張 軍

（總裝備部工程兵科研一所，江蘇無錫214035）

野外低溫環(huán)境條件下工程結(jié)構(gòu)的單系統(tǒng)雙環(huán)境測試方法

張 軍

（總裝備部工程兵科研一所，江蘇無錫214035）

采用單系統(tǒng)雙環(huán)境的測試方法對野外低溫環(huán)境條件下的工程結(jié)構(gòu)進行力學(xué)性能測試。通過加配測試車來構(gòu)建雙環(huán)境。試驗時采用單一測試系統(tǒng)，其中測試儀器和測試計算機布置于溫度比較高的測試車環(huán)境內(nèi)，將能適應(yīng)低溫的傳感器直接固定在工程結(jié)構(gòu)本體上的低溫環(huán)境內(nèi)，利用專用的信號線實現(xiàn)傳感器與測試儀器之間的數(shù)據(jù)通訊。位移與應(yīng)變的對比驗證性試驗說明了該方法是準(zhǔn)確和有效的。鋼桁橋野外低溫環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)動應(yīng)變測試結(jié)果表明，單系統(tǒng)雙環(huán)境的測試方法可有效地進行野外大型結(jié)構(gòu)的低溫力學(xué)性能測試。

計量學(xué)；低溫力學(xué)性能測試；工程結(jié)構(gòu)；單系統(tǒng)雙環(huán)境測試方法；應(yīng)變；位移；鋼桁橋

1 引 言

我國各地的最低氣溫差別很大，其中溫度最低的黑龍江省最低溫度達(dá)到了-53℃，北京、天津、河北等地的最低溫度低于-20℃，在青藏高原高寒地帶，最低氣溫也在-40℃以下。研究表明［1，2］，在低溫條件下，結(jié)構(gòu)材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)與常溫條件下相比將會發(fā)生變化。這些變化會或多或少地影響整體結(jié)構(gòu)的承載能力、穩(wěn)定性、可靠性以及安全性。因此，在野外低溫環(huán)境條件下對工程結(jié)構(gòu)進行實際使用狀態(tài)下的位移、應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)的測試是一項非常有意義的工作。

目前，國內(nèi)外開展的主要是模擬環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)低溫試驗［3～5］，既有材料等級的小規(guī)模低溫結(jié)構(gòu)試驗，也有在實驗室內(nèi)進行構(gòu)件和縮比模型的低溫結(jié)構(gòu)試驗，但是在野外低溫環(huán)境條件下對工程結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場檢測的報道還不多見。本文主要是探索野外低溫環(huán)境下進行工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測試方法的可行性與準(zhǔn)確性。

2 測試方法簡介

2.1 現(xiàn)有測試儀器的工作溫度

2.2 單系統(tǒng)雙環(huán)境測試方法

為了適應(yīng)低溫環(huán)境條件下工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、位移等力學(xué)特性測試，所解決的措施是：試驗采用一套測試系統(tǒng)，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集分析部分和傳感部分，另加配測試車。其數(shù)據(jù)采集部分主要包括測試儀器和含有對應(yīng)測試軟件的測試計算機；傳感部分主要包括應(yīng)變計和位移傳感器等傳感設(shè)備。在野外低溫環(huán)境條件下進行工程結(jié)構(gòu)檢測時，將數(shù)據(jù)采集部分布置于測試車［6］內(nèi)，將傳感部分如位移傳感器、應(yīng)變計等傳感設(shè)備直接固定在工程結(jié)構(gòu)本體上。車內(nèi)的溫度可以人為地調(diào)節(jié)到測試儀器的工作溫度范圍內(nèi)，利用能適應(yīng)低溫環(huán)境的信號線將傳感器與數(shù)采前端相連，進而實現(xiàn)低溫環(huán)境條件下的工程結(jié)構(gòu)力學(xué)特性測試。

為了便于工程結(jié)構(gòu)本體上的傳感器與車內(nèi)的數(shù)據(jù)采集前端進行數(shù)據(jù)通訊，在測試車車身的側(cè)面設(shè)計了對外信號接口。為了防止車內(nèi)熱量的流失，對外信號接口設(shè)有2道門，外門采用剛性結(jié)構(gòu)，測試時打開；內(nèi)門為柔性的防水絨布密封套結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。

位移傳感器和應(yīng)變計選用可適合低溫環(huán)境的傳感設(shè)備。例如位移傳感器可選用KS20拉線式位移傳感器，該傳感器工作溫度為-45℃～105℃。應(yīng)變計可以直接在市面上根據(jù)測試環(huán)境溫度的需求進行選購，如可選用CFLA-1.350-11單柵應(yīng)變計和CFRA-1.350-11三柵應(yīng)變花，其工作溫度范圍為-196℃～50℃。

