一种考虑混凝土收缩徐变影响的支撑轴力监测方法及系统与流程

专利2022-05-09  2


本发明属于岩土力学监测技术领域,更具体地,涉及一种考虑混凝土收缩徐变影响的支撑轴力监测方法及系统。



背景技术:

钢筋混凝土支撑监测中需要得到的是支撑在外力作用下产生的应变,实际监测过程中,传感器应变监测的准确性受到多种因素的影响,包括温度、混凝土收缩、徐变、弹模的非线性等,这些因素会导致监测所得到的应变大于外力所产生的应变,工程实践中经常出现支撑轴力监测值偏大的现象,有时甚至超过构件承载力,但其它监测数据及现场巡视却未见异常。张开伟在文献“支护结构混凝土支撑轴力受力组成分析研究”中通过截断混凝土支撑,并在断面上设置混凝土支撑轴力计进行支撑轴力监测,测试结果表明:混凝土实际轴力值约为混凝土支撑现场监测轴力值的30%~40%。这种轴力监测值与支撑实际轴力值差别巨大的现象经常困扰着各方。

目前混凝土支撑轴力监测通常是采用埋入振弦式钢筋计或应变计的方法,通过测定传感器频率的变化得出支撑梁的应变量,并通过轴力计算公式计算得到支撑轴力。《城市轨道交通工程监测技术规范》gb50911-2013规定,结构应力监测应排除温度变化等因素的影响,且钢筋混凝土结构应排除混凝土收缩、徐变以及裂缝的影响。目前一般通过对钢筋计监测值进行温度补偿来消除温度的影响,例如,中国发明专利“钢筋混凝土支撑轴力监测数据的优化方法”(cn201310536162.2)中,通过在钢筋混凝土支撑的截面上以均匀分布方式布置n个钢筋应力计,以构成n个监测点,所述钢筋应力计具备测温单元,其后将测得的钢筋混凝土支撑轴力减去温度效应产生的力,即可得到较为真实的钢筋混凝土支撑轴力。而对于混凝土收缩与徐变以及混凝土弹性模量的影响,目前还没有有效的监测方法来考虑这种影响,一般通过理论推导来计算混凝土支撑的轴力值。由此可见,支撑轴力监测值与实际轴力值差别很大,目前还没有考虑混凝土收缩与徐变以及混凝土弹性模量影响的有效的监测方法。



技术实现要素:

针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种考虑混凝土收缩徐变影响的支撑轴力监测方法及系统,其中结合钢筋混凝土支撑结构自身的特征及其轴力测量的工艺特点,并针对现有技术中未考虑混凝土收缩与徐变以及混凝土弹性模量变化对钢筋混凝土支撑轴力的影响,在钢筋混凝土支撑的主筋部分设置多个钢筋计和剪切力传感器,将多个剪切力传感器进行相应的预拉和粘贴处理,同时,将多个剪切力传感器串联连接,以此方式,可通过钢筋计实现支撑梁的应变量检测,同时,通过多个剪切力传感器的检测数据,实现因混凝土收缩与徐变对钢筋混凝土支撑轴力的影响的监测,也可间接消除混凝土弹性模量变化对支撑轴力的影响,提高钢筋混凝土支撑轴力计算精度。本发明具有钢筋混凝土支撑轴力计算精度高、造价成本低、结构简单等特点,因而尤其适用于基坑混凝土支撑轴力的监测。

为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提出了一种考虑混凝土收缩徐变影响的支撑轴力监测方法,包括以下步骤:

s1钢筋混凝土支撑浇筑之前,沿钢筋笼长度方向将钢筋笼四角或四边中点对应位置的主筋截断一段,截取长度与钢筋计相等,并在主筋截断处安装钢筋计;

s2沿主筋长度方向均匀布设多个剪切力传感器,即将剪切力传感器的应变片进行预拉,使应变片处于绷紧状态,将预拉后的应变片环绕贴合到主筋上;

s3将钢筋计在相应的主筋截断位置进行焊接固定;

s4浇筑混凝土,并在混凝土支撑施工完成后,基坑未开挖之前,获取钢筋计以及剪切力传感器测得的应变数据;

s5根据剪切力传感器测得的剪切应变计算因混凝土收缩徐变和混凝土弹性模量变化引起的主筋应变,再从钢筋计测得的应变数据中扣除所述钢筋应变,得到主筋的真实应变,最后基于等效应变法计算钢筋混凝土支撑的真实轴力。

