侧限条件对振弦式应力计在混凝土应力量测中的影响性研究.pdf

J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质 学报 1 0 0 4 9 6 6 5 2 0 1 1 1 9 ( 4 ) 0 4 8 7 0 5 侧 限条件对振 弦式应 力计在 混凝土应力量测 中的影响 性 研 究 术 石振明 管圣功 陈锡锋 ( 同济大学地下建筑与工程系上海2 0 0 0 9 2 ) ( 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海2 0 0 0 9 2 ) ( 杭州市公路管理局杭州3 1 0 0 1 4 ) 摘要通过在混凝土中直接埋设应力计和在量测区包裹橡皮泥后埋设应力计的对比试验， 研究了振弦式钢筋应力计的侧 限条件对混凝土应力测量结果的影响。试验结果表明： 基于各截面上混凝土与应力计量测区钢筒的应变一致假定， 振弦式应 力计能较准确地测量混凝土的应力， 但其测量值偏小；采用橡皮泥包裹应力计量测区的柔性侧向约束条件与应力计标定时的 自由边界条件更为相似， 故其能更准确地测量混凝土的应力， 但其准确度随荷载增加而有所减小 ； 将应力计直接埋设在混凝 土里， 由于受到混凝土的侧向约束作用 ， 应力计钢筒的名义轴向刚度提高， 故其测量值相应减小。 关键词振弦式应力计混凝土侧限条件应力 中图分类号 ： T V 6 4 2 文献标识码 ： A S TUDY oN CoNFI NE CoNDI TI oNS I NFLUENCE oN VI BRATI NG S TRI NG S TRESS M ETER M EAS UR G CoNCRETE S TRESS S HI Z h e n mi n g GUAN S he n g g o n g CHEN Xi f e n g ( D e p a r t m e n t o fG e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ， T o n g fi U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ) ( K e y L a b o r a t o r y o f G e o t e c h n i c a l a n d U n d e r g r o u n d E n g i nee ri n g o f M i n t r y ofE d u c a t i o n ， T o n i U n i v e r s i t y ， S h a n g hai 2 0 0 0 9 2 ) ( ( ) H a n g z h o u E x p r e s s w a y A d m i n i s t r a t i o n B u r e a u ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ) Ab s t r a c t T h r o u g h t h e c o mp a r i s o n t e s t s o f e mb e d d i n g v i b r a t i n g s t ri n g s t r e s s me t e r i n c o n c r e t e， w h i c h i s w r a p p e d wi t h a n d wi t ho u t p l a s t i c i n e a t t h e me a s urin g a r e a， t h e c o n fin e c o n d i t i o n s i n flu e n c e o n t h e o u t c o me s o f t h e s t r e s s me t e r wa s s t u d i e d whe n i t S me a s u ring t he s t r e s s o f c o n c r e t e Th e r e s u l t s s h o we d t h a t ：b a s e d o n t h e a s s ump t i o n t ha t o n a n y c r o s s s e c t i o n t h e s t r a i n o f c o nc r e t e a n d s t r e s s me t e r are t h e s a me， v i b r a t i n g s t r i n g s tre s s me t e r c a n r e l a t i v e l y a c c u r a t e l y me a s u r e t h e s t r e s s o f c o n c r e t e， b