光弹法在土木工程测试中的应用.pdf

电测 光弹法在土木工程测试中的应用 毛 毳 天津城市建设学院 李义生 天津市北辰区房管局 300400 魏利健 亚源有限公司 300200 摘要 简要介绍了土木工程测量中常用的电测和光弹性方法的原理 测试过程及数据分析方 法 对每种测试方法都引入了一些典型的工程测试实例 以增加对测试方法的感性认识 最后提出 实验力学在土木工程测试中的发展方向及应用前景 关键词 土木工程 电测法 光弹性法 工程测试实例 THE APPLICATION OF STRAIN GAGE METHOD AND PHOTOELASTIC METHOD IN CIVIL ENGINEERING TEST Mao Cui Tianjin Institute of Urban Construction Li Yisheng T ianjin Beichen Real Estate Management Bureau 300400 Wei Lijian Resources Asia Co Ltd 300200 Abstract In this paper the methods of strain gage and photoelasticity are introduced which are often used in civil engineering test T he contents include their principles testing processes and data analyses T ypical engineering test examples are quoted in each method to raise perceptual knowledge of them At last the development direction and applying prospect of experimental me chanics in civil engineering test are put forward Key words civil engineering strain gage method photoelastic method engineering testing exam ple 实际结构的形状和受载情况一般都比较复杂 如果用数学模型进行受力和变形分析 必 然要对实际结构加以简化 而用实验方法进行变形和受力分析 不仅可以建立更接近实际的 物理模型减少简化程度 而且还可以直接对实际构件进行测试 因此 实验的方法受到世界 1998年 3月 Mar 1998 天 津 城 市 建 设 学 院 学 报 JOURNAL OF TIANJIN INST ITU TE OF URBAN CONSTRUCTION 第 4卷 第 1期 Vol 4 No 1 本文 1997 年 10 月 5 日收到 1965 年生 女 博士 讲师 各国设计工作者的广泛重视 为了减轻结构的重量和得到足够的强度和刚度 设计工作者除 进行必要的理论计算外 也应对结构采用合适的实验方法进行较为可靠的实验分析 以取得 可靠的数据作为最终的定型依据 由于激光技术 近代光学 电子和计算机技术的发展 实验力学的测试方法不仅包括已 成熟的光弹性法 电测法 还包括全息法 散斑法 云纹法以及网格法等新方法 在土木工程 测试中使用最多的是电测法和光弹性法 笔者着重介绍这两种方法的原理 测试过程及数据 分析方法 对每种方法还引入了一些典型工程测试实例 以增加对测试方法的认识 最后 提 出了实验力学在土木工程测试中的发展方向及应用前景 1 电测法 1 1 原理 电测法的全称是电阻应变测量法 是实验应力分析方法中最基本的方法之一 自 1943 年制出金属丝绕式电阻应变片以来已成为一种使用方便 有效可靠的测试手段 其基本原理 是电阻应变片作为传感元件 将被测物体指定点的应变转换成电阻变化 再通过电阻应变仪 将此电阻变化转换成电压 或电流 的变化并加以放大 