作为进一步优选的,步骤s1中,所述钢筋计的横截面积与所述主筋的横截面积相同,所述钢筋计分布呈四边形设置以构成4个监测点,具体是指四个所述钢筋计分布于所述钢筋笼四角或四边中点对应位置。

作为进一步优选的,步骤s2具体包括以下步骤:

将应变片进行预拉,使应变片处于绷紧状态;

沿主筋长度方,对剪切力传感器布设位置处的主筋进行抛光打磨,使主筋的表面平整光滑,然后用脱脂棉球沾丙酮或酒精将打磨处进行清洗,防止打磨的屑末、油污等污染物质的影响;

将绷紧状态的应变片均匀粘贴在清洗干净的主筋处。

作为进一步优选的,步骤s2还包括以下步骤:

在应变片粘贴完毕后,将环形保护装置从截断主筋的一头穿进至粘贴应变片的位置停止,然后采用拧紧环形保护装置的螺丝,使得环形保护装置与应变片紧密贴合。

作为进一步优选的,步骤s5具体包括以下步骤:

s51混凝土的收缩徐变使混凝土与其包裹的主筋之间存在一个剪切作用力,将剪切力传感器测得的剪切应变代入式(1)计算,得到各个剪切力传感器处的剪应力:

τij=gs·γij(1)

式中:τij为剪切力传感器处的剪应力,i为1~n的整数,n为安装剪切力传感器的主筋根数,j为1~m的整数,m为第i根主筋上安装的剪切力传感器的个数,gs为钢筋剪切模量;γij为剪切力传感器测得的剪切应变;

s52根据剪切力传感器的布置情况以及各个剪切力传感器处的剪应力,计算因混凝土收缩徐变以及混凝土弹性模量变化引起的主筋应变:

式中:εi为混凝土收缩徐变以及混凝土弹性模量变化引起的主筋应变,es为钢筋弹性模量,r为主筋的直径,l为同一根主筋上相邻剪切力传感器之间的距离;

s53将钢筋计测得的应变数据代入式(3)得到主筋截面平均应变:

式中:为监测截面平均应变;为第i个钢筋计测得的应变,n为钢筋计的个数;

s54根据主筋截面平均应变,并结合支撑截面的等效应变法计算钢筋混凝土支撑的真实轴力,具体公式如下:

式中:f—钢筋混凝土支撑轴力,ec—混凝土弹性模量,es—钢筋弹性模量,ac—截面混凝土面积,as—截面钢筋面积。

作为进一步优选的,步骤s51中,所述混凝土与其包裹的主筋之间存在的剪切作用力,作用在主筋上的剪切力计算模型如下:

式中:fi为第i根主筋因混凝土收缩徐变受到的剪切力,r为主筋的直径,l为同一根主筋上相邻剪切力传感器之间的距离,m为第i根主筋上安装的剪切力传感器的个数,τij为剪切力传感器处的剪应力。

作为进一步优选的,所述钢筋计与剪切力传感器安装均需在绑扎钢筋混凝土支撑主筋时进行,钢筋计在支撑截面上分布均匀,剪切力传感器沿主筋长度方向分布均匀,同时还要采用保护套管将钢筋计与剪切力传感器的引线套住后引出。

按照本发明的另一个方面,还提供了一种考虑混凝土收缩徐变影响的支撑轴力监测系统,该系统用于实现如权利要求1-7任一项所述的方法,包括多个钢筋计、多个剪切力传感器以及主控模块,其中,

沿钢筋笼长度方向将钢筋笼四角或四边中点对应位置的主筋截断一段,截取长度与钢筋计相等,所述钢筋计在相应的主筋截断位置与所述主筋焊接固定;

所述剪切力传感器包括应变片,所述应变片进行预拉后均匀环绕贴合在所述主筋上,且每根主筋上的多个所述应变片均匀间隔布置;

所述主控模块与多个所述钢筋计和多个剪切力传感器通信连接,用于采集所述钢筋计和剪切力传感器测量得到的数据,并根据剪切力传感器测得的剪切应变计算因混凝土收缩徐变和混凝土弹性模量变化引起的主筋应变,再从所述钢筋计测得的应变数据中扣除所述钢筋应变,得到主筋的真实应变,最后基于等效应变法计算钢筋混凝土支撑的真实轴力。

