混凝土结构温度应力特性及测定方法研究.pdf

8 低温建筑技术 2 0 1 2年第 2 期 总第 1 6 4期 混凝土结构温度应力特性及测定方法研 究 郭超 天津大学建筑工程学院 ， 天津3 0 0 0 7 2 【 摘要】 为了探究测定不同轴向约束程度下的混凝土构件中温度应力的方法， 设计试验对混凝土中应力 状态进行了观测。根据实验结果， 探讨了温度应力的特性及根据混凝土应变计所测数据间接获得温度应力的方 法。结果表明， 弹性约束下温度应力与温度呈现出较好的线性相关性， 约束程度会影响温度应力的变化速率。 【 关键词】 温度应力； 振弦式应变计； 弹性约束 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 2 0 2 0 0 0 8 0 3 温度应力是一种重要的结构荷载， 有时甚至会成为导 致结构破坏的关键荷载， 数值计算分析方法 已能处理各种 复杂结构的温度应力及其分布状况， 但如何测定混凝土结 构温度应力的大小， 仍是一个有待解决的科学难题； 目前大 量的振弦式应变计被埋入混凝土结构中， 用来监测结构的 真实应力状态， 由于应变计受到温度的影响不能直接反映 出结构中的应力， 使得如何合理的分析这些数据成为一个 需要解决的问题 。 试验的目的在于进一步了解温度应力的特性， 并根据 这些特性寻求一种基于应变计实测数据考虑端部约束的温 度影响修正公式。若修正公式可以引用到工程观测资料来 分析混凝土结构的真实应力状态， 不仅对环锚预应力混凝 土衬砌隧洞在线监测预警预报具有重要意义⋯ ， 而且是一 项有普遍意义的研究课题。 1 试验设计 试验制作了一个圆柱体混凝土试件， 设计混凝土强度 等级为 C 3 0 ， 每 m 混凝土的配合 比 重量 比 为 水泥 沙 石 水 3 5 2 6 4 9 1 2 6 0 1 8 51 1 ． 8 4 3 ． 5 8 0 ． 5 3 ， 实测立方 体抗压强度平均值为4 9 ． 5 MP a 。截面尺寸 Dl l 0 mm， 为了 保证试件端部的平整， 试件两端用切割机各切去 1 5 mm， 切 割后其高度 日3 7 0 m m。 图1试验装置示意图 在埋置应变计时， 特用钢丝及铁片焊制了一固定架， 并 将应变计置于其中， 使得即使在振捣混凝土时， 应变计仍然 在模具的中心位置。热敏电阻紧贴在应变计表面， 如图 1 。 试验中使用型号为 B HR一4的 1 0 T称重式压力传感器对产 生的温度应力进行监测， 试验采用型号为 G HB一3混凝土振 弦式应变计 自行编号为 3 9 3 7 ， 其标定计算公式为 8 3 ． 1 6 2 4 x 1 0 - 4 f 一 f 一8 0 5 3结语 文中提出了一种混凝土或砂浆中亚硝酸根离子含量的 测定方法， 只需在混凝土或砂浆表面喷洒异氢酸酯显色液 即可， 利用色差计可对混凝土或砂浆 中亚硝酸根离子的含 量进行半定量分析。本方法由于异氢酸酯显色液与亚硝酸 根离子高特异性的识别能力 ， 避免 了其它离子的干扰， 提高 了检测准确度。本方法无需在混凝土或砂浆表面喷洒酸性 指示液， 避免了酸性指示液对混凝土或砂浆的性能造成影 响， 检测方法简单 ， 快速 ， 实用性强， 具有很好 的推广应用 前景 。 参考文献 [ 1 ] S ． M．A b d E l H a l e e m，S ， A b d E 1 Wa n e e s ．E n v i r o n m e n ta l f a c t o r s a ff e c t i n g t h e c o r r o s i o n b e h a v i o r o f r e i n f o r c i n g s t e e l I V． Va r i a t i o n i n t h e pit t i n g c o r r o s i o n e u v f e n t i n r e la t i o n t o t h e c o n c e n t rat i o n of t h e a g g l i v e a n d t h e i n h i b i t i v e ani o n s [ J ] ．C o r r o s i o n S c i e n c e ， 2 0 l 0 ， 5 2 5 1 6 7 51 6 8 3 ． [ 2 ] M S 6 n c h e z ，M C A l anS O ．E l e c t r o c h e m i c a l c h l o r i d e remo v al i n re． i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s I mp r o v e me n t of e ff e c d v e n e s s b y s i re u l t a n e o u s m i g r a ti o n of c al c i u m n i t ri t e [ J ] ． C o n s t r u c t i o n and B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 1 ， 2 5 2 8 7 38 7 8 ． [ 3 ] S M A b d E l H al e e m． S Ab d E l Wa n e e s ．