胡益良

0 引言

在當(dāng)今土木工程行業(yè)中,應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量廣泛地應(yīng)用于建筑、鐵路、橋梁、交通、大壩等結(jié)構(gòu)上。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試是工程人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,了解結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)以及保證結(jié)構(gòu)安全的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。例如在大跨度橋梁的施工過程以及營(yíng)運(yùn)過程的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中,對(duì)關(guān)鍵截面的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè),為橋梁的施工、營(yíng)運(yùn)、加固提供依據(jù),確保結(jié)構(gòu)安全是橋梁建設(shè)一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。如何才能快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出我們所關(guān)心的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變,是每一個(gè)工程人員十分關(guān)心的問題。

在本論文中,通過萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)圓鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn),主要介紹了目前工程界常用的電阻式應(yīng)變片、振弦傳感器、數(shù)顯千分表和引伸計(jì)四種測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)變的手段,對(duì)被測(cè)試件應(yīng)變進(jìn)行同時(shí)采集(見圖1)。

通過測(cè)試結(jié)果與理論值相比較,分析、總結(jié)各種應(yīng)變測(cè)量方法的特點(diǎn)。本文中采用彈性模量為2.06×10e5MPa的圓鋼作為被測(cè)試件,圓鋼的泊松比為:μ=0.3,直徑為30.7 mm,被測(cè)試件長(zhǎng)度30 cm。

1 電阻式應(yīng)變片測(cè)量

電阻式應(yīng)變片又稱為電阻應(yīng)變計(jì),簡(jiǎn)稱應(yīng)變片或電阻片,它是非電量電測(cè)中最重要的變換器。利用電阻片將非電量轉(zhuǎn)換為電量,再經(jīng)電子儀器進(jìn)行放大、顯示和記錄,所以能獲得很高的放大倍數(shù),從而達(dá)到很高的靈敏度。

在軸向受拉的過程中,實(shí)際上圓鋼表面的應(yīng)力狀況就是單相應(yīng)力狀態(tài),它的應(yīng)變?cè)谳S向是受拉應(yīng)變,它的橫向應(yīng)變和它的軸向應(yīng)變是成比例的,這個(gè)比值就是泊松比μ,利用這一特點(diǎn)在本測(cè)試中我們把橋路設(shè)計(jì)為互補(bǔ)全橋測(cè)試方案。這里通過使用惠斯登全橋與電阻應(yīng)變儀相組合的方式進(jìn)行測(cè)量。使用惠斯登全橋原理可以消除由于偏心引起的誤差,提高量測(cè)精度。根據(jù)式(1)計(jì)算:

其中,μ=0.3就可以得出被測(cè)試件的應(yīng)變值(見表1)。

表1 電阻式應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果

2 振弦傳感器測(cè)量

振弦式傳感器是目前國(guó)內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測(cè)的傳感器。振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號(hào),通過頻率的改變來反映被測(cè)構(gòu)件的應(yīng)變大小。振弦傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、受電參數(shù)影響小、零點(diǎn)飄移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

本文中,將兩個(gè)振弦傳感器對(duì)稱粘貼于被測(cè)試件的表面,通過對(duì)它們各自測(cè)得的結(jié)構(gòu)應(yīng)變值取平均值,來消除結(jié)構(gòu)偏心的影響。當(dāng)試件受力拉伸或壓縮時(shí),振弦傳感器的頻率會(huì)隨之發(fā)生變化,通過DataTaker采集儀讀取振弦傳感器的頻率,然后按照下面的公式可以計(jì)算出被測(cè)試件發(fā)生的應(yīng)變大小(見表2)。

其中,ε為試件的應(yīng)變;k為振弦傳感器的系數(shù),本文取 4.05×10e-3;f0為振弦傳感器初始頻率,Hz;fi為第i次讀取的頻率,Hz。

表2 振弦傳感器測(cè)量結(jié)果

3 引伸計(jì)測(cè)量

引伸計(jì)是測(cè)量構(gòu)件及其他物體兩點(diǎn)之間線變形的一種儀器,通常由傳感器、放大器和記錄器三部分組成。傳感器直接和被測(cè)構(gòu)件接觸。構(gòu)件上被測(cè)的兩點(diǎn)之間的距離為標(biāo)距l(xiāng),標(biāo)距的變化Δl為線變形。當(dāng)被測(cè)構(gòu)件變形時(shí),傳感器隨著變形,并把這種變形轉(zhuǎn)換為機(jī)械、光、電、聲等信息,通過放大器將傳感器輸出的微小信號(hào)進(jìn)行放大,記錄器(或讀數(shù)器)將放大后的信號(hào)直接顯示或自動(dòng)記錄下來。一般記錄的是引伸計(jì)標(biāo)距范圍內(nèi)線形的改變量。

