环孔法测试混凝土柱工作应力的试验与研究

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1、 环孔法测试混凝土柱工作应力的试验与研究一：引言 本文共进行了5根钢筋混凝土柱的试验研究，在试验的基础上，对环孔内混 凝土表面电阻应变片的应变变化值进行了研究，分析了影响环孔内电阻应变片的 应变变化值测试结果的各种因素，分析了不同钻孔深度下混凝土的应力释放情 况。 二：试件设计及制作 1：试件设计 实际工程中构件的形状千变万化，考虑到实验室的试验条件和场地限制，本 次试验的试件设计为方形柱较为合适，并且柱子也是实际工程中应用较广的构 件。工程上钢筋混凝土的使用率较高，但是环孔法在测试钢筋混凝土构件工作应 力时，应变计是贴在混凝土表面，表现的是混凝土的应变。钢筋对应变计的变形 有影响，但是钢筋到

2、应变计还有保护层厚度的距离，对应变计的影响应该以混凝 土的为主。因此，本次试验主要研究混凝土柱在单轴受压下的应力释放情况，所 以试件为混凝土柱。素混凝土的抗拉性能较差，为了防止试件在吊装过程中破坏， 在试件中配少量的构造钢筋，增强试件的抗拉破坏能力。由于试件钢筋很少，所 以在有限元分析和实际应力计算时可以忽略钢筋的影响，作为素混凝土柱考虑。 在实际工程中钢筋混凝士柱的截面尺寸不等，如果在实验室内进行试验时完 全去模拟实际工程中柱子的截面尺寸不太现实。同时应考虑到试验设备的限制， 试验所采用的加载设备为wmr_一5000(四)型微机控制电液伺服压力试验机，其台 座宽度为450mm，并且当构件尺寸

3、超过600mm时，安装就位也比较困难。而且 环孔法测试方法是属于非破损或微破损测试方法，这样试验中对试件截面的削弱 应减小到最小。轴心受压构件要消除端面约束的影响，构件高度应至少是其边长 的两倍。综合考虑以上因素，本试验设计的试件尺寸为500nlnl500mm1500mm，试件尺寸按足尺的l：l比例设计。本试验中环孔的内径为lOOmm，外径为1lOmm试件尺寸及配筋情况见图51。 :2试件制作 试件的截面尺寸和钢筋位置依照设计制作，试件截面尺寸为500mm500mm 1500mm，混凝土强度为C25，试件依次编号为：A1、A2、A3、A4、A5， 五根试件采用相同的配筋，纵向钢筋采用4根直径1

4、6mm的HRB235级钢筋，箍 筋采用直径10I砌的强，B235级钢筋，间距300mm。为了在钻孔过程中能够连续 的采集数据，在钻孔位置预埋导线，导线穿过柱子，这样应变计就能通过导线从测试面的背面引出，不受钻孔机的影响，能够边钻孔边采集数据。试件的混凝土采用机械搅拌，用木模浇注成型，在制作试件的同时，浇捣3个15mmx150mm x 150mm立方体试块，作为测试立方体抗压强度用。 53试验仪器设备 本文试验中用到的仪器设备有，YAw一5000(四)型微机控制电液伺服压力试 验机，TS3860静态电阻应变仪，BGK_40s振弦读数仪，v矾100振弦点焊型应 变计，BXl2050从电阻应变片，型

5、混凝土取芯机，还有导线，粘结剂及防水防 潮剂，绝缘胶布，尺子，万用表，电烙铁等其它工具。下面就对一些主要仪器设 备作简要介绍。 一、Aw一5000(四1型微机控制电液伺服压力试验机 本文试验的加载设备为卅5000(四)型微机控制电液伺服压力试验机，见 图5-3，该试验机的最大量程为5000KN，主机采用动横梁，四柱结构，压缩窄间 大，稳定性好；控制部分是采用宽调速范围的电液比例阀组及计算机数字控制等 先进技术研制的全数字式闭环调速控制系统。整机实现了计算机对试验全过程的 自动控制，可|三I实现试验力等速率控制，并可进行试验力保持。 自动控制，可以实现试验力等速率控制，并可进行试验力保持。本文的

6、试验就是模拟构件在实际工作中的应力测试，所以在试验过程中加载 设备要使试件保持一定的荷载，然后在试件上钻环孔释放应力。 二、BGK_408振弦读数仪 BGK-408型振弦式仪器读数仪是基康公司生产的系列振弦式传感器配套的电测读数仪表，见图54，其主要特点有： 采用全密封便携式结构、薄膜防水面板和带背光的大屏幕汉显液晶面板能胜 任全天候工作环境；采用菜单式人机交互操作，用户可以根据提示任意设定读数 仪的初始参数和工作状态；内置大容量的静态数据储存器能在测量显示的同时储 存测值，最多可储存达1920支仪器的数据；配备Rs232C通讯接口，可以通过 计算机及相关通讯软件实现对读数仪的控制、实时监测、

