工作應(yīng)力的測(cè)量方法

馮 偉

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院）

工作應(yīng)力的測(cè)量方法

馮 偉

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院）

工程結(jié)構(gòu)實(shí)際的工作應(yīng)力是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全性和可靠性非常重要的參數(shù)，這也是很多學(xué)者的研究方向。本文回顧了幾種主要的機(jī)械釋放工作應(yīng)力的方法測(cè)量殘余應(yīng)力，以及他們最新的發(fā)展?fàn)顩r。結(jié)合已有的應(yīng)力釋放方法，本文主要探討了開(kāi)矩形圓底槽應(yīng)力釋放方法。

工作應(yīng)力；機(jī)械釋放應(yīng)力；開(kāi)槽

1 緒論

工作應(yīng)力是指材料中的應(yīng)力與構(gòu)件在周?chē)母鞣N因素作用下相平衡的作用應(yīng)力。這些應(yīng)力主產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程，構(gòu)件鏈接方式，周?chē)鷾囟葓?chǎng)作用及化學(xué)作用[1]。這些應(yīng)力是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非均勻的彈性或彈塑性變形。

工作應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的工作壽命以及材料的變形性能是至關(guān)重要的，過(guò)大的工作應(yīng)力作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)減小了材料的安全儲(chǔ)備，一方面增大了結(jié)構(gòu)的變形,由于應(yīng)力過(guò)大會(huì)造成工作重分布可使結(jié)構(gòu)的剛度下降同時(shí)降低其空間的承載能力[2]；另一方面結(jié)構(gòu)暴露在惡劣的環(huán)境中工作應(yīng)力加上極端的溫度變化，結(jié)構(gòu)超載，化學(xué)腐蝕將會(huì)造成結(jié)構(gòu)耐久性的損失[3]，應(yīng)力腐蝕，以及蠕變開(kāi)裂[4]。大量的工程事故的災(zāi)難都是因?yàn)楣ぷ鲬?yīng)力過(guò)大而引發(fā)。因此對(duì)已建結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力的測(cè)量非常重要，是準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)受力狀況，評(píng)估結(jié)構(gòu)承載力及使用性能，結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的重要手段之一[5]。

2 混凝土工作應(yīng)力測(cè)試

目前，在土木工程中，工作應(yīng)力測(cè)試主要還是在鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)中應(yīng)用，由于鋼結(jié)構(gòu)中鋼材在組織結(jié)構(gòu)上細(xì)密，均勻，宏觀上表現(xiàn)為受力均勻，各項(xiàng)同性的特點(diǎn)，其測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確可靠。因此，近年來(lái)在實(shí)際工程中就有學(xué)者利用工作應(yīng)力檢測(cè)方法來(lái)測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力。由于混凝土材料本身的特性，組成材料的離散性較大，并存在大量的微裂縫和空隙，在宏觀上，如何準(zhǔn)確測(cè)量出混凝土的工作應(yīng)力一直是實(shí)際工程中比較棘手的問(wèn)題，雖然這方面的研究成果層出不窮，構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)試基本也有了一個(gè)思路，但該領(lǐng)域還是有很大的發(fā)展空。

到目前為止已有許多學(xué)者在混凝土工作應(yīng)力測(cè)試方面做了許多研究，下面列舉幾種主要方法，并提出一種簡(jiǎn)單易行的工作應(yīng)力測(cè)試方法的分析思路。

2.1 盲孔法

盲孔法[6]是量測(cè)殘余應(yīng)力的一種方法。盲孔法作為量測(cè)殘余應(yīng)力的一種方法發(fā)展較成熟，近年來(lái)相關(guān)工作者對(duì)其作了大量研究，從理論分析、到實(shí)際操作中的各種工藝因素、誤差來(lái)源等進(jìn)行了深入的研究，使其日超完善，目前已成為工程上最常用的殘余應(yīng)力測(cè)量方法。

