塑性混凝土变形模量测试专用传感器的研制.pdf

2 0 1 3年 第 6期 (总 第 2 8 4 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 i 3 【 T o t a l N o 2 8 4 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 工艺与设备 I E C H N1 C S AN D E QU I P ME NT 塑性混凝土变形模量测试专用传感器的研制 郭恩聪 。王时越 ，何有超 ，袁梅 。 ( 1 昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 6 5 0 5 0 0 ；2 云南省建设工程质量检测中心有限公 司，云南 昆明 6 5 0 0 3 2 ； 3 中国水利水 电第十四工程局有限公司，云南 昆明 6 5 0 0 1 4 ) 摘要 ： 基于塑性混凝上变形模量的全标距测量法 ， 采用应变电测的理论 ， 没计与制作 了- 一 种悬臂梁式位移传感器 ， 町测量塑 性混凝土受压时的纵向位移 ， 进而计算出变形模量。 经对 该传感器进行标定 、 有限元分析以及应用检验， 结果表明设计的位移传 感器灵敏度高， 符合工程实际需要。 关键词： 位移传感器 ；塑性混凝土 ；变形模量；有限元 中图分类号 ： T U 5 2 8 6 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 1 5 7 0 4 De s i gn o f s p e c i a l s e n s or f o r d e f or m a t i o n mo du l u s t e s t i ng o n p l a s t i c c o n c r e t e GUO Enc o ng ， WANG Sh i y ue ， HE Yo u c ha o ， N M e i ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Ku mn i n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， Kmt mi n g 6 5 0 5 0 0， C h i n a ； 2 Yt u bn a i l P r o v i n c e T e s t i n g C e n t e r o f C o n s t r u c t i o nQ u a l i t yC o ， L t d ， K u n m i n g 6 5 0 0 3 2 C h i n a ； 3 S i n o h y d r o B ta c a u l 4 C o ， L t d ， K u l mfi n g 6 5 0 0 1 4 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Ba s e d o n me t h o d o ft he f ul l g a g e l e ng t h n l e a s u r e me n t f or p l a s t i c c o n c l e r e d c f o n na t i o n mo du l u s ， us i n g s t r a i n e l e c t ric a l inc a s u r i n g t h e o r y， t h e c a nt i l e ve r be a m di s p l a c e me n t s e n s or wh i c h c o u l d be u s e d t o me a s ur e t h e l o n g i t u d i n a l d i s pl a c e me n t of p l a s t i c c o n c r e t e u nd e r c o mpr e s s i o n wa s d e s i g n e d a n d ma n u f a c tur e d， t h e n t h e de t b r ma t i o n mo d ulus c o u l d b e c a l c u l a t e d Ac c o r d i n g t o fi l e s e ns o r c a l i b r a t i o n， fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s and a p p l i c a t i o n o f t e s t i n g ， t h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e s e n s i t i v i ty o f t h e d i s p l a c e me n t s e n s o r wa s h i g h ， a n d t h e s e l l s o r c ou l d be a p p l i e d i n pt a c t i c e e n g i ne e r i ng Key w or ds： di s p l a c e me n t s e ns o r ； p l a s t i c c o n c r e t e； d e forma t i o n mo d u l u s ； fini t e e l e me n t 0 引 言 塑性混凝是指抗 压强度 范围为 1 5 MP a 、 变形模 量 为 3 0 0 2 0 0 0 MP a 、 渗 透系数 为 n X 1 0 一 X 1 0 一 ， 并 具有 大 流动性 的水 下混凝土 ， 多用于土石坝的 防渗墙结构 中。 