u t t h e me a s u r e d v a l ue i s a l i t t l e s ma l l e r t ha n t h e r e a l o n e；wr a p p e d t l l p l a s t i c i n e a t t h e me a s u ring a r e a， t h e s t r e s s me t e r S c o n f i n e c o nd i t i o n i s l a t e r a l l y f l e x i b l e whi c h i s mo r e s i mi l ar t o t h e f r e e b o u n d a r y c o n di t i o n o n wh i c h i t S c a l i b r a t e d， t h u s i t c a n me a s u r e t h e s t r e s s o f c o n c r e t e mo r e a c c u r a t e l y， bu t i t s a c c u r a c y de c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f l o a d；wh e n t h e s t r e s s me t e r i s d i r e c t l y e mb e d d e d i n c o n c r e t e， i t s n o mi nal a x i a l s t i f f n e s s wi l l b e i n c r e a s e d be c a us e o f t h e l a t e r a l c o n s t r a i n t o f c o nc r e t e， t h u s i t s me a s u r e d v a l u e wi l l b e c o r r e s p o nd i n g l y s ma l l e r Ke y wo r d s Vi b r a t i n g s t r i n g s t r e s s me t e r ， Co n c r e t e， Co n f i n e c o n d i t i o n， S t r e s s 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 2 1 0 ；收到修改稿 日期 ： 2 0 1 1 0 6 1 5 第一作者简 介： 石振 明， 从事地质工程教学和研 究工作 E ma i l ： s h i _ t o n g j i t o n g j i e d u a N J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质 学报2 0 1 1 1 引 言 振弦式钢筋应力计是一种非电量 电测 的传感 器。由于其直接输 出的振弦 自振频率信号 ， 具有抗 干扰能力强 、 零点漂移小 、 受温度影响小、 性能稳定 可靠、 耐震动、 寿命长的特点 ， 因而广泛应用于港 口 工程、 土木建筑 、 道路桥梁 、 矿山冶金 、 水库大坝等诸 多工程的混凝土应力测量中 - 3 。但 由于受到温度 变化、 埋设条件 、 荷载形式、 混凝土徐变等因素的影 响， 其应力测量结果存在一定偏差。针对 以上问题 ， 国内外学者进行 了一系列的研究 。 韩煊等详细介绍了应力计在桩身轴力测试上 的 应用 ， 探讨 了桩 身材料非线 性对测试 结果 的影响 性H 。王遇国等通过单桩承载力试验研究了振弦 式钢筋应力计的焊接 、 混凝土浇筑 、 静载试验堆载配 重吊装等对混凝土应力测试 的影 响 。李文 峰通 过钢筋应力计在某基坑混凝土支撑轴力的检测中的 应用， 分析了的应力计的灵敏度、 混凝 土支撑配筋、 温度 、 混凝土的收缩和徐变、 基坑开挖后 围护结构位 移及立柱隆沉等因素对混凝土应力测量的影响 ， 并 给出了相应解决措施 J 。陈常松等基于对振弦式 应变计在桥梁工程 中的应用 ， 提 出了针对振弦式应 变计的温度影响修正公式 。 在诸多因素的分析中， 目前关于侧限条件对振 弦式钢筋应力计在混凝土应力量测中的影响还鲜见 报道。与应力计标定 时的无侧 限条件相 比， 实测中 混凝土的围裹作用 ， 势必会减少 同等应力下应力计 的变形量 ( 提高了其名义轴 向刚度 ) ， 从而降低测量 值。本文通过在应力计量测区包裹橡皮泥的方式来 减小侧限约束 ， 将其与直接在混凝土中埋设应变计 的测量方式进行对 比， 探讨了侧限条件对振弦式钢 筋应力计在混凝土应力量测中的影响。 2 混凝土应力测试 2 1 测试 原理 振弦式应力传感器 以张紧的钢弦作为测试元 件 ， 钢弦的几何尺寸确定之后 ， 固有振动频率 厂 与其 张力 有关 J ： T=K J ( 1 ) 式 中， 为与弦长度 、 单位长质量相关的常数。 