本測(cè)試將機(jī)械式引伸計(jì)固定在被測(cè)試件上,引伸計(jì)的標(biāo)距長(zhǎng)為20 cm,當(dāng)被測(cè)試件受力拉伸時(shí),引伸計(jì)連接在2000標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷儀上,可以直接讀取構(gòu)件發(fā)生的伸長(zhǎng)量Δl,此伸長(zhǎng)量Δl除以引伸計(jì)的標(biāo)距l(xiāng)就可以求出試件發(fā)生的應(yīng)變:ε=Δl/l。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

4 數(shù)顯千分表測(cè)量

表3 引伸計(jì)測(cè)量結(jié)果

數(shù)顯千分表是利用數(shù)字測(cè)量顯示技術(shù),對(duì)測(cè)量桿所感測(cè)到的直線位移進(jìn)行讀數(shù)的一種精密測(cè)量器具。它可以進(jìn)行任意的起始值設(shè)置,進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量、相對(duì)測(cè)量,可滿足特殊要求。數(shù)顯千分表是近年來發(fā)展較快的高技術(shù)產(chǎn)品,它讀數(shù)直觀、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、功能齊全、以數(shù)字形式給出測(cè)量結(jié)果、無人為讀數(shù)誤差。它的這些特點(diǎn)讓它在土木、機(jī)械行業(yè)受到重視,特別在高精度、批量大、檢測(cè)速度快的場(chǎng)合顯示出它的優(yōu)越性。

數(shù)顯千分表固定在試件上,當(dāng)試件受力拉伸時(shí),可以從千分表刻度盤上直接讀出構(gòu)件發(fā)生的伸長(zhǎng)量Δl,此伸長(zhǎng)量除以千分表的標(biāo)距l(xiāng)=150 mm就可以求出試件發(fā)生的應(yīng)變,測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 數(shù)顯千分表測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

以上介紹的四種測(cè)試方法都是現(xiàn)階段土木工程行業(yè)在進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量時(shí)常用的測(cè)試手段。但是從測(cè)試結(jié)果來看,不同測(cè)試方法的結(jié)果與理論值相比,顯示出了不同的精度。電阻式應(yīng)變片的測(cè)量精度最高,這是由于應(yīng)變片是基于金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng),即金屬絲的電阻隨被測(cè)構(gòu)件的變形而改變,它所感知的是一個(gè)平均應(yīng)變。它具有靈敏度高、質(zhì)量小、尺寸小等特點(diǎn),同時(shí)它不僅能作為靜態(tài)測(cè)量,而且可以在動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析方面發(fā)揮獨(dú)特的作用。但是,它又有粘貼工作量大,重復(fù)使用困難,粘貼質(zhì)量要求高,受溫度效應(yīng)影響以及防潮防水等方面的缺點(diǎn)。

引伸計(jì)和數(shù)顯千分表由于受到標(biāo)距長(zhǎng)度以及安裝的限制,在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用比較少。一般適合于金屬結(jié)構(gòu),如鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量。

雖然振弦傳感器的測(cè)量精度,相對(duì)于應(yīng)變片等來說有一定的差距(這點(diǎn)可以在與理論值的相對(duì)誤差中反映出來)。但是振弦傳感器有著獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式并以振弦頻率的變化量來表征受力的大小,因此具有長(zhǎng)期零點(diǎn)穩(wěn)定的性能。同時(shí)它又有著使用方便,便于回收利用,在長(zhǎng)期、靜態(tài)測(cè)試中振弦傳感器良好的電磁穩(wěn)定性,這些電阻式應(yīng)變片無法比擬的優(yōu)點(diǎn)顯示出了其廣闊應(yīng)用和發(fā)展的前景。

各種測(cè)量手段在不同的場(chǎng)合顯示出了不一樣的優(yōu)越性。因此在實(shí)際工程中,選擇測(cè)量方法時(shí)應(yīng)該因地制宜,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來做出合理的選擇,才能達(dá)到最佳的測(cè)量效果。相信隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步,各種集成化、自動(dòng)化、高精度、高速度、高穩(wěn)定性、適用范圍更廣的測(cè)量設(shè)備和測(cè)試手段將更好的為我們服務(wù)。

[1]章關(guān)永.橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2]夏祁寒.應(yīng)變片測(cè)試原理及在實(shí)際工程中的應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(28):99-100.