然后以应变的标度给出指示 或者将 模拟的被测应变的电信号输入到记录仪进行记录 也可以把电信号输入到电子计算机等装 置进行数据处理 这种方法灵敏度与精度均较高 一般分辨到几个微应变 且易于实现数据 采集 处理的自动化 如果实施预埋 这种方法不仅能测量构件表面的变形 而且能测量结构 物内部钢筋上的应变 1 2 测试实例 实例 1 超高层钢筋混凝土结构梁柱节点优化设计的实验研究 1 在超高层钢筋混凝土结构中 梁柱节点普遍采用 强柱弱梁 的设计思想 柱的混凝土强 度等级一般高于梁 板混凝土强度四个等级 施工中要求在柱混凝土凝固以前浇好板和梁 但实际很难做到 于是留下了大量的施工缝 这是工程质量不可消除的隐患 关于超高层建 筑结构钢筋混凝土梁柱节点的设计 国内外尚无设计规范与标准可以遵循 为解决这一难 题 设计部门提出采用钢筒 钢筋笼加强梁柱节点核心区的方法 使梁 柱 板用同一种强度 等级的混凝土进行浇注 这样既消除了大量施工缝又对梁柱节点核心区在强度和延性上做 了加强 如果这种设想可行 不仅方便了施工 提高了工程质量 还降低了水泥的标号 将产 生很大的经济效益和社会效益 本例以鸿吉商贸中心大厦超高层钢筋混凝土结构的梁柱节点作为研究对象 根据设计 部门提出的三种节点核心区配筋组合形式制成模型 利用电测法分别测取了每种结构核心 区梁柱节点主筋的应力 靠近主筋的混凝土的应力以及梁柱节点表面的应力 再将三种结构 的应力进行比较 从中选出一种效果最好的组合形式 为这种设想的实施提供科学依据 图 1 为根据模型相似定律制成的梁柱节点核心区一种模型的配筋图 在主筋上粘贴有 应变片 用模拟混凝土的材料进行浇灌形成最终的梁柱节点核心区的模型 这时主筋上的应 变片就被预埋在模型的内部 在模型表面根据测试要求也粘贴了一些应变片 另外两种模型 的制作 布片与此相似 测试结果见文献 1 例中所做的工作不仅对优化钢筋混凝土梁柱节点的设计与施工具有重要的指导意义 2 天 津 城 市 建 设 学 院 学 报 1998 年 3 月 为钢筋混凝土梁柱节点设计新规范的制定提供了参考依据 而且也为钢筋混凝土复杂结构 的实验应力分析探索出一条新路 并将在钢筋混凝土建筑结构模型实验中发挥重要的作用 实例2 天津市鸿吉商贸中心工程钢筋混凝土超高层建筑结构中药大厦在垂直荷载 风 载及地震载荷作用下的实验应力分析 2 3 钢筋混凝土高层建筑虽已在我国大 中城市大量兴建 但多为 20 30 层结构 超过 50 层的较少 本市处于沿海软土地基之上 靠近唐山 属于地震高烈度区 在这样的地质条件下 建造高层建筑 技术困难较大 国外大都采用钢结构 型钢混凝土结构 钢或钢筋混凝土混合 结构等做法 由于经济 技术条件的限制 本市 43 层的中药大厦 地下还有三层 采用了高强 度钢筋混凝土外框 内筒结构 结构平面为扇形 因此在设计 施工和理论方面带来了许多 超规范设计的技术难题 为了合理地进行结构设计 本实例根据相似准则将实物结构制成 1 67 的有机玻璃缩小模型 在重点层及危险部位粘贴应变片 根据模型相似律对模型分别 施加模拟的垂直载荷 风载荷及地震载荷 测试出在各种载荷工况下模型被测点的变形 并 换算出相应的实物应力 与有限元计算相结合 为超高层钢筋混凝土结构的设计提供可靠的 参考依据 实例 3 北京地铁二期工程地下车站拱壳结构的施工监测 4 北京地铁二期工程 地下车站为三拱两柱的双层结构 单层拱壳结构如图 2 所示 结 构的最大宽度为 26 04 m 其中二次衬砌的最大宽度为 25 44 m 上层为站厅层 下层为站 台层 最大复土厚 6 00 m 整个车站采用暗挖技术施工 为整体钢筋混凝土结构 立柱采用 钢管混凝土柱 因三拱总跨度为 25 06 m 不能同时开挖如此大的空间 故采用逐个拱壳施 工的方法 首先进行两边拱的施工 然后再进行中拱的施工 在开挖中间拱时 随着施工的深 入 两边拱及支柱承担的载荷逐渐增大 另外 由于施工地段位于长安街下方 故要严格限制 施工过程中造成的地面沉降量 最大沉陷量不允许超过 