作为进一步优选的,所述剪切力传感器还包括环形保护装置,所述环形保护装置套设在所述钢筋计上,且每个应变片的两端均设置有一个所述环形保护装置;

所述应变片为摩擦型应变片,所述钢筋计的横截面与所述主筋的横截面相同。

总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,主要具备以下的技术优点:

1.本发明针对现有技术中未考虑混凝土收缩与徐变以及混凝土弹性模量对钢筋混凝土支撑轴力的影响,在钢筋混凝土支撑的主筋部分设置多各钢筋计和剪切力传感器,将多个剪切力传感器进行相应的预拉和粘贴处理,同时,将多个剪切力传感器串联连接,以此方式,可通过钢筋计实现支撑梁的应变量检测,同时,通过多个剪切力传感器的检测数据,实现因混凝土收缩与徐变对钢筋混凝土支撑轴力的影响的监测,也可间接消除混凝土弹性模量变化对支撑轴力的影响,提高钢筋混凝土支撑轴力计算精度。本发明具有造价成本低、结构简单等特点。

2.本发明可对混凝土与钢筋之间的剪切力进行监测,根据相关规范规定以及钢筋混凝土力学计算公式,并结合支撑截面的等效应变法计算钢筋混凝土支撑的真实轴力,具有计算模型简单、钢筋混凝土支撑轴力计算精度高的特点。

3.本发明只增加了若干造价较为便宜的剪切力传感器,相对于传统的监测方法,有利于节省监测成本。

4.本发明剪切力传感器的安装过程简单方便,可配合钢筋计的安装一起进行,有利于节省人力成本。

5.本发明钢筋计的横截面积与所述主筋的横截面积相同,钢筋计分布呈四边形设置以构成4个监测点,同时,每根主筋上的多个应变片均匀间隔布置,以此方式,可实现钢筋混凝土支撑轴力的有效全面监测。

6.本发明多个剪切力传感器串联布置,同时采用环形保护装置对剪切力传感器进行固定和保护,便进行数据采集,排除其它频率信号干扰,测量的精度高。

附图说明

图1是本发明优选实施例涉及的一种考虑混凝土收缩徐变影响的支撑轴力监测方法的流程图;

图2是本发明优选实施例涉及的一种考虑混凝土收缩徐变影响的支撑轴力监测系统的结构示意图;

图3是图2中涉及的剪切力传感器的结构示意图。

在所有附图中,同样的附图标记表示相同的技术特征,具体为:1-钢筋计,2-剪切力传感器,3-主筋,4-箍筋,2-1-摩擦型应变片,2-2-螺丝,2-3-环形保护装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示,本发明实施例提供的一种考虑混凝土收缩徐变影响的支撑轴力监测方法,其主要通过在混凝土支撑的主筋3上布设钢筋计1、剪切力传感器2来实现。所述支撑轴力测点一般布设在支撑中部或两支点间1/3部位,钢筋计1布设在该部位四角或四边的主筋3上,剪切力传感器2沿主筋3的长度方向均匀布设;所述剪切力传感器2由摩擦型应变片2-1、环形保护装置2-3和松紧螺丝2-2组成;所述钢筋计1与剪切力传感器2上的摩擦型应变片2-1配合使用,共同完成对基坑混凝土支撑轴力的监测。

具体而言,本发明一种考虑混凝土收缩徐变影响的支撑轴力监测方法包括以下步骤:

(1)在钢筋混凝土支撑浇筑之前,在需要布设振弦式钢筋计的位置,将钢筋笼四角或四边中点对应位置的主筋截断一段,截取长度与钢筋计相等,具体而言,沿钢筋笼长度方向将钢筋笼四角或四边中点对应位置的主筋截断一段,截取长度与钢筋计相等,并在主筋截断处安装钢筋计。在本发明中,所述钢筋计的横截面积与所述主筋的横截面积相同,所述钢筋计分布呈四边形设置以构成4个监测点,具体是指四个所述钢筋计分布于所述钢筋笼四角或四边中点对应位置。

(2)在主筋截断的位置,沿主筋度方向均匀布设若干剪切力传感器,根据主筋长度和布设距离确定剪切力传感器数量,并标识剪切力传感器布设位置。在本发明中,每根主筋上的剪切力传感器数量相同,布置的间距也相同,同时,多个剪切力传感器串联布置。