7、参数下载和数据上传等 功能；高精度和高稳定性测量。 三、VK4100振弦式应变计 vk4100振弦式应变计主要用于测量钢结构或混凝土构件上的应变，应变计的主要固定方式式采用点焊方式，也可以用环氧或其它高强粘结剂把它们粘结到钢或混凝土表面。 应变测量采用振弦原理：把一根钢弦张拉在两块安装块之间，安装块粘结在 待测构件表面。构件表面的变形导致两个安装块相对运动，从而引起钢弦张力改 变。用紧靠铜弦的电磁线圈激励钢弦并测出其共振频率，然后测出张力。频率与 应变e的关系有： 其中应变e的单位为p e，频率的单位为Hz。 54试验方案设计 541加载值确定 加载值的确定要考虑许多因素。首要保证的是试验的安

8、全性。在实际工程中 设计混凝土的强度等级时一般是根据其上部荷载来定，混凝土的工作应力一般在 之间。考虑到加载过程中有许多不确定因素，如试件表面的平整 度，试件不能保证均匀受力，还有试件偏心受压等等。并且在实际工程中往往是 多个构件一起受力，一个构件承载力下降后其它构件能够分担荷载，而试验中是 单个构件在持载的情况下钻孔削弱截面，并没有其它有效的保护方法。试件上应 力越大的情况下进行钻孔实验，试验的危险性就越大。 在上章的有限元分析中，我们知道环孔中心处应力释放为0的钻孔深度与加 载值是没有关系的，但是这是有个前提的，就是假设材料是线弹性的。而实际上 混凝土只是在应力较小的情况下有这一特性的，一

9、般在，荷载越 大，混凝土的塑性变形就越大。本文试验的目的是研究在不破坏混凝土的保护层 的情况下，混凝士的应力能否完全释放。所以考虑到这点及安全性，本文试验柱 的工作应力就不与实际工程中混凝土的应力水平基本一致。通过对立方体标准试 块试验，有本次试验的混凝土强度，c=36MPa，取fc的02倍为试件试验应力， 考虑到试块的强度要高于试件，最后取6MPa为试件的试验应力，荷载为1500KN。 542应变计的选用与粘贴 试验参照(钻芯法检测混凝土强度技术规程(cEcs 03：88)中对芯样直径的 要求，试验柱钻孔直径100咖l。应变片用于混凝土试验中，应变片的标距一般应 大于混凝土最大骨科粒径的34

10、倍。本文试验中选用胶基箔式电阻应交片，其 参数为：敏感栅长栅宽为=50nlm3mm，灵敏系数K=210士I，电阻为1199 士0.1。 在实际工程的钢筋混凝土柱中，混凝土已处在工作应力条件下，说明在测试 混凝土工作应力时粘贴电阻应变片之前混凝土早己有应力，如果要完全模拟实际 情况，就应该采用先加载，再粘贴电阻应变片的方式。但是，由于试验中采用环 氧树脂粘贴电阻应变片，环氧树脂要24小时才能固化，特别是在冬天需要更长 的时间，而且应变片封闭防水也采用环氧数值，所以试验前的粘贴应变片准备就 要用23天的时间，如果采用先加载再粘片，就会影响试验机的使用，并且长 时间的加载对试验机也是不利的。前面提到

11、了，试验过程中荷载值是较小的，试 件基本是在线弹性工作状态下的，在这种情况下先粘贴电阻应变片后加载与先加 载再粘贴电阻应变片的效果是一样的。只是电阻应变读数仪所采集的数据差一个负号。因此，本次试验的采用先粘贴电阻应变片，再加载的方式。 543应变片的粘贴工艺 混凝土试件的变形测定要比金属试件复杂。试验中应变片粘贴质量的优劣对 测量的可靠性影响很大，应变片的粘贴质量是测定变形准确与否的关键，必须予 以注意为提高电测结果的准确性，我们应在应变片的粘贴过程中做到认真操作， 一丝不苟。 一、应变片的选用 选用应变片的标距一般应大于混凝土最大骨科粒径的34倍。在选好应变 片准备粘贴之前，我们应对应变片作

12、严格仔细地检查，检查的内容包括： (1)应变片的外形检查，即检查应变片是否存在断路、短路现象、片中各部位 是否有损伤、折断发生、片内是否夹有气泡或霉变现象等等 (2)应变片电阻值的检测为保证使用的应变片的电阻误差不超过允许范围，可 事先用精度较高的欧姆表或采用直流电桥对其进行检测，以免因同组使用的应变 片的阻值误差太大而造成测量结果欠准。 (3)检查应变片上是否标有中心线。若无，则应在其基盖上补画出纵、横线条， 这样可方便粘贴应变片。与此同时，被测试件的表面上应划出定位线，以确保应 变片的粘贴到位。 二、粘贴表面处理 测试表面应选择光滑无气孔的表面，若被测试件的表面质量不高，将会影响 应变片的