E n v i r o n m e n t a l f a c t o r s a f - f ec t i n g t h e c o r r o s i o n b e h a v i o r of mi n f o mi n g s t e e 1 ．I V． Va r i a t i o n i n the p i t t i n g c o r r o s i o n c u r r e n t i n r e l i o n t o the c o n c e n t r a t i o n of t h e a g g r e s s i v e and t h e i n h i b i t i v e ani o n s [ J ] ． C o r r o s i o n Sci e n c e ， 2 0 1 0 ， 5 2 5 1 6 7 51 6 8 3 ． [ 收稿日期】 2 0 1 1 1 0 2 6 [ 作者简介】 褚李栋 1 9 9 2 一 男， 浙江宁波人， 研究方向 从事 建材产品 的开发。 郭超 昆凝土结构温度应力特性 及测定方法研 究 9 厂 k 一T o 式中， 为对应 的应变值 8 为初始频率Hz 为经 温漂修正后的频率 H z 为 i 时刻的实测频率 Hz ， k0 ． 2 3 为温漂修正系数 ， 为 i 时刻应变计所处环境温度 ℃， 为 初始时刻环境温度 ℃。 施加温度荷载时， 采用低温宽型 电热带和防爆温度控 制器来施加温度荷载， 该电热带属于 D X W 系列 自限温式电 热带 ， 最高维持温度为7 0 5 ℃。电热带 自下而上紧密缠绕 在圆柱体的表面。接通电源即可对混凝土表面进行加温。 由于温度是由外至内传导的， 当停止加温时， 内部温度 仍会继续升高， 如果不对试件进行保温设计， 当内部温度达 到峰值时就会快速下降， 不能有效的获得短期稳定温度下 各个仪表的读数， 最终造成较大的误差或错误。为了获得 较稳定的数据， 对于混凝土试件需要进行保温处理 ， 在电热 带外部喷涂了4 0 m m厚的硬质聚氨酯泡沫。 为了设计不同的弹性约束， 根据混凝土试件弹性模量 ， 采用了弹性模量为 2 ． 2 E 3的聚甲醛棒， 在约束装置为理想 固定端的假设下， 以混凝土试件产生不同约束为 目的， 经过 计算将其加工了直径 d1 1 0 m m、 高度 h分别为 2 O 、 4 0 、 6 0 、 8 0、 1 0 0 m m的小圆柱体。将其置于试件上端 ， 以充当弹性约 束 ， 压力传感器置于聚甲醛圆柱和固定约束之间， 监测试件 端部作用力。在试件和聚甲醛 圆柱之间， 设有测量辅助钢 片， 三块千分表架设于辅助钢片上， 用于测量混凝土试件在 变温作用下的伸长量。 经过保温处理混凝土试件在停止加温后 ， 使仪表获得 了稳定的温度区间和稳定频率区间。根据这些区间出现的 规律 ， 制定了如下加热制度 共加热 6次， 从首次加热开始计 时， 每次加热的时间点分别是第 0 、 4 1 、 8 2 、 1 2 1 、 1 5 7 、 1 9 8 m i n ， 每次的加热时长分别是 3 、 5 、 7 、 1 5 、 3 6 m i n ， 各仪表读数时间 点分别第 0、 3 5、 7 5 、 1 1 5、 1 9 3 、 2 5 2 ra i n 。 2 试验 结果分析 2 ． 1 约束程度 在实际结构中， 混凝土构件受到各式各样的约束 ， 基本 上可分为内部约束和外部约束。这些约束都非常复杂， 为 了能在实验室做到量化模拟其约束程度 ， 将这些约束简化 为单轴约束。并认为时间所受约束程度为 k R 1 一生 1 0 0 ％ 1 f 式中， s 为试件在约束条件下的伸长应变； 研 为试件不 受约束时的伸长应变。 通过使用不同高度 的聚甲醛圆柱体来调整 ， 即实现 约束的调节。 2 ． 2 温度应力特性的实验研究 为了探求温度应力的特性， 将设计的试件置于压力机 上， 具体布置见示意 图。通过电热带给试件加温并实时监 测试件内部温度的变化， 停止加温后当温度稳定时， 记录试 件的伸长量和试件中应变计的读数， 随后立即对试件施加 压力， 当应变计读数变化 2 H z 时， 记录千分表的读数并继续 加压， 直到千分表的变化量等于试件 的伸长量时记录压力 机上的压力。 表 1 压缩 应力与理论应力 计算理论应力时认为处轴向固定约束下的试件中产生 的温度应力 △ E a △ ， 即认为被压缩的受温度影响 应产生的自由应变全部都产生了应力。从表 1中可以看出， 压缩应力要比理论应力小。从而说明该推算方法的假设存 在一定问题 ， 即不是所有 的自由应变都会产生应力。