在被测压力 ，作用下 ， 钢弦与外侧应变筒变形 协调 ， 因变形弦上张力会产生变化 ， 固有振动频率也 随之改变 ， 即通过测定振弦的振动频率可得被测压 力的大小。其原理如图 1 所示 。 A T=TT o=K x ( 厂 - f ) ( 2 ) F s E ft , 式 中， 为钢弦初始张力 为初始振动频率 ； 为 应变； 为弹性模量 ； A为截面积 ， 下标 与 s 分别表 示钢弦与钢筒。 结合公式 ( 2 ) ( 3 ) 可得 ： F = 参 (-厂 2 一 f 2o ) = 一 ) (4 ) 其 中 ， 参 K ， 可 通 过 标 定 试 验 直 接 测 得 。 本 试验所使用的 6个振弦式应力计 的编号及标定系数 如表 1 所示。 表 1 应 力计编号及标定系数 T a b l e l N u mb e r s a n d c a l i b r a t i o n t O e mc i e n t s o f s t r e s s me t e r s 字符 x侧 限为橡皮泥 ， 字符 H侧 限为 混凝土 ； 标 定系数单位 为 N H z 。 图 1 振 弦式应力测试原理 Fi g1 Th e wo r k i n g p r i n c i p l e o f v i b r a t i ng s t r i ng s t r e s s me t e r 当应变计被埋入混凝土中， 受荷后钢筒将随混 凝土变形而变形， 筒 中钢弦的拉力也 随之变化。假 定同一截面上混凝土、 钢筒 、 钢弦应变一致， 利用实 测得到的应力计频率变化值 ， 即可计算该截面荷载 及应力。具体计算公式如下： =一 AFc E ric ( 5 ) c 一 ( F ： F+ F ： F ( E Eo A A, +1 ) ( 6 ) 1 9 ( 4 ) 石振 明等 ： 侧 限条件对振 弦式应 力计在混凝 土应 力量 测中的影 响性研 究 4 8 9 = = 式中， 下标 c 与 t 分别表示混凝土与和值。 2 2 测试仪器 本次试验在同济大学 WD W- 6 0 0 K N微机控制电 子万能试 验 机 (图 2 )上进 行 ， 其 最 大试 验 力 为 6 0 0 k N， 准确度等级为 0 5级。 应力计为金坛市传感器 厂的 J D G J J 一 1 0型振 弦 式钢筋应力计 ， 其压力测量范围为 0 2 0 k N， 拉力测 量范围为 0 4 0 k N。应力计量测区长度为 6 5 m m， 外 径 2 2 7 i n i n ， 内 径 1 6 0 ra m；两 端 连 接 区 总 长 为 1 1 5 r n m， 外径 2 8 0 ra m， 内径 1 9 0 m m。应变 筒钢材 的模量 E 为 2 1 x l O MP a ， 截面积 为 2 0 4 m 。 制备 混 凝 土试 样 采 用 的模 具 为 5 5 01 5 0 1 5 0 ra m规格的钢模 。混凝土试件与应力计 的长度 比、 面积 比分别为 3 0 6 、 4 0 5 ( 混凝土截面 量测区 外径面积 ) 。 图2 WD W 6 0 0 K N微机控制电子万能试验机 F i g 2 WDW 0 0KN c o mpu t e r c o n t r o l l e d e l e c t r o n i c u n i v e r s a l t e s t i n g ma c h i n e 2 3混凝土性能 选用 C 3 5混凝土为本试验应力 测试对象 ， 其表 观密度为 2 4 6 8 k g m， 具体 配合 比及标准试块 2 8 d 混凝土抗压强度试验结果 ， 如下表所示 ： 参照规范要求 ， 混凝 土配置强度 。因满 足 下式 ： 0 +1 6 4 5 0 - ( 8 ) 式中 为混凝土立方体抗压强度标准值 ； 为混 凝土强度标准差。 =4 0 2 3 5+1 6 4 53 0=3 9 9 ( 9) 表 2 混凝 土配合比及 强度参数 Ta b l e 2 Co nc r e t e mi x p r o p o r t i o n a n d s t r e ng t h p a me t e rs 水泥为海螺牌复合硅酸盐水泥 P C 3 2 5 ；外加剂 为浙江五 龙化 工股份有 限公司的 Z WLAI X型高效 ( 高性 t t ) 减水剂。 本试验强度标准差为 2 8 6 MP a 3 0 MP a ， 故按 照规范取 0-=3 0 MP a ， 根据上式可得 ， 选用的混凝土 配合 比满足试验要求 。 参照 混凝土结构设计规范 ， 混凝土的弹性 模量 E 取 3 1 5 1 0 MP a 。 2 4 试验过程 钢筋应力计的标定试验是在无侧限的条件下进 行的， 而在实际工程测量时， 其埋置在混凝土里。