(3)对剪切力传感器布设位置处的钢筋进行抛光打磨,使钢筋的表面平整光滑。然后用脱脂棉球沾丙酮或酒精将打磨处进行清洗,防止打磨的屑末、油污等污染物质的影响。

(4)粘贴前对应变片进行预拉,预拉时候的预拉力为1牛力,使应变片处于绷紧状态,在钢筋抛光打磨处用502胶定点固定,使摩擦型应变片环绕贴合到钢筋表面,然后用环氧树脂全面粘贴,注意环氧树脂要涂匀覆盖。

(5)将环形保护装置从截断钢筋的一头穿进,至粘贴了应变片的位置停止,拧紧松紧螺丝,使环形保护装置与应变片紧密贴合。

(6)将钢筋计在相应的钢筋截断位置进行焊接固定。

(7)钢筋计与剪切力传感器安装均需在绑扎钢筋时进行,钢筋计在支撑截面上分布均匀,剪切力传感器沿钢筋长度方向分布均匀,同时还要注意保护引线用保护套管引出。

(8)混凝土支撑施工完成后,基坑未开挖之前,采用振弦式频率读数仪进行读数,并记录温度,通过测量的频率值计算相应的应变数据。再根据剪切力传感器测得的剪切应变计算因混凝土收缩徐变和混凝土弹性模量变化引起的主筋应变,再从钢筋计测得的应变数据中扣除所述钢筋应变,得到主筋的真实应变,最后基于等效应变法计算钢筋混凝土支撑的真实轴力。

计算考虑混凝土收缩徐变以及混凝土弹性模量变化引起的支撑轴力具体包括以下步骤:

首先,混凝土的收缩徐变使混凝土与其包裹的主筋之间存在一个剪切作用力,将剪切力传感器测得的剪切应变代入式(1)计算,得到各个剪切力传感器处的剪应力:

τij=gs·γij(1)

式中:τij为剪切力传感器处的剪应力,i为1~n的整数,n为安装剪切力传感器的主筋根数,j为1~m的整数,m为第i根主筋上安装的剪切力传感器的个数,gs为钢筋剪切模量;γij为剪切力传感器测得的剪切应变。

其中,所述混凝土与其包裹的主筋之间存在的剪切作用力,作用在主筋上的剪切力计算模型如下:

式中:fi为第i根主筋因混凝土收缩徐变受到的剪切力。

其次,根据剪切力传感器的布置情况以及各个剪切力传感器处的剪应力,计算因混凝土收缩徐变以及混凝土弹性模量变化引起的主筋应变:

式中:εi为混凝土收缩徐变以及混凝土弹性模量变化引起的主筋应变,es为钢筋弹性模量,r为主筋的直径,l为同一根主筋上相邻剪切力传感器之间的距离;

接着,将钢筋计测得的应变数据代入式(3)得到主筋截面平均应变:

式中:为监测截面平均应变;为第i个钢筋计测得的应变,n为钢筋计的个数;

最后,根据主筋截面平均应变,并结合支撑截面的等效应变法计算钢筋混凝土支撑的真实轴力,具体公式如下:

式中:f—钢筋混凝土支撑轴力,ec—混凝土弹性模量,es—钢筋弹性模量,ac—截面混凝土面积,as—截面钢筋面积。

如图2和图3所示,按照本发明的另一个方面,还提供了一种用于实现上述方法的系统,该系统包括多个钢筋计2、多个剪切力传感器3以及主控模块。其中,沿钢筋笼长度方向将钢筋笼四角或四边中点对应位置的主筋截断一段,截取长度与钢筋计相等,然后将钢筋计安装于相应的主筋截断位置,钢筋计的两端采用焊接的方式与所述主筋进行固定连接。一般而言,为了减少混凝土支撑结构的应力,钢筋计的横截面积与主筋的横截面积相同。混凝土支撑结构为方形,则分布于其横截面筋笼四角的钢筋统称为主筋,沿钢筋笼长度方向将钢筋笼四角或四边中点对应位置的主筋截断一段,优选的,沿主筋长度方向,每根主筋截断的位置和长度是相同的,以此方式,实现每根主筋支撑轴力变化值的监测。在本发明中,在主筋和钢筋计焊接完毕后,还需对焊接部位进行打磨和清洗,使得焊接部位表面均匀光滑清洁,同时,保证焊接部位的横截面积与主筋的横截面积形同。