2.2 環(huán)孔法

環(huán)孔法[7]，也可以叫刻槽法，其工作原理是依據(jù)局部應(yīng)力解除法的力學(xué)原理。為了測(cè)試工程構(gòu)件中某一點(diǎn)的應(yīng)力而完全截?cái)鄻?gòu)件是沒(méi)有必要的，實(shí)際上只用開(kāi)一定深度的槽在測(cè)點(diǎn)周?chē)?，解除測(cè)點(diǎn)附近的約束使之產(chǎn)生彈性恢復(fù)變形從而導(dǎo)致構(gòu)件的應(yīng)力重新分布，如果槽深達(dá)到一定高度時(shí)，即可使局部測(cè)點(diǎn)處工作應(yīng)力全部釋放，通過(guò)釋放測(cè)點(diǎn)應(yīng)變量測(cè)，就可以求出該點(diǎn)的工作應(yīng)力。

2.3 開(kāi)矩形槽法

文獻(xiàn)[8]對(duì)環(huán)孔法做出改進(jìn)，提出對(duì)凝土柱如果單向受壓，僅需要在測(cè)點(diǎn)周?chē)钜粋€(gè)邊長(zhǎng)為10cm，深度為3.4cm的正方形槽，就可以將位于該正方形中心的測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力釋放出來(lái)，然后通過(guò)應(yīng)變片的變形算出其應(yīng)力。

2.4 條形槽法

文獻(xiàn)[8]結(jié)合已有的混凝土應(yīng)力測(cè)試方法的分析與討論，機(jī)械的開(kāi)槽方式工序都比較繁雜，為了減少開(kāi)槽的次數(shù)提出開(kāi)矩形圓底條形槽的開(kāi)槽方式進(jìn)行應(yīng)力的釋放的方式進(jìn)行應(yīng)力釋放。為開(kāi)槽過(guò)程中盡量的減少應(yīng)力的擾動(dòng)[9]選擇開(kāi)槽的間距為10cm，槽長(zhǎng)10cm。研究其開(kāi)槽深度為多少時(shí)能夠?qū)⑵鋺?yīng)

完全釋放進(jìn)而測(cè)量其工作應(yīng)力。用 ANSYS近似模擬長(zhǎng)寬高分別為60*60*30cm。在其中間對(duì)稱位置上切2條槽，研究不同深度應(yīng)力的釋放量。

開(kāi)條形槽時(shí)由于只釋放了兩側(cè)的約束另外兩側(cè)的約束依舊存在，因此在2條形槽的中垂線上應(yīng)力不是均勻分布的有從兩邊向中間逐漸遞減的趨勢(shì)。因此為了尋找在不同的深度應(yīng)力釋放后在2條形槽的中垂線上應(yīng)力的分布曲線，發(fā)現(xiàn)其是否有什么內(nèi)在的規(guī)律可以指導(dǎo)實(shí)踐。在開(kāi)槽深度為 32mm時(shí)中垂線上的應(yīng)力分布如圖1，從中可以看出中垂線上應(yīng)力的分布以及其中的分布特點(diǎn)。

圖-1

圖中的平緩段的長(zhǎng)度在15mm，這樣的結(jié)果很有指導(dǎo)意義。但并不是所有的深度都會(huì)出現(xiàn)這樣的一個(gè)平穩(wěn)段，在開(kāi)槽深度為34mm時(shí)的應(yīng)力釋放曲線如圖2。其殘余應(yīng)力為0.35MPa，但不存在平穩(wěn)段曲線，但也可以選取在其中間10mm布置應(yīng)變片測(cè)量其工作應(yīng)力。

圖-2

3 小結(jié)

從有限元的模擬分析可以看出平行矩形雙槽口的深度不同，其中垂線上應(yīng)力釋放曲線也各不相同。有限元模擬模擬矩形槽是相當(dāng)理想的情況，并沒(méi)有外界的任何干擾的影響，但有限元的計(jì)算得到的應(yīng)力釋放曲線作為下一步實(shí)驗(yàn)分析和工程運(yùn)的理論基礎(chǔ)，具有重要的指導(dǎo)意義。

本文詳細(xì)介紹了各種工作應(yīng)力的測(cè)試法及其特點(diǎn)，并提出開(kāi)雙矩形槽的方式獲得應(yīng)力釋放曲線，來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐工作。

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