圖1 對外信號接口局部放大圖

3 測試準(zhǔn)確性試驗

單系統(tǒng)雙環(huán)境測試方法從技術(shù)手段上解決了野外低溫環(huán)境條件下的工程結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測試可行性問題。下面主要從位移與應(yīng)變這2個參數(shù)入手，通過對比的方法來進行驗證性試驗。

3.1 位移測試的準(zhǔn)確性驗證試驗

試驗采用2只不同環(huán)境溫度條件下的位移傳感器來進行對比試驗（如圖2所示）。位移傳感器采用KS20拉線式位移傳感器，測試儀器為DH5902動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將一只KS20拉線式位移傳感器固定于高低溫環(huán)境箱中，將拉線末端與長木塊連接。長木塊一端位于環(huán)境箱中，另一端位于室內(nèi)環(huán)境條件下。另一只對比校準(zhǔn)用的KS20拉線式位移傳感器固定于室溫環(huán)境條件下，拉線末端與長木塊另一頭相連。

（1）實施匯報：項目單位實行定期定時匯報制度。第一，項目單位在每月下旬報送本月服務(wù)數(shù)據(jù)報表、下月工作計劃；第二，項目單位在每季度結(jié)束后10日內(nèi)完成本季度工作自評報告和服務(wù)季刊；第三，項目單位在每年度末形成項目特色文字材料；第四，項目單位按時報送全年自評報告；第五，所有上報的資料需通過區(qū)縣（自治縣）民政局婚姻登記機關(guān)的審核，由項目管理聯(lián)絡(luò)員上報給中心。

試驗臺架上安裝長木塊移動軌道，使長木塊沿直線運動。安裝位移傳感器時，兩個位移傳感器的拉線共線，且通過長木塊的對稱軸線，并與長木塊軌道平行。

圖2 位移驗證性試驗裝置

移動長木塊，測試不同環(huán)境溫度條件下位移傳感器的位移值，利用兩者位移大小相等、方向相反的原理來進行驗證性試驗。試驗時，環(huán)境箱內(nèi)環(huán)境溫度的順序為：室溫，0℃，-20℃，-30℃，-35℃，-40℃。每個溫度條件下（保溫30min）進行一次動態(tài)位移試驗。各溫度環(huán)境條件下位移傳感器的時域曲線如圖3所示（t為測試時間；d為位移值），圖中3_1 Ch1表示環(huán)境箱外部傳感器的位移值，3_2 Ch2表示環(huán)境箱內(nèi)部傳感器的位移值。

各種溫度條件下的兩傳感器所測結(jié)果相對誤差如表1所示。

從圖3和表1可以看出，2種溫度環(huán)境條件下的測試結(jié)果吻合較好，相對誤差不超過5%，說明本文方法的位移測試在-40℃以上的溫度環(huán)境條件下可以正常工作，且測試結(jié)果準(zhǔn)確度比較高。

表1 不同溫度時傳感器測結(jié)果相對誤差

3.2 應(yīng)變測試的準(zhǔn)確性驗證試驗

采用等應(yīng)變懸臂梁來進行試驗驗證。如圖4所示為一等應(yīng)變懸臂梁結(jié)構(gòu)，該梁長L，梁高h(yuǎn)（為常數(shù)），固定端梁寬b0。建立直角坐標(biāo)系，原點在固定端的梁截面形心處，在橫坐標(biāo)x處截面的寬度為b，則該截面的慣性矩為

根據(jù)梁彎曲變形原理［7］，該梁的撓曲線近似微分方程可表示為積分得

式中C和D分別為待定常數(shù)。

將式（1）代入式（3）中，得

在該梁的固定端，轉(zhuǎn)角和撓度均為零，即

把邊界條件（5）和（6）代入式（4），得等應(yīng)變梁的撓曲線方程

圖3 各種溫度環(huán)境下的位移對比曲線

圖4 等應(yīng)變懸臂梁結(jié)構(gòu)圖

最大撓度為梁的自由端，其撓度值f為

懸臂梁的彎曲應(yīng)變?yōu)?/p>

對于如圖5所示的等應(yīng)變梁由于彎曲引起的截面最大應(yīng)變?yōu)?/p>

由式（8）和式（10），則等應(yīng)變梁上的應(yīng)變可以用懸臂梁自由端的撓度來表示：

根據(jù)式（11）可以計算出等應(yīng)變懸臂梁的最大彎曲應(yīng)變，通過對直接測得的應(yīng)變結(jié)果與理論分析相一致的方法［8］來驗證本文測試方法的準(zhǔn)確性。