5 mm 这样 施工过程中拱壳及支 柱的变形量及强度的监测就成为顺利进行安全施工的保障 为此 本例采用电测法 在拱壳 及支柱上渐进地粘贴应变片 对施工过程进行了长期监测 及时为下一步施工方案的制定提 供了变形和应力的数据 在保证整个地铁工程安全顺利施工方面作出了突出的贡献 此项课 题荣获了三项奖励 是实验力学应用于土木工程中最突出的实例之一 图 1 梁柱节点模型配筋图 图 2 地铁车站地下拱壳结构 3 第 4卷第 1期 毛 毳等 电测 光弹法在土木工程测试中的应用 实例 4 丰台铁路桥系杆拱结构胀拉摩阻系数的测定及施工监测和静载测试 5 丰台铁路桥横跨丰台市新拓宽的交通主干线上 为了保证此主干线上交通的顺畅 要求 铁路桥的跨度要大 68 m 另外 由于此主干线为上下两层 上层与铁路桥间的净空仅为 5 m 而此层路面还得通行高 3 5 m 的车辆 这样使两桥墩间的支撑梁高度尺寸受到限制 不 能根据跨度的增加需要而增加高度 为了解决这一矛盾 此铁路桥采用了带网状系杆拱的三 跨连续梁桥结构 见图 3 图 3 北京丰台路带网状系杆拱连续梁桥结构简图 该结构属于由梁拱构成的改进的组合体系桥 特点是梁拱均为主要承重结构 在施工 中 采用分段胀拉的预应力混凝土结构做梁体 网状腹杆为充满混凝土的钢管 拱肋是混凝 土结构 这种施工方法成败的关键在于对预应力混凝土实施的胀拉力的大小 如果胀拉力过 小不能达到设计要求 桥梁在承载时混凝土可能开裂造成危险 如果胀拉力过大则桥梁自身 反向弯曲开裂 同样影响通车的安全 准确把握胀拉力大小的关键是胀拉时摩阻系数的确 定 由于梁体内胀拉用的钢筋是按梁内受拉主应力迹线的走向布置的 故摩阻系数很难用理 论计算准确得到 因此 本例在胀拉件上粘贴应变片 于施工前进行预胀拉 测出摩阻力系 数 设计施工部门在得到这一数据后进行胀拉力的确定和施工安排 此项实验对丰台桥的设 计与施工切实起到了指导作用 这也是实验力学在土木工程设计施工中发挥重要作用的又 一实例 另外 由于施工过程中桥下交通需正常运转 故在施工时搭建有支撑 当桥建好后需 要拆掉支护 这时 桥梁本身开始承受载荷 为确保安全 在拆除支护及试通车时完全依赖于 电测法对桥体各构件进行监测 2 光弹性法 2 1 原理 实验过程及数据处理方法 光弹性法的全称是光弹性应力分析法 它利用具有暂时双折射效应的透明非晶体材料 如环氧树脂 根据相似定律制成模拟实物的模型 对于平面模型 可直接放入平面偏振光 场或园偏振光场中得到相应的等差线等倾线组合条纹或等差线条纹 通过应力光性定律可 以建立起主应力差与等差线 主应力方向与等倾线之间的关系 借助差分手段可求出模型上 各点的主应力分量 再根据模型相似律转换成实物的应力 对于三维问题 一般采用冻结应 力切片法 即将模型加热至冻结温度 对其施加载荷并逐步降至室温 然后对冻结后的模型 进行切片分析 找到内部的应力值 再根据相似律得到实物内部的应力分布 使用光弹性法进行实验的过程 1 根据模型相似律找出实物与模型在尺寸 弹性模量 泊松比 载荷等参数间的协调关 系 确定各种参数的相似比 并以此确定模型材料的配比 模型的尺寸 载荷大小 加载方式 4 天 津 城 市 建 设 学 院 学 报 1998 年 3 月 等各实验参数 2 制作模型 3 利用模型进行测试 求出模型的应力分布及主应力迹线 4 根据相似比将模型应力换算成实物的应力值 光弹性实验数据的处理 长期以来都是手工进行的 存在着费时 费力 精度不高等缺 点 使光弹性法的应用受到限制 随着计算机 数字图象处理技术的发展 图象的采集 处理 实现了自动化 使这种方法的测试效率大大提高 2 2 工程应用实例 实例 1 天津市刘庄独塔斜拉桥梁 塔锚固区三维光弹性应力分析 6 7 天津市刘庄桥位于市区海河中游 介于大光明桥与光华桥之间 该处原为一开启的浮 桥 因年久失修及受水位的影响 交通经常中断 因此决定改建 考虑到美化城市景观 新桥 选用独塔斜拉桥 桥型见图 4 桥塔为钢筋混凝土结构 外形呈 H 型 桥塔自横柱附近以上的 