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专利名称：一种混凝土内部应力的测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种混凝土内部应力的测量装置及其测量方法，属于混凝土应力测量领域。
背景技术：
混凝土大坝在修建时为了能够在大坝建成后对大坝安全运行状态进行监测，需要在大坝内部埋设混凝土应变计，通过对混凝土应变监测数据的解算，得到混凝土内部的应力状态。目前在混凝土大坝应力监测方面应用较多的是各种类型的应变计以及由应变计组成的应变计组。埋设在混凝土中的单只应变计可以量测出混凝土沿应变计方向的应变，如果要监测混凝土结构某一处的应力状态，必须将多个应变计按特定方向排列埋设，对于不同的排列方式采用不同的解算公式得到该处应力状态。如附图1所示，即为二支组、三支组和六支组应变计组中各个应变计排列的空间关系。由于应变计的埋设方向对正确解算应力状态量影响很大，因此埋设应变计组时， 需要严格控制应变计方位，角度误差一般不得超过士 1°，为了保证埋设应变计方向的正确，应变计组通常需固定在支座及支杆上埋设，应根据应变计组在混凝土内的位置分别采用预埋锚杆或带铺杆预制混凝土块固定支座位置和方向。应变计组除了埋设技术要求高，在解算方面的技术要求也很严格。首先应变计组中各个应变计直接测量得到的物理量是应变量，而混凝土材料在无应力状态本身存在自由体积变形，这部分变形是不会引起混凝土内部应力变化，因此在进行混凝土应力解算前需要将每个应变计测量得到的应变量减去混凝土自由体积变形，而这个物理量需要通过无应变计测量得到，也就是说应变计组测量得到的应变量还需要结合无应变计的测量数据才能正确解算混凝土的应力状态值。其次应变计组中各个应变计的测量值的变化都会对解算结果产生显著影响，因此当某个应变计测量结果存在较大误差或是失效，很有可能导致整个应变计组的失效。综上所述，目前在混凝土大坝安全监测工程中普遍采用的应变计组，由于其结构特点，其埋设和数据解算的技术要求很高，这一方面降低了这种监测方法的可靠性，另一方面则显著提高了这种监测手段的技术成本。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种混凝土内部应力的测量装置及其测量方法，克服现有混凝土内部结构应力监测应变计组埋设定位困难以及数据可靠性差的缺点， 尤其适合测量大体积混凝土结构内部的应力状态。为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是一种混凝土内部应力的测量装置，包括两半球壳，左半球壳、右半球壳和测力钢环拼装成球形腔体，测力钢环设有胶基应变片，球形腔体设有信号采集板，胶基应变片引线连接信号采集板，信号采集板连有信号传输线。
所述测力钢环内侧等间距设有多个胶基应变片。所述测力钢环外表面为粗糙面。一种混凝土内部应力的测量方法，一个测力钢环和左半球壳、右半球壳共同组成一个球状测力结构，埋设在混凝土结构中，测力钢环内表面等间距贴有多个胶基应变片，根据测力钢环表面测得的应变值拟合测力钢环表面应变余弦函数曲线，根据函数曲线的相位角和幅值测得混凝土主应力方向和主应力大小。所述测力钢环内侧按顺时针或逆时针方向等间隔角度贴上胶基应变片。所述测力钢环外表面刻花或是锈蚀。本发明一种混凝土内部应力的测量装置及其测量方法，测力钢环外表面刻花或是锈蚀，增加其粗糙度，有利于与混凝土的胶结。本发明整个装置外形为一个完整球体，用以构造弹性体中的圆孔效应，与应变计组相比，其埋设过程更为方便，且装置中的测力钢环与混凝土接触更充分，更利于对混凝土的应力状态做出准确的量测。本发明测量应力的受力体结构是一个测力钢环，测力钢环内部等间距贴有胶基应变片，通过胶基应变片测量测力钢环一周的应力分布。测力钢环在受到混凝土内部应力时才会产生应变变化，即测力钢环结构直接测量混凝土内部的应力状态量。相对于应变计组测量方法，不需要考虑混凝土自身体积变形。本发明在测力钢环内表面贴有多个胶基应变片，并测量测力钢环一周的应变分布，由于可以布置多个测点，因此当个别测点失效后，只会降低拟合余弦曲线公式的拟合精度，不会导致整个测量装置的失效，因此具有较高的可靠性。


下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明
图1为背景技术中应变计组中各个应变计排列的空间关系图； 图2为本发明装置组装图； 图3为本发明测力钢环贴片示意图。
