1、 環(huán)孔法測試混凝土柱工作應(yīng)力的試驗與研究一：引言 本文共進(jìn)行了5根鋼筋混凝土柱的試驗研究，在試驗的基礎(chǔ)上，對環(huán)孔內(nèi)混 凝土表面電阻應(yīng)變片的應(yīng)變變化值進(jìn)行了研究，分析了影響環(huán)孔內(nèi)電阻應(yīng)變片的 應(yīng)變變化值測試結(jié)果的各種因素，分析了不同鉆孔深度下混凝土的應(yīng)力釋放情 況。 二：試件設(shè)計及制作 1：試件設(shè)計 實際工程中構(gòu)件的形狀千變?nèi)f化，考慮到實驗室的試驗條件和場地限制，本 次試驗的試件設(shè)計為方形柱較為合適，并且柱子也是實際工程中應(yīng)用較廣的構(gòu) 件。工程上鋼筋混凝土的使用率較高，但是環(huán)孔法在測試鋼筋混凝土構(gòu)件工作應(yīng) 力時，應(yīng)變計是貼在混凝土表面，表現(xiàn)的是混凝土的應(yīng)變。鋼筋對應(yīng)變計的變形 有影響，但是鋼筋到

2、應(yīng)變計還有保護(hù)層厚度的距離，對應(yīng)變計的影響應(yīng)該以混凝 土的為主。因此，本次試驗主要研究混凝土柱在單軸受壓下的應(yīng)力釋放情況，所 以試件為混凝土柱。素混凝土的抗拉性能較差，為了防止試件在吊裝過程中破壞， 在試件中配少量的構(gòu)造鋼筋，增強試件的抗拉破壞能力。由于試件鋼筋很少，所 以在有限元分析和實際應(yīng)力計算時可以忽略鋼筋的影響，作為素混凝土柱考慮。 在實際工程中鋼筋混凝士柱的截面尺寸不等，如果在實驗室內(nèi)進(jìn)行試驗時完 全去模擬實際工程中柱子的截面尺寸不太現(xiàn)實。同時應(yīng)考慮到試驗設(shè)備的限制， 試驗所采用的加載設(shè)備為wmr_一5000(四)型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗機(jī)，其臺 座寬度為450mm，并且當(dāng)構(gòu)件尺寸

3、超過600mm時，安裝就位也比較困難。而且 環(huán)孔法測試方法是屬于非破損或微破損測試方法，這樣試驗中對試件截面的削弱 應(yīng)減小到最小。軸心受壓構(gòu)件要消除端面約束的影響，構(gòu)件高度應(yīng)至少是其邊長 的兩倍。綜合考慮以上因素，本試驗設(shè)計的試件尺寸為500nlnl500mm1500mm，試件尺寸按足尺的l：l比例設(shè)計。本試驗中環(huán)孔的內(nèi)徑為lOOmm，外徑為1lOmm試件尺寸及配筋情況見圖51。 :2試件制作 試件的截面尺寸和鋼筋位置依照設(shè)計制作，試件截面尺寸為500mm500mm 1500mm，混凝土強度為C25，試件依次編號為：A1、A2、A3、A4、A5， 五根試件采用相同的配筋，縱向鋼筋采用4根直徑1

4、6mm的HRB235級鋼筋，箍 筋采用直徑10I砌的強，B235級鋼筋，間距300mm。為了在鉆孔過程中能夠連續(xù) 的采集數(shù)據(jù)，在鉆孔位置預(yù)埋導(dǎo)線，導(dǎo)線穿過柱子，這樣應(yīng)變計就能通過導(dǎo)線從測試面的背面引出，不受鉆孔機(jī)的影響，能夠邊鉆孔邊采集數(shù)據(jù)。試件的混凝土采用機(jī)械攪拌，用木模澆注成型，在制作試件的同時，澆搗3個15mmx150mm x 150mm立方體試塊，作為測試立方體抗壓強度用。 53試驗儀器設(shè)備 本文試驗中用到的儀器設(shè)備有，YAw一5000(四)型微機(jī)控制電液伺服壓力試 驗機(jī)，TS3860靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，BGK_40s振弦讀數(shù)儀，v礬100振弦點焊型應(yīng) 變計，BXl2050從電阻應(yīng)變片，型