由 于受到混凝土的侧 向约束 ， 应力计钢筒的变形特性 与无侧限条件下存在一定差异 。为定量比较侧限条 件对混凝土应力测量值的影 响， 本文设计了在应力 计量测区包裹橡皮泥的柔性边界条件和直接埋置在 混凝土中的相对刚性边界条件的对 比试验 。其示意 图如图 3所示 ： 图3 振弦式应力计侧限示意图 F i g 3 D i a g r a m o f v i b r a t i n g s t r i n g s t r e s s me t e r s c o i lr i fl e c o n d i t i o n s 具体试验步骤如下 ： ( I ) 包裹橡皮泥 ： 在序号为 x l X 3的钢筋应力 计 的测量区包裹一层橡皮泥 ， 外层与应力计连接区 的外径齐平 。橡皮泥外用封装带密封 ， 以防止浇注 混凝土时剥落或失水 。 ( 2 ) 浇注试件 ： 按 表 2中配合 比配置 C 3 5混凝 土 ， 往钢模 中灌注一半高度的混凝土， 振捣密实。用 铁丝将应力计悬挂在 2根定位杆上 ， 以确保应力计 埋置在混凝土的中心位置。再往钢模灌注另一半混 J o u r n a l ofE n g i n e e d n g G e o l o g y 工程地质学报2 0 1 1 凝土 ， 振捣密实后抹平 。第 2天拆模 ， 在标准养护条 件下( 温度 2 0 2 o C， 湿度 9 5 以上) 养护 2 8 d 。 ( 3 ) 读取初始频率 f 0 ： 由于混凝土 固化过程 中 的收缩作用 ， 应力计 的初始频率与原始频率有一定 差异 ， 故在抗压试验前重新测定其初始频率 。混凝 土 自养护室取出后 由于温度变化 ， 混凝土外部温度 与内部温度不一致， 从而造成截面上变形不一致 ， 故 而也会影响应力计测度数 ， 故每 1 0 m i n测读一次 ， 至 频率恒定时的读数作为初始频率 。 ( 4 ) 分 级加 载 ： C 3 5混凝 土 的强 度 设计 值 为 1 6 7 MP a ， 本试验的最大应力设为 2 0 0 M P a ， 对应荷 载值为 4 5 0 k N。采用分级加载的加载模式 ， 均分为 1 O级 ， 每级 2 0 MP a ， 即 4 5 k N。每级 加 载 时 间 为 4 5 s ， 维荷时间为 2 mi n 。测定各 级荷 载下应力计 的 频率 。 3 试验成果 通过各试件在不同荷载等级下测得 的频率值， 根据公式( 4 ) 和( 6 ) 换算得到的混凝土试件荷载量 测值( 图4 ) 。由图示可知通过振弦式钢筋应力计能 较为准确、 稳定地测得混凝土荷载值， 但其与实际值 相比略低 。图4 a的低荷载区域 ， 各试件测量值趋于 一 致， 且基本与理论值重合 ；高荷载区数据离散性 大于低值区， 并具有偏离理论线的趋势 。图4 b量测 值与实际值具有更好的线性关系。 图5为对图4中不同侧限条件下的 3 个荷载量 测值取平均 ， 并转化为应力后的对 比图。表 3为图 5数据的具体列表。由此可见采用橡皮泥包裹应力 计测量区， 以减小侧向约束的措施 ， 能有效减小测量 误差 。当控 制应力 小于 C ， 混凝土强 度设计值 时 ( 1 6 7 MP a ) ， 各级荷载的平均误差仅为 6 O ， 而超 过设计值后的 2级荷载的测量误差与直接埋设的误 差相近。 将应力计直接埋置在混凝土中， 由于混凝土对 其侧向约束应力 叮 3的作用( 图3 ) ， 减小 了同等荷载 F作用下的应变量 ， 其效果与增大应力计 钢筒 的轴 向刚度 的效果相同。 故根据公式 ( 6 ) 可知 ， 名 义轴向刚度 E A 的增大会造成其量测值 的减小。 由表 3的数据可知 ， 混凝土边界造成 的测量值误差 较为稳定 ， 平均误差为 1 5 3 。故可考虑对其测量 值进行线性修正。图5中混凝土实测应力与控制应 力的线性拟合得 ： = 0 8 0 9 0 , 0 ( 1 0 ) 式 中， 为实测应力 ， o r 。 为控制应力。 线性修正后 ， 令应力计算值为 or j =K or ( 1 1 ) 式中， 为应力修正系数， 本试验取为 1 2 4 。 0 1 0 0 2 0 0 3 o 0 4 o 0 5 o 0 控制荷O k N 0 l 0 o 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 O 控制荷载 k N h 图4 混凝土试件实测荷载与控制荷载关系图 Fi g 4 Di a g r a m o f r e l a tio n be t we e n c o n c r e t e s p e c i me n s me a s u r e d l o a d a n d c o n t r o l l o a d a 橡皮泥边界；b 混凝土边界 0 5 1 0 l 5 2 0 2 5 控制应力 a 图 5 不 同侧限混凝土试件实测平均应力对 比图 Fi g 5 Di a g r a m o f c o mpa r i s o n o f c o n c r e t e s p e c i me ns a v e r a g e me a s u r e d s t res s o n d i ffe r e n t c 0 n _fine e o nd l fio n s 吾 ； 伽 蚕 | 毛言 m o N 】 I 辚锥器林 伽 季 耋 啪 啪 。 