具体实施例方式如图2所示，一种混凝土内部应力的测量装置，包括两半球壳，左半球壳1、右半球壳2和测力钢环3拼装成球形腔体，测力钢环3设有胶基应变片4，球形腔体设有信号采集板5，胶基应变片4引线连接信号采集板5，信号采集板5连有信号传输线6。信号传输线6将信号采集板5所采集的应变数据传输到远方监测系统。测力钢环 3内侧按顺时针或逆时针方向等间隔角度贴上多个胶基应变片4，胶基应变片4按照要求进行贴片，胶基应变片4弓丨线连接至信号采集板5，信号采集板5上集成了多个测量电路，以惠斯通桥路为宜。并通过信号传输线6传输测量数据。两个塑料半球和测力钢环3共同拼装成一个完整球体，拼装所用粘结胶不能覆盖测力钢环3的外表面和塑料球壳外表面。信号采集板5用螺丝固定在半球壳上，不能与测力钢环3有刚性粘结。信号传输线6从其中一个半球壳的中心位置穿出。一种混凝土内部应力的测量方法，一个测力钢环3和左半球壳1、右半球壳2共同组成一个球状测力结构，埋设在混凝土结构中。如图3所示，测力钢环3内部贴有测力胶基应变片4和温度补偿片7。根据测力钢环4表面测得的应变值拟合测力钢环4表面应变余弦函数曲线，根据函数曲线的相位角和幅值测得混凝土主应力方向和主应力大小。所述测力钢环3内侧按顺时针或逆时针方向等间隔角度贴上胶基应变片4。间隔角度Φ按下式计算，其中N为测力钢环3内的胶基应变片4数目
圆孔的孔口应力集中问题是弹性力学中一个经典问题，就是孔口的尺寸远小于弹性体的尺寸，并且孔边距弹性体的边界比较远(约大于1.5倍孔口尺寸)。这个问题的解析解是存在的，分析这个问题的解析解可以发现，圆孔内表面的切向应力是2倍方向角的余弦函数， 圆孔内表面切向应力极值点方向也就是弹性体边界应力的主应力方向，并且切向应力的大小与弹性边界应力值存在线性相关，因此通过测量圆孔内表面一周的切向应力分布就可以拟合出圆孔内表面切向应力的余弦曲线，根据余弦曲线公式中的相位角以及幅值大小就可以求解出该弹性体的应力状态值。本发明装置埋设于混凝土中，通过测量测力钢环3上各个测点的环向应变，并根据理论公式以及标定参数可以解算出该传感装置埋设位置的混凝土的应力状态值。尤其适合测量大体积混凝土结构内部的应力状态。
权利要求
1.一种混凝土内部应力的测量装置，包括两半球壳，其特征在于左半球壳(1)、右半球壳(2)和测力钢环(3)拼装成球形腔体，测力钢环(3)设有胶基应变片(4)，球形腔体设有信号采集板(5 )，胶基应变片(4 )引线连接信号采集板(5 )，信号采集板(5 )连有信号传输线 (6)。
2.根据权利要求1所述一种混凝土内部应力的测量装置，其特征在于所述测力钢环 (3)内侧等间距设有多个胶基应变片(4)。
3.根据权利要求1或2所述一种混凝土内部应力的测量装置，其特征在于所述测力钢环(3)外表面为粗糙面。
4.一种混凝土内部应力的测量方法，其特征在于一个测力钢环(3)和左半球壳(1)、 右半球壳(2)共同组成一个球状测力结构，埋设在混凝土结构中，测力钢环(3)内表面等间距贴有多个胶基应变片(4)，根据测力钢环(4)表面测得的应变值拟合测力钢环(4)表面应变余弦函数曲线，根据函数曲线的相位角和幅值测得混凝土主应力方向和主应力大小。
5.根据权利要求4所述一种混凝土内部应力的测量方法，其特征在于所述测力钢环 (3)内侧按顺时针或逆时针方向等间隔角度贴上胶基应变片(4)。
6.根据权利要求4或5所述一种混凝土内部应力的测量方法，其特征在于所述测力钢环(3)外表面刻花或是锈蚀。
全文摘要
一种混凝土内部应力的测量装置及其测量方法，包括两半球壳，左半球壳、右半球壳和测力钢环拼装成球形腔体，测力钢环设有胶基应变片，球形腔体设有信号采集板，胶基应变片引线连接信号采集板，信号采集板连有信号传输线。装置埋设在混凝土结构中，测力钢环内表面等间距贴有多个胶基应变片，根据测力钢环表面测得的应变值拟合测力钢环表面应变余弦函数曲线，根据函数曲线的相位角和幅值测得混凝土主应力方向和主应力大小。本发明一种混凝土内部应力的测量装置及其测量方法，克服现有混凝土内部结构应力监测应变计组埋设定位困难以及数据可靠性差的缺点，尤其适合测量大体积混凝土结构内部的应力状态。
文档编号G01L1/00GK102322982SQ20111017157
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者吴剑, 张国栋, 晏华斌, 李建林, 程圣国, 赵家成, 陈池 申请人:三峡大学