試驗裝置如圖5所示。試驗時，將等應(yīng)變懸臂梁固定端（截面尺寸最大）與底座的剛性部位連接，自由端與滑輪繩索相連，并在自由端處布置前述已驗證合格的拉線式位移傳感器。等應(yīng)變梁長320 mm，梁高4 mm。

圖5 應(yīng)變驗證性試驗裝置

在等應(yīng)變梁的前后表面共布置5個應(yīng)變片（如圖6所示），利用能適應(yīng)低溫環(huán)境條件的導(dǎo)線將其與室溫環(huán)境中的動態(tài)應(yīng)變儀相連，拉線式位移傳感器與動態(tài)撓度儀相連。等應(yīng)變梁通過滑輪機構(gòu)進行加載。

圖6 應(yīng)變片布局圖

試驗時，試驗箱內(nèi)環(huán)境溫度的順序為：室溫，0℃，-20℃，-30℃，-35℃，-40℃。各種溫度環(huán)境條件下各測點應(yīng)變與測試撓度換算的應(yīng)變時域變化曲線如圖7所示，其中1_1 Ch1、1_2 Ch2、1_3 Ch3、1_4 Ch4、1_5 Ch5分別表示1到5號測點的應(yīng)變測試結(jié)果時域曲線，D S表示利用所測試的位移結(jié)果換算的理論應(yīng)變時域曲線。

各種溫度條件下的應(yīng)變測試結(jié)果相對誤差如表2所示。

表2 不同溫度時應(yīng)變測試結(jié)果相對誤差

從圖7和表2可以看出，不同溫度環(huán)境條件下的各測點應(yīng)變結(jié)果與自由端位移換算的理論結(jié)果基本上是相符的，換算應(yīng)變與直接測得的應(yīng)變之間的誤差不超過5%。說明本文所建方法的應(yīng)變測試可以測試-40℃溫度以上環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，且測試準(zhǔn)確度比較高。

4 野外低溫環(huán)境下簡支鋼桁架橋通載試驗

在-36℃溫度條件下，對某80 m長的簡支鋼桁架橋在履帶車輛荷載通過條件下的結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)變問題進行了檢測。采用本文的方法，測得橋頭斜腹桿（xf）、豎腹桿（sf）以及跨中下弦桿（xx）、上弦桿（sx）的應(yīng)變動態(tài)曲線如圖8和9所示。

5 結(jié) 語

通過增加測試車建立了野外低溫環(huán)境條件下工程結(jié)構(gòu)的單系統(tǒng)雙環(huán)境測試方法。不同溫度環(huán)境條件下位移和應(yīng)變的對比試驗驗證了該方法是合理、可行、準(zhǔn)確的。該方法可推廣泛應(yīng)用于野外低溫等惡劣環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)檢測。

圖7 各種溫度環(huán)境下的應(yīng)變對比曲線

圖8 單個履帶車輛作用下橋梁應(yīng)變測點時域曲線

圖9 3輛車連續(xù)通過橋梁應(yīng)變測點時域曲線

］

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Single System across Two Environments Testing Method for Engineering Structures on the Field Condition under Low Tem perature

ZHANG Jun
（The First Engineers Scientific Research Institute of the General Armaments Department，Wuxi，Jiangsu 214035，China）

The single system across two environments testingmethod is presented for inspectingmechanical parameters of engineering structures on the field condition under low temperature.Two differentenvironments are established by adding testing vehicle.Test can be carried outwith a single test system，in which test instruments and computers are arranged in the vehicle environment of higher temperature，but the low-temperature sensors are fixed on the tested structures in low temperature environment directly.Testing data can be transmitted between the instruments and sensors by special signal wire.A trail of contrast experiments on displacement and strain indicates that the presentmethod is rational and accurate.The results on a steel truss bridge show that the present testingmethod of single system across two environments can test mechanical behaviors of engineering structures on the field condition under low temperature effectively.

Metrology；Mechanical property testing at low-temperature environment；Engineering structures；Testing method of the single system across two environments；Strain；Displacement；Steel truss bridge

TB93

：A

：1000-1158（2015）03-0284-05

10.3969／j.issn.1000-1158.2015.03.13

2013-05-10；

：2013-08-05

張軍（1977-），男，安徽樅陽人，工程兵科研一所工程師，博士，主要從事結(jié)構(gòu)分析與試驗研究。zj_163mail＠163.com