5、混凝土取芯機(jī)，還有導(dǎo)線，粘結(jié)劑及防水防 潮劑，絕緣膠布，尺子，萬用表，電烙鐵等其它工具。下面就對一些主要儀器設(shè) 備作簡要介紹。 一、Aw一5000(四1型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗機(jī) 本文試驗的加載設(shè)備為卅5000(四)型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗機(jī)，見 圖5-3，該試驗機(jī)的最大量程為5000KN，主機(jī)采用動橫梁，四柱結(jié)構(gòu)，壓縮窄間 大，穩(wěn)定性好；控制部分是采用寬調(diào)速范圍的電液比例閥組及計算機(jī)數(shù)字控制等 先進(jìn)技術(shù)研制的全數(shù)字式閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。整機(jī)實現(xiàn)了計算機(jī)對試驗全過程的 自動控制，可|三I實現(xiàn)試驗力等速率控制，并可進(jìn)行試驗力保持。 自動控制，可以實現(xiàn)試驗力等速率控制，并可進(jìn)行試驗力保持。本文的

6、試驗就是模擬構(gòu)件在實際工作中的應(yīng)力測試，所以在試驗過程中加載 設(shè)備要使試件保持一定的荷載，然后在試件上鉆環(huán)孔釋放應(yīng)力。 二、BGK_408振弦讀數(shù)儀 BGK-408型振弦式儀器讀數(shù)儀是基康公司生產(chǎn)的系列振弦式傳感器配套的電測讀數(shù)儀表，見圖54，其主要特點有： 采用全密封便攜式結(jié)構(gòu)、薄膜防水面板和帶背光的大屏幕漢顯液晶面板能勝 任全天候工作環(huán)境；采用菜單式人機(jī)交互操作，用戶可以根據(jù)提示任意設(shè)定讀數(shù) 儀的初始參數(shù)和工作狀態(tài)；內(nèi)置大容量的靜態(tài)數(shù)據(jù)儲存器能在測量顯示的同時儲 存測值，最多可儲存達(dá)1920支儀器的數(shù)據(jù)；配備Rs232C通訊接口，可以通過 計算機(jī)及相關(guān)通訊軟件實現(xiàn)對讀數(shù)儀的控制、實時監(jiān)測、

7、參數(shù)下載和數(shù)據(jù)上傳等 功能；高精度和高穩(wěn)定性測量。 三、VK4100振弦式應(yīng)變計 vk4100振弦式應(yīng)變計主要用于測量鋼結(jié)構(gòu)或混凝土構(gòu)件上的應(yīng)變，應(yīng)變計的主要固定方式式采用點焊方式，也可以用環(huán)氧或其它高強粘結(jié)劑把它們粘結(jié)到鋼或混凝土表面。 應(yīng)變測量采用振弦原理：把一根鋼弦張拉在兩塊安裝塊之間，安裝塊粘結(jié)在 待測構(gòu)件表面。構(gòu)件表面的變形導(dǎo)致兩個安裝塊相對運動，從而引起鋼弦張力改 變。用緊靠銅弦的電磁線圈激勵鋼弦并測出其共振頻率，然后測出張力。頻率與 應(yīng)變e的關(guān)系有： 其中應(yīng)變e的單位為p e，頻率的單位為Hz。 54試驗方案設(shè)計 541加載值確定 加載值的確定要考慮許多因素。首要保證的是試驗的安

8、全性。在實際工程中 設(shè)計混凝土的強度等級時一般是根據(jù)其上部荷載來定，混凝土的工作應(yīng)力一般在 之間。考慮到加載過程中有許多不確定因素，如試件表面的平整 度，試件不能保證均勻受力，還有試件偏心受壓等等。并且在實際工程中往往是 多個構(gòu)件一起受力，一個構(gòu)件承載力下降后其它構(gòu)件能夠分擔(dān)荷載，而試驗中是 單個構(gòu)件在持載的情況下鉆孔削弱截面，并沒有其它有效的保護(hù)方法。試件上應(yīng) 力越大的情況下進(jìn)行鉆孔實驗，試驗的危險性就越大。 在上章的有限元分析中，我們知道環(huán)孔中心處應(yīng)力釋放為0的鉆孔深度與加 載值是沒有關(guān)系的，但是這是有個前提的，就是假設(shè)材料是線彈性的。而實際上 混凝土只是在應(yīng)力較小的情況下有這一特性的，一

9、般在，荷載越 大，混凝土的塑性變形就越大。本文試驗的目的是研究在不破壞混凝土的保護(hù)層 的情況下，混凝士的應(yīng)力能否完全釋放。所以考慮到這點及安全性，本文試驗柱 的工作應(yīng)力就不與實際工程中混凝土的應(yīng)力水平基本一致。通過對立方體標(biāo)準(zhǔn)試 塊試驗，有本次試驗的混凝土強度，c=36MPa，取fc的02倍為試件試驗應(yīng)力， 考慮到試塊的強度要高于試件，最后取6MPa為試件的試驗應(yīng)力，荷載為1500KN。 542應(yīng)變計的選用與粘貼 試驗參照(鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程(cEcs 03：88)中對芯樣直徑的 要求，試驗柱鉆孔直徑100咖l。應(yīng)變片用于混凝土試驗中，應(yīng)變片的標(biāo)距一般應(yīng) 大于混凝土最大骨科粒徑的34