此外,所述剪切力传感器3包括应变片,所述应变片进行预拉后均匀环绕贴合在所述主筋上,且每根主筋上的多个所述应变片均匀间隔布置。如图2所示,在本发明的一个实施例中,剪切力传感器3沿相对布置的两根主筋均匀间隔布置,相邻剪切力传感器3之间的距离可根据混凝体支撑结构的大小、支撑力以及剪切力传感器3的测量量程和精度进行确定。为了进一步提高测量的精度,多个剪切力传感器3采用串联的方式连接,以此方式,可方便进行数据采集,排除其它频率信号干扰。

在本发明中,应变片为摩擦型应变片2-1,其用于将被测试件上的应变转换为电阻变化,通过测量该电阻变化来计算被测试件的应变。在本发明的一个优选实施例中,本发明提供的摩擦型应变片2-1包括金属箔以及绝缘基底,即在绝缘基底上,将指定厚度的金属箔,采用光刻或者沉积等方式刻于绝缘基底上,该金属箔可制成各种需要的形状。一般而言,该应变片的厚度不大于0.1mm,且该应变片的横向效应小,应变灵敏度系数大,允许电流密度大,适应性强,即可适用于静态测量,又可适用于动态测量。应变片的灵敏度系数计算模型为:

κ=δr/(rε)

所述主控模块与多个所述钢筋计2和多个剪切力传感器3通信连接,用于采集所述钢筋计2和剪切力传感器3测量得到的数据,并对该数据进行处理,计算因混凝土收缩徐变以及混凝土弹性模量变化引起的主筋应变,进而结合钢筋计测得的应变数据计算主筋的真实应变以及支撑轴力真实值,从而实现对支撑轴力的监测。

所述剪切力传感器3还包括环形保护装置2-3,所述环形保护装置2-3套设在所述钢筋计2上,且每个应变片的两端均设置有一个所述环形保护装置2-3。具体而言,在未安装钢筋计之前,将环形保护装置2-3套设在主筋上,然后移动环形保护装置2-3至应变片2-1为止,拧紧螺丝2-2,使环形保护装置2-3与应变片紧密贴合。在本发明中应变片的两端均设置有一个环形保护装置2-3。

在本发明中,所述主控模块根据剪切力传感器处的剪切力计算公式以及剪切力传感器测得的剪切应,获取各个剪切力传感器处的剪应力;然后根据剪切力传感器的布置情况以及各个剪切力传感器处的剪应力,计算因混凝土收缩徐变以及混凝土弹性模量变化引起的主筋应变,然后根据钢筋计测得的应变数据以及主筋截面平均应变的计算公式计算得到主筋截面平均应变,最后,根据主筋截面平均应变,并结合支撑截面的等效应变法计算钢筋混凝土支撑轴力真实值:

式中,f—钢筋混凝土支撑轴力,ec—混凝土弹性模量,es—钢筋弹性模量,ac—截面混凝土面积,as—截面钢筋面积,为监测主筋截面平均应变。

本发明提供一种与钢筋计配合使用的圆环形剪切力传感器,用于监测由于混凝土收缩、徐变在钢筋上引起的附加应力;为了准确测量混凝土与钢筋之间的剪切力,采用一种可变形的振弦式摩擦型应变片;进一步的,为了对上述应变片进行封装和保护,采用一种圆环形的可调节松紧的保护装置;进一步的,为了测量混凝土与钢筋之间的剪切力沿钢筋长度方向的分布情况,根据需要以均匀分布方式布置n个剪切力传感器,这些剪切力传感器采用串联的方式连接,方便进行数据采集,排除其它频率信号干扰。总体而言,本发明可对混凝土与钢筋之间的剪切力进行监测,本发明可对混凝土与钢筋之间的剪切力进行监测,根据相关规范规定以及钢筋混凝土力学计算公式,并结合支撑截面的等效应变法计算钢筋混凝土支撑的真实轴力。同时,受混凝土支撑施工等因素影响,混凝土模量并非处处相等,本发明沿钢筋长度方向以均匀分布方式布置多个剪切力传感器,可间接消除混凝土弹性模量变化对支撑轴力的影响。相对于传统的监测方法,本发明只增加了若干造价较为便宜的剪切力传感器,有利于节省监测成本、节省人力成本。

在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“设有”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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