在温 度荷载作用下， 从图2中可以看出不同约束程度下试件中的 轴向温度应力与温度呈j 见 较好的线性关系， 且其增长速率 受到约束程度的影响。 -．-约柬一 约束二 约束三 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 温度变化 △r 图2试件中的温度应力 根据应变计所测应变算得的温度应力见图 3 ， 图中应变 计的数据也与温度有一定的线性关系， 且在相同的温度变 化下 ， 应力的变化量不相同。 b 司 杈 倒 温 度变 化 △7 ． 图3应变计所测温度应力 2 ． 3 温度应力的测定方法 目前在工程结构中没有直接测温度应力的设备 ， 但温 度应力是一个很重要 的温度荷载， 探求一种获得温度应力 的方法是一项非常有意义的工作。文中探索了弹性约束下 试件中的温度应力、 应变计所得温度应力及温度三者之间 的关系， 即温度应力和应变计所得温度应力均与温度有着 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 2 1 1 0 0 司 1 0 低温建筑技术 2 0 1 2 年第 2 期 总第 1 6 4期 线性关系， 所以只需要对应变计所得的温度应力修正一个 关于温度的一次函数就能得到试件的温度应力。 2 ． 3 ． 1 温度应力公式模型 文献[ 3 ]中提出了针对振弦式应变计的应变修正量的 公式 O t 一O ／ A t ， 其中O ／ 为钢弦的线膨胀系数， 且一般 认为其离散性很小可取 1 ． 21 0 ／ ℃， O ／ 为混凝土的线膨 胀系数 ， 需要根据现场的实际情况进行取值。 文中为了考虑约束程度对应变计的影响， 在公式 s 一 A t 的基础上， 认为考虑约束的温度应变修正量是 8 ％ 一 △ c ， 其中 根据约束程度 k 来确定 ， 则可建立如下公式模型 0占 j E hO t O ／ k △ ‘ E 2 由于同种约束下温度应力和应变计所得温度应力都与 温度呈现出较好的线性性质 ， 即应变修正量也是和温度呈 现着线性关系。 公式 2 中也能够体现出温度应力的修正量 和温度线性相关， 进一步说明公式模型 2 式是合理的。 2 ． 3 ． 2 初探确定 的方法 是考虑约束程度的产物 ， 暂且认为其主要影响因素 是约束程度 k ， 次要影响因素不明， 并认为 是关于 k 的 函数， 且包含常数项即次要因素的影响。 基于实验数据， 根据式 2 由线性拟合得到参数 ， 各 试验结构的约束程用该结构下根据公式 1 获取的约束程 度的平均值 来表示。 O t 与 k 的关系见图4 。 0 ． 8 0 ． 6 6 O ． 4 o ． 0 2 0 ． O 0 ． 2 ◆ 一龙 踊 ◆ ＼ 0 ． 8 4 0 ． 8 6 0 ．8 8 o ． 9 o n 15 4 与 的关系 对数据进行二次多项式拟合， 建立 与 k 的关系如下 式 k 一 1 ． 7 9 X 1 0。 3 ．03 X 1 0 一 1 ． 2 7 X 1 0。 3 2 ． 3 ． 3修正公式的使用 根据结构形式确定平均轴向约束程度， 对3种试验结构 中应变计所得应力进行修正。 三种实验结构的的不同之处 弹性元件的高度分别为 2 0 、 6 0 、 1 0 0 m m， 它们的约束程度分 别为 7 5 ． 3 9 ％、 6 7 ． 5 9 ％、 6 4 ． 3 3 ％， 根据公式 3 可得 k ， 具 体见表2 ， 将应变计的结果进根据公式 2 进行修正， 应变计 所得应力在经过温度修正前后的对照见表 2 。 表中数据表明 该测定方法基本可行 ， 结果误差基本小 于3 0 ％， 满足工程应用。 3 结语 文中通过设计的试验对不同程度的单轴约柬下的混凝 土试件进行了温度应力的观测 ， 通过分析实验数据得到了 温度应力的一些特性及相关的测定方法 即同一种约束下， 温度与温度应力基本线性相关 ； 不同约束下温度应力的增 长速率不相同； 若根据实际应变来计算应力， 其中会包含一 定比例的名义应力， 其比例的多少与约束程度有关。 根据温 度应力的特性， 通过约束程度确定约束折减系数 d ， 并使用 公式 3 对应变计实测应力进行修正后， 其结果可以满足工 程应用。 关于 O t 与 k 的关系仍需要进一步研究。 表2 修正结果对照 参考文献 【 1 ] 申琪玉 ， 陈守兰 ．无粘结预应力混 凝土结构 耐久性研 究 【 J ] ． 建筑技术开发 ， 2 0 0 5 ， 3 ． [ 2 ] 胡曙光， 陈静． 混凝土温度 一应力检测原理与装备[ M] ．北 京 国防工业出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 陈常松 ， 颜东煌 ， 陈政 清 ， 涂光亚 ， 田仲初 ．混凝土振 弦式 应变 计测试技术探究【 J ] ．中国公路学报 ， 2 0 0 1 ， 1 ． [ 收稿 日期 ] 2 0 1 11 O一2 6 [ 作者简介] 郭超 1 9 8 7一 ， 男 ， 湖北宜 昌人 ， 硕 士， 研究方 向 温度应力的测定。