10、倍。本文試驗中選用膠基箔式電阻應(yīng)交片，其 參數(shù)為：敏感柵長柵寬為=50nlm3mm，靈敏系數(shù)K=210士I，電阻為1199 士0.1。 在實際工程的鋼筋混凝土柱中，混凝土已處在工作應(yīng)力條件下，說明在測試 混凝土工作應(yīng)力時粘貼電阻應(yīng)變片之前混凝土早己有應(yīng)力，如果要完全模擬實際 情況，就應(yīng)該采用先加載，再粘貼電阻應(yīng)變片的方式。但是，由于試驗中采用環(huán) 氧樹脂粘貼電阻應(yīng)變片，環(huán)氧樹脂要24小時才能固化，特別是在冬天需要更長 的時間，而且應(yīng)變片封閉防水也采用環(huán)氧數(shù)值，所以試驗前的粘貼應(yīng)變片準(zhǔn)備就 要用23天的時間，如果采用先加載再粘片，就會影響試驗機(jī)的使用，并且長 時間的加載對試驗機(jī)也是不利的。前面提到

11、了，試驗過程中荷載值是較小的，試 件基本是在線彈性工作狀態(tài)下的，在這種情況下先粘貼電阻應(yīng)變片后加載與先加 載再粘貼電阻應(yīng)變片的效果是一樣的。只是電阻應(yīng)變讀數(shù)儀所采集的數(shù)據(jù)差一個負(fù)號。因此，本次試驗的采用先粘貼電阻應(yīng)變片，再加載的方式。 543應(yīng)變片的粘貼工藝 混凝土試件的變形測定要比金屬試件復(fù)雜。試驗中應(yīng)變片粘貼質(zhì)量的優(yōu)劣對 測量的可靠性影響很大，應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量是測定變形準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵，必須予 以注意為提高電測結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們應(yīng)在應(yīng)變片的粘貼過程中做到認(rèn)真操作， 一絲不茍。 一、應(yīng)變片的選用 選用應(yīng)變片的標(biāo)距一般應(yīng)大于混凝土最大骨科粒徑的34倍。在選好應(yīng)變 片準(zhǔn)備粘貼之前，我們應(yīng)對應(yīng)變片作

12、嚴(yán)格仔細(xì)地檢查，檢查的內(nèi)容包括： (1)應(yīng)變片的外形檢查，即檢查應(yīng)變片是否存在斷路、短路現(xiàn)象、片中各部位 是否有損傷、折斷發(fā)生、片內(nèi)是否夾有氣泡或霉變現(xiàn)象等等 (2)應(yīng)變片電阻值的檢測為保證使用的應(yīng)變片的電阻誤差不超過允許范圍，可 事先用精度較高的歐姆表或采用直流電橋?qū)ζ溥M(jìn)行檢測，以免因同組使用的應(yīng)變 片的阻值誤差太大而造成測量結(jié)果欠準(zhǔn)。 (3)檢查應(yīng)變片上是否標(biāo)有中心線。若無，則應(yīng)在其基蓋上補畫出縱、橫線條， 這樣可方便粘貼應(yīng)變片。與此同時，被測試件的表面上應(yīng)劃出定位線，以確保應(yīng) 變片的粘貼到位。 二、粘貼表面處理 測試表面應(yīng)選擇光滑無氣孔的表面，若被測試件的表面質(zhì)量不高，將會影響 應(yīng)變片的

13、粘貼，為此，我們應(yīng)用刮刀或銼刀清除被測點處的氧化皮及污垢，然后 用細(xì)砂皮紙在試件粘貼部位(一般應(yīng)大于應(yīng)變片面積35倍左右的表面)進(jìn)行打 磨，沿貼片方向打出45。交叉紋，以保證表面的足夠光滑，最后用劃針在被測點 處進(jìn)行畫線，從而保證應(yīng)變片能牢固順利地粘貼。 三、粘結(jié)劑選擇 混凝士試件上的應(yīng)變片粘結(jié)一般是用環(huán)氧樹脂作為粘貼劑和防潮劑。因為混 凝土表面經(jīng)過打磨后沒有向鋼材那么平整，如果直接用502粘貼，應(yīng)變計就會變 形，從而改變其本身電阻，造成測試的不準(zhǔn)。而且，混凝士表面本身的孔隙和毛 細(xì)管能夠往外蒸發(fā)滲出水分，故應(yīng)變片不能直接粘貼在混凝土表面上，而事先應(yīng) 對混凝土表面涂防潮底層。底層厚度應(yīng)盡量減薄