但 是 由于在塑性混凝土的抗压强度满足设计要求时 ， 按现有 规程 D L T 5 l 5 0 2 o 0 1 水工混 凝土试 验规程 ( 主要针对 普通混凝土) 测出的塑性混凝土的变形模量却远远高于设 计指标 ， 与工 程实 际不符 。 现在工程界通过对混凝土和 土 【试验方法的研究已提 出了新的全标距测量法 ， 该方法测 试试件整体变形 ， 用整体变形计算模量 ， 该模量记为变形 模量 ， 其试验结果符合 D L T 5 1 9 9 -2 0 0 4 水电水利规程 混凝土防渗墙施工规范 要求的范围。 全标距测量法通常 是通过磁 力表架 固定千分表来测定试验机上 下压 板问的 位移 ， 进而换算 出混凝土的变形模量 ， 但 测试 时安装困难 ， 试验过程中振动会对磁力表产生很大的影响， 产生试验误 差 ， 同时人工读数也使工作量增大。 基于此 ， 本研究拟采 用全标距测量法， 设计研制一 -一 一 种与全标距测量法相配套的 测量变形的应变式位移传感器， 并用于塑性混凝土变形模 量 的测试 ， 实现 试验过程 的 自动化 ， 使试验结果更加稳定 可靠 ， 满足工程实际需要 。 】 位移传感器设计 1 1 弹性元件的结构形式 应变 汁式位移传感器有多种结构形式 ， 通常测位移 的 大小从 1 0 一 - 1 0 mm， 最简单的是利用悬臂梁结构形式 。 它 所引起 的附加载荷小 ， 结构简单 、 易加工 、 应 变计容 易粘 贴 、 灵敏度较高 1 2 弹性元件尺 寸的确定 采用屈服强度为 3 0 0 MP a的 1 C r l 7 N i 1 4 Mo 2 ( 小锈钢 ) 作 为弹性元件 ， 取安全 系数 Z = 2 0 ， 弹性模量 E - 2 0 0 G P a 。 其许用应力 o - = 1 5 0 MP a ， 弹性元件简化图如图 l 所示。 悬臂梁 自由端点的位移( 挠度) ： y = ( 1 ) 1 = l l J 3 EI 等截面悬臂梁贴应变计处应力为： O - = 一 f 2) 一 L J 6 由式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 可得 ： 收稿 日期 ：2 0 1 2 一 l 2 7 基金项 目：2 0 1 2 年昆明理工大学学生课外学术科技创新基金( 2 0 1 2 Y B 0 6 6 ) 1 5 7 ( L L一 3 ( 4 ) f f a ) i E 视 图 P t = 土 h f 图 1弹性 元件 简化 图 v = ( 3 ) 。 3 Z 由( 3 ) 式可得 ： 丝 ( 4 ) V L ， 3 h l 则 自由端位移达到最 大时梁的最大应力 ： ( 5 ) 经过估算 ， 在进行塑性混凝土变形模量测试时的最大 位移不会超过 3 m m， 则取 ， = 3 m m， 弹性元件 的尺寸先 确定 L = I 1 0 I i l l i 1 ， = 1 0 0 I i l l i 1 ， b = 1 0 m m。 由( 5 ) 式可得 ： ： 3 E y f 一3 x2 0 0 x1 0 。 x 3 xl 0 0 则弹性元件尺寸确定为 1 0 0 m mx l 0 mmx 2 r n n l 。 1 3 传感器设计及有限元分析 传感器设计效果图如图2 ， 图中立柱( 1 、 2 ) 与横梁( 3 ) 、 底 座( 6 ) 共 同组成传感器支撑体 系， 传感器弹性元件( 4 ) 固 定在四根立柱上 ， 顶针 ( 5 ) 顶住压板传递位移 。 运用 A N S Y S 软件进行模拟分析， 单元类型采用 B e a m1 8 8 单元， 传感器 有限元模型如图 3 ， 计算结果见图4 、 5 ， 其中图4为传感器 l ， 方向位移 ， 图 5为第一主应力。 O 图2 传感器设计效果图 从图中可看出， 在模型中弹性元件固定端应力最大且 小于许用应力 ， 支撑框架上应力约等于零且变形非常 小， 强度及刚度均满足要求。 1 4 布 片方案 根据有限元及理论分析与梁 的受力特点 ， 将应变片贴 在固定端附近， 会得到较大的应变输出。 此处上下表面受力 大小相等， 方向相反， 便于接全桥。 确定布片方案如图 1 所 示 ， 接桥方式如图 6 。 根据应变 电测理论 1 ： 1 5 8 图 3 传感器有限元模型 I t S 8 82 ， 6 41 7 9 1I 1 2 2 1 1 2 9 l 1 图 4 传感器 y方向位移 一2 5 6 一 1 9 9 B l 3 2 9 6 E 01 2 t 0 0 7 6 5 图 5 传感器第一主应力 图 6 应变计接桥方式 占 口1 一 s 2 + s 3 0 4 l =艿3 =占 t s， 8i 一8 t 式中： s 读数应变 ； ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) 测点处 的真实应变 ； 8 。 、 8 、 、 8 分 别为 1 、 2 , 3 、 4点的应变计感受的 应变。 则全桥输 出总应变为 ： 1 一 oc 2 - - B 3 8 4 = = 4 8 ( 1 0) 因此 ， 理论灵敏度为 ： K ： ： 竺 ( 1 1 ) Y Y 将式( 4 ) 代入式( 1 1 ) ： ： 9 0 2 8 mm ( 1 2 ) l r 1 - 2 传感器标定 用 C S S 4 4 1 0 0万能材料试验机对传感器进行标定 ， 将 千分表 和传 感器 顶针 同时 顶住 试验 机压 头且 将初 读 数调零 ， 给定位移， 读出传感器输出应变。 传感器标定数 据见表 1 。 表 1 传感器标定数据 图 7 为给定位移与输出应变间的关系图， 从表 1 和图 7 中可以看出传感器输出应变和位移基本呈线性关系。 采用 线性拟合得拟合曲线为 ： y = 6 9 5 7 3 x + 3 9 0 4 5 ( 1 3 ) 根据表 1 的数据， 由文献 2 的方法， 可得该传感器线 性度为 0 6 。 