(huán)內(nèi)表面等間距貼有多個膠基應(yīng)變片，根據(jù)測力鋼環(huán)表面測得的應(yīng)變值擬合測力鋼環(huán)表面應(yīng)變余弦函數(shù)曲線，根據(jù)函數(shù)曲線的相位角和幅值測得混凝土主應(yīng)力方向和主應(yīng)力大小。所述測力鋼環(huán)內(nèi)側(cè)按順時針或逆時針方向等間隔角度貼上膠基應(yīng)變片。所述測力鋼環(huán)外表面刻花或是銹蝕。本發(fā)明一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量裝置及其測量方法，測力鋼環(huán)外表面刻花或是銹蝕，增加其粗糙度，有利于與混凝土的膠結(jié)。本發(fā)明整個裝置外形為一個完整球體，用以構(gòu)造彈性體中的圓孔效應(yīng)，與應(yīng)變計組相比，其埋設(shè)過程更為方便，且裝置中的測力鋼環(huán)與混凝土接觸更充分，更利于對混凝土的應(yīng)力狀態(tài)做出準確的量測。本發(fā)明測量應(yīng)力的受力體結(jié)構(gòu)是一個測力鋼環(huán)，測力鋼環(huán)內(nèi)部等間距貼有膠基應(yīng)變片，通過膠基應(yīng)變片測量測力鋼環(huán)一周的應(yīng)力分布。測力鋼環(huán)在受到混凝土內(nèi)部應(yīng)力時才會產(chǎn)生應(yīng)變變化，即測力鋼環(huán)結(jié)構(gòu)直接測量混凝土內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)量。相對于應(yīng)變計組測量方法，不需要考慮混凝土自身體積變形。本發(fā)明在測力鋼環(huán)內(nèi)表面貼有多個膠基應(yīng)變片，并測量測力鋼環(huán)一周的應(yīng)變分布，由于可以布置多個測點，因此當個別測點失效后，只會降低擬合余弦曲線公式的擬合精度，不會導(dǎo)致整個測量裝置的失效，因此具有較高的可靠性。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明
圖1為背景技術(shù)中應(yīng)變計組中各個應(yīng)變計排列的空間關(guān)系圖； 圖2為本發(fā)明裝置組裝圖； 圖3為本發(fā)明測力鋼環(huán)貼片示意圖。
具體實施例方式如圖2所示，一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量裝置，包括兩半球殼，左半球殼1、右半球殼2和測力鋼環(huán)3拼裝成球形腔體，測力鋼環(huán)3設(shè)有膠基應(yīng)變片4，球形腔體設(shè)有信號采集板5，膠基應(yīng)變片4引線連接信號采集板5，信號采集板5連有信號傳輸線6。信號傳輸線6將信號采集板5所采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h方監(jiān)測系統(tǒng)。測力鋼環(huán) 3內(nèi)側(cè)按順時針或逆時針方向等間隔角度貼上多個膠基應(yīng)變片4，膠基應(yīng)變片4按照要求進行貼片，膠基應(yīng)變片4弓丨線連接至信號采集板5，信號采集板5上集成了多個測量電路，以惠斯通橋路為宜。并通過信號傳輸線6傳輸測量數(shù)據(jù)。兩個塑料半球和測力鋼環(huán)3共同拼裝成一個完整球體，拼裝所用粘結(jié)膠不能覆蓋測力鋼環(huán)3的外表面和塑料球殼外表面。信號采集板5用螺絲固定在半球殼上，不能與測力鋼環(huán)3有剛性粘結(jié)。信號傳輸線6從其中一個半球殼的中心位置穿出。一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量方法，一個測力鋼環(huán)3和左半球殼1、右半球殼2共同組成一個球狀測力結(jié)構(gòu)，埋設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)中。如圖3所示，測力鋼環(huán)3內(nèi)部貼有測力膠基應(yīng)變片4和溫度補償片7。根據(jù)測力鋼環(huán)4表面測得的應(yīng)變值擬合測力鋼環(huán)4表面應(yīng)變余弦函數(shù)曲線，根據(jù)函數(shù)曲線的相位角和幅值測得混凝土主應(yīng)力方向和主應(yīng)力大小。所述測力鋼環(huán)3內(nèi)側(cè)按順時針或逆時針方向等間隔角度貼上膠基應(yīng)變片4。間隔角度Φ按下式計算，其中N為測力鋼環(huán)3內(nèi)的膠基應(yīng)變片4數(shù)目