14、，一般不要超過03mm。防潮劑 和粘結(jié)劑可以結(jié)合為同一種粘結(jié)材料，既能防潮又能粘貼。 四、粘貼工藝 粘貼應(yīng)變片前，還需用脫脂棉球蘸上清潔溶劑，如丙酮、無水酒精、四氧化 碳等溶劑擦洗被測點處的油污，直至棉球上無明顯油漬為止，且注意此時勿用手 觸摸清洗后的表面。然后在應(yīng)變片的粘貼面處涂上薄薄一層環(huán)氧數(shù)值，一般宜薄 不宜厚將應(yīng)變片的方位線對準(zhǔn)事先在試件上的劃線，此時應(yīng)密切注意應(yīng)變片的方 位線與試件的劃線是否重合，這時可在應(yīng)變片上蓋上一層透明紙(或臘紙)，一只 手捏住應(yīng)變片的引出線，另一只手的手指反復(fù)輕輕滾壓透明紙表面，以便將里面 多余的膠水和氣泡擠出。滾壓應(yīng)變片時切記不能垂直用力，不能產(chǎn)生滑動或轉(zhuǎn)動

15、， 待膠水和氣泡被完全擠出后，還應(yīng)保持手指不動約一分鐘左右當(dāng)然也可以在試件 表面蓋上一層玻璃紙，然后墊上一塊硅皮，用夾具或平整的壓塊輕壓應(yīng)變片的粘 貼處，這些做法的目的均是為了保證應(yīng)變片在粘貼過程中不發(fā)生錯移，保證其方 位線與被測試件測試點處的定位線完全重合。 粘貼后的應(yīng)變片可讓其在室溫中自然干燥1524h。為節(jié)省時間，也可在自然干操數(shù)小時后，用紅外線燈進(jìn)行烘烤，但溫度應(yīng)控制在不超過400一800范 圍。若一開始就烘烤，則應(yīng)變片敏感柵材料的電阻系數(shù)將會隨溫度的驟然變化而 改變，這對于后面的測試工作不利。 544試驗測試內(nèi)容和量測方法 試驗著重進(jìn)行以下研究：論述環(huán)孔中心處電阻應(yīng)變片的應(yīng)變變化值與

16、鉆孔深 度的關(guān)系，看在不破壞混凝土保護(hù)層厚度的情況下，應(yīng)力能否完全釋放，在環(huán)孔 深度為多少的情況下釋放，釋放與上一章理論計算的數(shù)值一致。 試驗量測方法主要為：首先是試件安裝就位，見圖56。 在安裝過程中試件要盡可能對中，保證其軸心受壓，試件受壓面要平整使其受力均勻。安裝就位后連線加載，加載到設(shè)計值后開始鉆孔。試驗中加載試驗機(jī)有專人操作保證加載的穩(wěn)定，試驗中主要的數(shù)據(jù)采集有電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值，振弦式應(yīng)變計的頻率和電阻 (或模數(shù)和溫度)，鉆孔深度。電阻應(yīng)變片試驗數(shù)據(jù)用TS3860靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集，由人工讀取。振弦式應(yīng)變計由BGK-408振弦讀數(shù)儀采集，由人工讀取。鉆孔深度由鉆孔機(jī)上標(biāo)度尺讀取.5

17、5試驗結(jié)果與分析 5_7試驗?zāi)M實際情況的可行性分析 實際工程中需要檢測的鋼筋混凝土柱的混凝土處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，檢測時粘 貼電阻應(yīng)變片之前混凝土己有應(yīng)力，如果要完全模擬實際工程中的柱子，一種貼 片方式就是，在粘貼電阻應(yīng)變片之前先讓柱子受到工作應(yīng)力，在柱子受恒載情況 下再在測點相應(yīng)位置粘貼好電阻應(yīng)變片，然后鉆孔來測試孔中電阻應(yīng)變片的應(yīng)變 變化值。但是，由于試驗中采用環(huán)氧樹脂粘貼電阻應(yīng)變片，環(huán)氧樹脂要24小時 才能固化，特別是在冬天需要更長的時間，而且應(yīng)變片封閉防水也采用環(huán)氧樹脂， 所以試驗前的粘貼應(yīng)變片準(zhǔn)備就要用23天的時間，如果采用先加載再粘片， 就會影響試驗機(jī)的使用，并且長時間的加載對試驗機(jī)也是不利的。 另一種情況就是在沒有加載前，就在測點相應(yīng)位置粘貼好電阻應(yīng)變片，然后 讓試驗柱受到工作應(yīng)力后再鉆孔來測試孔邊電阻應(yīng)變片的應(yīng)變