2 5 0 O 20 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 位 移 mm 图 7 传感器的应变一 位移关系图 传感器灵敏度 为图 7中拟合直线 的斜率 即一次项 系 数 。 由式( 1 2 ) 可得 ： K = 6 9 5 7 3 i L c r n r n ， 与理论计算结果有一 定差异 ， 这主要 由于弹性元件加工尺寸与理论值有差异 引 起， 但仍有较高的灵敏度且线性度为一级精度。 3应 用检 验 运用全标距测量法圈 对塑性混凝土标准试件进行试验 ， 用百分表和传感器 同时侧量 。 实 际工程 应用中 ， 采用百分 表测量塑性混凝土变形 ， 经工程检 验 ， 测得结果准确可靠 。 本次试验水泥为华新水泥厂生产 P O 4 2 5 级水泥， 配合比 见表 2 。 试件按照规程 D L T 5 1 5 0 - - - 2 0 0 1 ( 水工混凝土试验 规程 制作 1 5 0 m mx l 5 0 m mx 3 0 0 n L r n立方体试件 3 组。 用 C S S 4 4 1 0 0万能材料试验机进行试验， 每组前 3件抗压极 限承载力平均值分别为 5 3 2 、 6 7 1 、 7 3 6 k N。 力一 位移曲线 如图 8 所示 。 试 验前 ， 先 进行预压 ， 以 0 0 5 - 0 1 MP a s 逐步 加荷 ， 最大预压应力约为破坏强度 的 4 0 ， 至少预压 3 次 ， 直至两侧百分 表的读数差值不超过给定 的允许误差 为止 。 预压后进行正式试验 ， 加荷方式与预压时相 同。 在试验记 录表上每增加 4 5 k N荷载 ， 分别记下百分表与引伸计相应 的读数 。 应力从 0 5 MP a 增加到 4 0 破坏应力时的“ 应力一 变形” 曲线接近直线， 据此来计算试件的变形模量值。 测试 结果见表 3 ， 试验现场如图 9 所示 。 表 2 塑性混凝土配合比 试件 塑性混凝土各组材料用量 ( k g m ) 组号 水泥 膨润土 黏土 石子 砂子 水 1 1 7 0 2 0 1 7 0 8 0 0 7 1 0 3 3 0 2 1 8 5 4 5 1 3 0 8 1 1 7 1 9 31 0 3 2 00 1 5 2 0 0 8 1 5 6 40 33 0 8 0 7 0 6 0 Z 5 0 4 0 30 2 O 1 0 0 1 2 3 4 5 6 位移 mm 图 8力一 位移关系图 表 3 两种塑性混凝土变形模量测试方法的对比 试件 组号 变形模量 MP a 引伸计法 百分表法 误差分析 图 9试 验现 场 试验数据表 明， 采用百分表测量与采用本研究设计 的 传感器测量的变形模量结果相差不大 ， 且测得的数据稳定 可靠并实现了半自动化。 因此， 本传感器具有极强的工程实 用价值。 4结 论 ( 1 ) 设计制作的位移传感器结构简单、 加工容易、 精度高。 ( 2 ) 传感器的线性度、 灵敏度满足设计要求， 并符合工 程需求。 ( 3 ) 传感器可以很好地和各种材料试验机搭配使用 ， 适用性强 。 1 5 9 参考文献 ： l l j 张如一， 沈观林， 李朝弟 应变电测与传感器 M 】 北京 ： 清华 学 出版杠 ， 1 9 9 9 I 2 l 刘迎春 传感器原理I M 长沙： 国防科技大学出版社， 1 9 9 7 【 3 】王清友 ， 孙万功 ， 熊欢 塑性混凝土防渗墙【 M 北京 ： 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 8 【 4 】 商波， 张立祥， 王日 _、丁 越 一种测量土工布撕破试验力的传感器叭 上接第 1 5 6页 方法为局部方法 ， 需先预知大致 的缺 陷部位 ， 且较难定量 分析脱空量 。 冲击回波法 同样存在检测误差较大 的问题 ， 仅以试验室检测为主。 综合来讲， 目前的脱空检测方法均有 一 定的局限性 ， 单一 的检测方法还不足以使检测结果达到 满意的程度 。 因此 ， 应依据具体的钢管混凝土结构特点 ， 有 针对性地选择一种或几种检测方法， 建立能将各方法的损 伤识别结果融 合起来的检测模块 ， 然后集成于一套监测系 统中。 这是检测方法 向实际工程推广的 一条重要途径 。 参考文献 ： 【 1 】 李锋， 丁厌军， 陈宝春， 等 钢管混凝土拱桥管内混凝土品质检 验综述I J j 混凝土， 2 0 1 1 ( 9 ) ： 1 1 8 1 2 0 I 2 12 未华 冈 管混凝土综述 J 1 混凝土， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 8 9 9 3 1 3 I3 童林， 夏桂云， 吴美君 ， 等 冈 管混凝土脱空的探讨l J j 公路 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 1 6 一 l 9 1 4 l 李刚 ， 卞钧霈， 陈文华钢管混凝土热脱空现象分析l J I 公路交通 科技 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 1 5 4 1 5 8 I 5 15 吴德明， 王福敏， 殷祥林 基于温度影响的钢管混凝土脱空机理 分祈 J 1 _重庆交通大学学报： 自然科学版， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 9 0 1 9 4 【 6 J翟晓春， 申雁鹏， 汤诞 钢管混凝土拱桥热脱空理论研究 J 中国 新产品新技术， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 6 - 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