蚤 赫撑器 衢 加 5 O 垒 R趔霹馘 1 9 ( 4 ) 石振明等： 侧限条件对振弦式应力计在混凝土应力量测中的影响性研究 4 9 1 表 3 不同侧 限混凝土试 件实测平均应力对比表 Ta b l e 3 Co mp a r i s o n o f c o nc r e t e s p e c i me n s a v e r a ge me a s u r e d s t r e s s o n d i ffe r e nt c o n fin e c o n d i t i o ns 4 结论 通过不同侧 限条件的振弦式钢筋应力计在混凝 土试块中的应力量测试验 ， 得出如下结论 ： ( 1 ) 基于各截面上混凝土、 应力计钢筒、 钢筒 内 的钢弦的应变一致假定 ， 振弦式 钢筋应力计能较为 准确 、 稳定地测得混凝土荷载值 ， 但其与实际值相比 略低 。 ( 2 ) 采用橡皮泥包裹应力计量测区的柔性侧向 约束条件与应力计标定 时的 自由边界条件更 为相 似 ， 故其能更准确地测量混凝土的应力。当控制应 力小于 C 3 5混凝土强度设计值时 ， 各级荷载 的平均 误差为 6 0 ， 超过设计值 的测量误差 与直接埋 设 的误差相近。 ( 3 ) 将应力计 直接埋设在混凝土里 ， 由于受到 混凝土的侧 向约束作用 ， 应力计钢筒的名义轴 向刚 度提高 ， 故测量值 相应减小 ， 其与实 际值 的偏 差为 1 5 3 。考 虑 对 其 进 行 线 性 修 正 ， 修 正 系 数 为 1 2 4 。 参考文献 1 朱奎 ， 魏纲 ， 徐 日庆 刚一 柔 性桩复 合地基 中桩荷 载传 递规 律 试验研究 J 岩土力学 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 1 ) ： 2 0 1 2 0 5 Z h u Ku i ， W e i Ga n g ， Xu Ri q i n g Re s e a r c h o n i n -s i t u t e s t s o f p i l e l o a d t r a n s f e r b e h a v i o r s i n c o mp o s i t e f o u n d a t i o n wi t h rig i d - fl e x i b l e p i l e s R o c k and S o i l Me c h a n i c s ， 2 0 0 9， 3 0 ( 1 ) ： 2 0 1 2 0 5 2 张丙 吉 ， 戴 武奎 ， 贺清 云 混凝 土灌 注桩竖 向承载试 验研 究 J 混凝土 ， 2 0 0 8 ， ( 5 ) ： 5 5 5 7 Z h a n g B i n g j i ， D a i Wu k u i ， H e Q i n g y u n T e s t o n v e r t i c l e b e a r i n g c a - p a c i t y o f c o n c r e t e b o r e d p i l e C o n c r e t e ， 2 0 0 8 ， ( 5 ) ： 5 55 7 3 戴国亮 ， 龚 维明 ， 刘欣 良 自平衡试 桩法桩土荷 载传递机理 原 位测试 J 岩石力学 ， 2 0 0 3 ， 2 4( 6 ) ： 1 0 6 51 0 6 9 Da i Gu o l i a n g ， G o n g We i mi n g， L i u Xi n l i a n g E x p e r i me n t a l s t u d y 0 f p i l e s o i l l o a d t r a n s f e r b e h a v i o r o f s e l f - b a l anc e d p i l e Ro c k a n d S o i l Me c h ani c s ， 2 0 0 3 ， z 4( 6 ) ：1 0 6 51 0 6 9 4 韩煊 ， 张乃瑞 ， 钟和 ， 等 大 型群桩基础静载试验与测试 中的关 键问题 J 工程勘察 ， 2 0 0 5， ( 1 ) ：1 Ol 4 Han Xu a n， Z h a n g Na i r u i ， Z h o n g He ， e t a 1 S t a t i c l o a d i n g t e s t f o