部位为塔锚固区 有 22 个索锚框 用以锚固缆索 缆索穿过塔柱内的索管 一直延伸到桥主 梁的锚固区 将主梁吊起 桥的主梁为工字型钢梁 其上铺设钢筋混凝土预制板 图 4 刘庄独塔斜拉桥结构简图 图 5 塔锚固区光弹性模型 由于在桥塔锚固区和梁锚固区内的受力 非常复杂 无法建立接近实际情况的数字模 型进行准确的有限元分析 故设计部门急需 在施工前得到这两部分的实验数据 以便对 设计方案进行修正和完善 本例根据桥塔 桥 梁的材料及几何尺寸 按照模型相似律分别 制成环氧树脂塔锚固区模型和桥梁锚固区模 型 分别见图 5 和图 6 采用冻结切片法分别 得到两部分结构的三维应力分布 为此项工 程的顺利完成提供了必要的科学依据 图 7 为塔锚固区两主切面的次主应力迹线图 它 对施工中钢筋配制方案的确定具有重要的指导意义 实例 2 北京地铁二期工程 地下车站拱壳结构光弹性应力分析 8 5 第 4卷第 1期 毛 毳等 电测 光弹法在土木工程测试中的应用 图 6 梁锚固区光弹性模型 对北京地下车站的拱壳结构除进行电测 监测外 由于其结构及施工的特点 出于对此 种施工方法安全性及整体结构受力分布的考 虑 设计部门还提出使用光弹性方法分析三 拱壳主要截面的应力迹线和边界应力分布 钢管混凝土柱 拱 梁结合处的应力分布及边 拱单独受力时 主要截面的边界应力分析 本例采用三维光弹性模型模拟实际结 构 利用冻结切片法进行测试得到相关数据 图 8 为某一主要截面的主应力迹线图 它为 拱体施工中的配筋提供了科学的指导依据 图 7 切片 7 8 的次主应力迹线图 图 8 切片 1 2 的主应力迹线图 实线为 1方向 虚线为 2方向 实例 3 带网状系杆拱连续梁桥光弹性应力分析 9 图 9 光弹性模型照片 在前面的介绍中 已了解了丰台铁 路桥的结构特点 由于整个桥体受力比 较复杂 特别是桥上梁与拱脚及拱肋与 腹杆的连接处 受力状态更为复杂 难于 用数学模型准确计算 为保证设计的可 靠性采用三维光弹性模型 利用冻结应 力切片法对梁的四种载荷工况进行模拟 实验 得到所需的结果 图 9 为光弹性模 6 天 津 城 市 建 设 学 院 学 报 1998 年 3 月 型的照片 图 10 为重点部位的主应力迹线图 此项实验为今后这类工程设计提供了宝贵的 参考资料 3 发展方向及应用前景 从以上的介绍不难看出 电测法 光弹性法在土木工程测试中起着重要的作用 特别在 重点工程和非标准结构设计方面是工程设计不可缺少的组成部分 这两种方法互有长短 相 互补充 电测法侧重于对实物重点部位的逐点监测 但无法对整个结构的全场受力情况进行 表示 光弹性法可得到全场的应力分布 但都用于模型实验 这种模拟对于钢筋混凝土结构 的确存在一定的局限性 但随着钢结构建筑的发展 这一不足可以得到很大抑制 这种方法 将同电测法一样具有广阔的应用前景 另外 光弹性贴片法因其应力分析的全场性和实时性 以及测试仪器的轻便可移动性 也被广泛地应用于土木建筑的的表面测量 a 2 支座附近区域 b 3支座附近区域 工况一拱与梁连接处 2 3 支座附近区域主应力迹线 a 2 支座附近区域 b 3支座附近区域 工况二拱与梁连接处 2 3 支座附近区域主应力迹线 图 10 重点部位的主应力迹线图 随着计算机的普及和图象采集 处理技术的进步 使用白光散斑法 云纹法 包括逻辑云 纹法 等光力学方法对建筑构件表面的变形情况进行实时测量将逐渐得到广泛应用 白光散斑法是指通过分析非相干光照射物体表面时所形成的散斑场的变化来确定物体 表面变形的方法 云纹法是利用物体表面两组栅线重叠时所形成的条纹来确定物体表面变 形的方法 这两种方法都属于对实物进行非接触全场实时测量的方法 测量范围较大 而且 7 第 4卷第 1期 毛 毳等 电测 光弹法在土木工程测试中的应用 对数据可以进行自动化处理 与电测法相比 这两种光力学方法对物体表面变形的测量除具 有全场性的优点外 其抗干扰能力也大大强于电测法 但是 这两种测试方法尚存在不足 即 无法测定物体内部变形 随着计算力学的