13、粘贴，为此，我们应用刮刀或锉刀清除被测点处的氧化皮及污垢，然后 用细砂皮纸在试件粘贴部位(一般应大于应变片面积35倍左右的表面)进行打 磨，沿贴片方向打出45。交叉纹，以保证表面的足够光滑，最后用划针在被测点 处进行画线，从而保证应变片能牢固顺利地粘贴。 三、粘结剂选择 混凝士试件上的应变片粘结一般是用环氧树脂作为粘贴剂和防潮剂。因为混 凝土表面经过打磨后没有向钢材那么平整，如果直接用502粘贴，应变计就会变 形，从而改变其本身电阻，造成测试的不准。而且，混凝士表面本身的孔隙和毛 细管能够往外蒸发渗出水分，故应变片不能直接粘贴在混凝土表面上，而事先应 对混凝土表面涂防潮底层。底层厚度应尽量减薄

14、，一般不要超过03mm。防潮剂 和粘结剂可以结合为同一种粘结材料，既能防潮又能粘贴。 四、粘贴工艺 粘贴应变片前，还需用脱脂棉球蘸上清洁溶剂，如丙酮、无水酒精、四氧化 碳等溶剂擦洗被测点处的油污，直至棉球上无明显油渍为止，且注意此时勿用手 触摸清洗后的表面。然后在应变片的粘贴面处涂上薄薄一层环氧数值，一般宜薄 不宜厚将应变片的方位线对准事先在试件上的划线，此时应密切注意应变片的方 位线与试件的划线是否重合，这时可在应变片上盖上一层透明纸(或腊纸)，一只 手捏住应变片的引出线，另一只手的手指反复轻轻滚压透明纸表面，以便将里面 多余的胶水和气泡挤出。滚压应变片时切记不能垂直用力，不能产生滑动或转动

15、， 待胶水和气泡被完全挤出后，还应保持手指不动约一分钟左右当然也可以在试件 表面盖上一层玻璃纸，然后垫上一块硅皮，用夹具或平整的压块轻压应变片的粘 贴处，这些做法的目的均是为了保证应变片在粘贴过程中不发生错移，保证其方 位线与被测试件测试点处的定位线完全重合。 粘贴后的应变片可让其在室温中自然干燥1524h。为节省时间，也可在自然干操数小时后，用红外线灯进行烘烤，但温度应控制在不超过400一800范 围。若一开始就烘烤，则应变片敏感栅材料的电阻系数将会随温度的骤然变化而 改变，这对于后面的测试工作不利。 544试验测试内容和量测方法 试验着重进行以下研究：论述环孔中心处电阻应变片的应变变化值与

16、钻孔深 度的关系，看在不破坏混凝土保护层厚度的情况下，应力能否完全释放，在环孔 深度为多少的情况下释放，释放与上一章理论计算的数值一致。 试验量测方法主要为：首先是试件安装就位，见图56。 在安装过程中试件要尽可能对中，保证其轴心受压，试件受压面要平整使其受力均匀。安装就位后连线加载，加载到设计值后开始钻孔。试验中加载试验机有专人操作保证加载的稳定，试验中主要的数据采集有电阻应变片的应变值，振弦式应变计的频率和电阻 (或模数和温度)，钻孔深度。电阻应变片试验数据用TS3860静态电阻应变仪采集，由人工读取。振弦式应变计由BGK-408振弦读数仪采集，由人工读取。钻孔深度由钻孔机上标度尺读取.5

17、5试验结果与分析 5_7试验模拟实际情况的可行性分析 实际工程中需要检测的钢筋混凝土柱的混凝土处于受压应力状态，检测时粘 贴电阻应变片之前混凝土己有应力，如果要完全模拟实际工程中的柱子，一种贴 片方式就是，在粘贴电阻应变片之前先让柱子受到工作应力，在柱子受恒载情况 下再在测点相应位置粘贴好电阻应变片，然后钻孔来测试孔中电阻应变片的应变 变化值。但是，由于试验中采用环氧树脂粘贴电阻应变片，环氧树脂要24小时 才能固化，特别是在冬天需要更长的时间，而且应变片封闭防水也采用环氧树脂， 所以试验前的粘贴应变片准备就要用23天的时间，如果采用先加载再粘片， 就会影响试验机的使用，并且长时间的加载对试验机

18、也是不利的。 另一种情况就是在没有加载前，就在测点相应位置粘贴好电阻应变片，然后 让试验柱受到工作应力后再钻孔来测试孔边电阻应变片的应变变化值。本文设计 的试验荷载值是较小的，试件基本是在线弹性工作状态下的，在这种情况下先粘 贴电阻应变片后加载与先加载再粘贴电阻应变片的效果是一样的。只是电阻应变 读数仪所采集的数据差一个负号。因此，本次试验的采用先粘贴电阻应变片，再 加载的方式。为了验证这种贴片方式的可行性，以试件A1为例试验分析，先对 试件分级加载，到设计荷载值后，调零， 这时相当于在工作应力下贴片，然后卸 载，发现除了极个别有问题的应变片外， 其它的应变片的读数都与加载时的读数 差一个负号，见表513。这说明本文的贴片方式是可行的，可以用来模拟实际情 况的贴片方式。