r l a r g e s c ale p i l e g r o u p f o u n d a t i o n a n d k e y i s s u e s i n t h e t e s t G e o t e c h n i c a l I n v e s t i g a t i o nS u r v e y i n g ， 2 0 0 5， ( 1 ) ：1 01 4 5 王遇国 ， 梅志荣 ， 张季超 单桩承载性状试 验研究 J 岩 土工 程学报 ， 2 0 1 0， 3 2 ( 1 ) ： 71 1 Wa n g Yu g u o ， Me i Z h i mn g， Zh ang J i c ha o Ex p e rime n t a l f e s l r c h e s o n b e a r i n g c h a r a c t e ris t i c s o f a s i n g l e p i l e C hin e s e J o u r n al o f G e o t e c h n i c a l E n gi n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 3 2( 1 ) ： 71 1 6 李文峰对地铁基坑混凝土支撑轴力监测精准性 的探讨 J 隧道建设 ， 2 0 0 9， 2 9 ( 4 ) ： 4 2 4 4 2 6 L i W e n f e n g Di s c u s s i o n o n mo n i t o rin g a c c u mc y o f a x i al f o r c e o f c o n c r e t e b r a c in g o f me t r o f o u n d a t i o n p i t wo r k s T u n n e l C o n s t r u e t i o n ， 2 0 0 9， 2 9 ( 4) ： 4 2 4 4 2 6 【 7 陈常松 ， 颜东煌 ， 陈政清 ， 等 混 凝土振弦式应变计测试技 术研 究 J 中国公 路学报 ， 2 0 0 4 ， 1 7 ( 1 ) ： 2 9 3 3 C h e n Ch an g s o ng ， Ya n Do n g h u a n g， Ch e n Zh e n g q i n g， e t a1 Te c h - n i q u e r e s e a r c h o f v i b r a t i o n a l c h o r d s t r a i n g a u g e t o c o n c r e t e Ch ina J o u rna l o f H i g h w a y a n d T r a n s por t ， 2 0 0 4， 1 7 ( 1 ) ： 2 9 3 3 8 中华人 民共和 国行业标准编写组 J G J 5 5 2 0 0 0普 通混凝土配 合比设计规程 s 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 0 T h e P r o f e s s i o n a l S t a n d a r d s Co mp i l a t io n Gr o u p o f P e o p l e S Re p u b - l i c o f Ch i n a J GJ 5 5 2 0 0 0 S p e c i f i c a t i o n f o r Mi x P r o p o i o n Desi g n o f O r d i n a r y C o n c r e t e B e r i n g ：C h i n a A r c h i t e c t u r e & B u i l d i n g P r e s s ，2 0 0 0 9 中华人 民共和 国国家标准编写组 GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2混 凝 土结 构设计 规范 s 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 Th e Na t i o n al S t a n d ard s C o mp i l a t i o n Gr o u p o f P e o p l e S Re p u b l i c o f C h i n a Gb 5 0 01 02 0 0 2 Co d e f o r De s i g n o f Co n c r e t e S t r u c t u r e s B e r i n g ： C h i n a A r c h i t e c t u r eB u i l d i n g P r e s s ， 2 0 0 0