圓孔的孔口應(yīng)力集中問題是彈性力學(xué)中一個經(jīng)典問題，就是孔口的尺寸遠小于彈性體的尺寸，并且孔邊距彈性體的邊界比較遠(約大于1.5倍孔口尺寸)。這個問題的解析解是存在的，分析這個問題的解析解可以發(fā)現(xiàn)，圓孔內(nèi)表面的切向應(yīng)力是2倍方向角的余弦函數(shù)， 圓孔內(nèi)表面切向應(yīng)力極值點方向也就是彈性體邊界應(yīng)力的主應(yīng)力方向，并且切向應(yīng)力的大小與彈性邊界應(yīng)力值存在線性相關(guān)，因此通過測量圓孔內(nèi)表面一周的切向應(yīng)力分布就可以擬合出圓孔內(nèi)表面切向應(yīng)力的余弦曲線，根據(jù)余弦曲線公式中的相位角以及幅值大小就可以求解出該彈性體的應(yīng)力狀態(tài)值。本發(fā)明裝置埋設(shè)于混凝土中，通過測量測力鋼環(huán)3上各個測點的環(huán)向應(yīng)變，并根據(jù)理論公式以及標定參數(shù)可以解算出該傳感裝置埋設(shè)位置的混凝土的應(yīng)力狀態(tài)值。尤其適合測量大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量裝置，包括兩半球殼，其特征在于左半球殼(1)、右半球殼(2)和測力鋼環(huán)(3)拼裝成球形腔體，測力鋼環(huán)(3)設(shè)有膠基應(yīng)變片(4)，球形腔體設(shè)有信號采集板(5 )，膠基應(yīng)變片(4 )引線連接信號采集板(5 )，信號采集板(5 )連有信號傳輸線 (6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量裝置，其特征在于所述測力鋼環(huán) (3)內(nèi)側(cè)等間距設(shè)有多個膠基應(yīng)變片(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量裝置，其特征在于所述測力鋼環(huán)(3)外表面為粗糙面。
4.一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量方法，其特征在于一個測力鋼環(huán)(3)和左半球殼(1)、 右半球殼(2)共同組成一個球狀測力結(jié)構(gòu)，埋設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)中，測力鋼環(huán)(3)內(nèi)表面等間距貼有多個膠基應(yīng)變片(4)，根據(jù)測力鋼環(huán)(4)表面測得的應(yīng)變值擬合測力鋼環(huán)(4)表面應(yīng)變余弦函數(shù)曲線，根據(jù)函數(shù)曲線的相位角和幅值測得混凝土主應(yīng)力方向和主應(yīng)力大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量方法，其特征在于所述測力鋼環(huán) (3)內(nèi)側(cè)按順時針或逆時針方向等間隔角度貼上膠基應(yīng)變片(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量方法，其特征在于所述測力鋼環(huán)(3)外表面刻花或是銹蝕。
全文摘要
一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量裝置及其測量方法，包括兩半球殼，左半球殼、右半球殼和測力鋼環(huán)拼裝成球形腔體，測力鋼環(huán)設(shè)有膠基應(yīng)變片，球形腔體設(shè)有信號采集板，膠基應(yīng)變片引線連接信號采集板，信號采集板連有信號傳輸線。裝置埋設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)中，測力鋼環(huán)內(nèi)表面等間距貼有多個膠基應(yīng)變片，根據(jù)測力鋼環(huán)表面測得的應(yīng)變值擬合測力鋼環(huán)表面應(yīng)變余弦函數(shù)曲線，根據(jù)函數(shù)曲線的相位角和幅值測得混凝土主應(yīng)力方向和主應(yīng)力大小。本發(fā)明一種混凝土內(nèi)部應(yīng)力的測量裝置及其測量方法，克服現(xiàn)有混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測應(yīng)變計組埋設(shè)定位困難以及數(shù)據(jù)可靠性差的缺點，尤其適合測量大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。
文檔編號G01L1/00GK102322982SQ20111017157
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者吳劍, 張國棟, 晏華斌, 李建林, 程圣國, 趙家成, 陳池 申請人:三峽大學(xué)