結(jié)構(gòu)應變測試溫度應變補償技術(shù)之謬誤

張開銀 方來文 龔彥峰 范智皓

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (水下隧道技術(shù)湖北省工程實驗室2) 武漢 430063)

0 引 言

結(jié)構(gòu)應變測試是獲取外力作用下結(jié)構(gòu)物各部位應力狀態(tài)常用的技術(shù)手段，在航空、船舶、機械、建筑等工程領域得到了廣泛應用，對準確掌握結(jié)構(gòu)的真實應力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)安全具有重要意義[1].

外力作用下的結(jié)構(gòu)，其應力-應變具有明確的對應關系，即已知結(jié)構(gòu)的應變便可確定結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài).處于變化溫度場中的工程結(jié)構(gòu)，由于材料熱脹冷縮(或熱縮冷脹)的物理特性，其受力狀態(tài)與應變的對應關系(與溫度分布、結(jié)構(gòu)約束、材料特性等有關)將變得十分復雜[2].試圖從結(jié)構(gòu)復雜的應力狀態(tài)中準確獲取結(jié)構(gòu)的機械應變，就必須有效地消除溫度對結(jié)構(gòu)應變的影響.

目前工程結(jié)構(gòu)應變測試中常用的應變傳感元件有振弦式應變計、光纖光柵應變計和電阻應變片.本文針對這三種傳感元件，討論不同溫度場及約束條件下結(jié)構(gòu)溫度應力產(chǎn)生的實質(zhì)和溫度補償技術(shù)的基本原理.在此基礎上，指出了現(xiàn)有傳感器中普遍使用的溫度補償技術(shù)是錯誤的，原因是：該技術(shù)將結(jié)構(gòu)在溫度作用下產(chǎn)生的自由應變作為溫度應力產(chǎn)生的原因，忽略了使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應力的是被約束的應變趨勢這一事實.最后得出溫度補償技術(shù)在實際工程結(jié)構(gòu)的應變測試過程中不能有效修正溫度應變的結(jié)論，同時給出了保證應變測試數(shù)據(jù)盡可能接近結(jié)構(gòu)真實應力狀態(tài)的條件.

1 結(jié)構(gòu)溫度場與溫度應力

處于自然環(huán)境中的工程結(jié)構(gòu)，溫度應力的產(chǎn)生因素包括年溫差和局部溫差.年溫差影響，即氣溫隨季節(jié)發(fā)生周期性變化時，結(jié)構(gòu)所受溫度場的影響.年溫差影響是一個相對緩慢的過程，一般認為同一時間段結(jié)構(gòu)溫度場是均勻的，即結(jié)構(gòu)體內(nèi)不存在溫度梯度.對于這類溫度應力，通過長期觀測，給出不同溫度下結(jié)構(gòu)測試應變影響系數(shù)來修正[3].局部溫差影響，即環(huán)境溫度影響下，結(jié)構(gòu)各部位溫度不斷發(fā)生改變，形成不均勻且變化的溫度場，從而產(chǎn)生相應的溫度應力[4].對于這類溫度應力，目前工程界普遍采用“溫度補償技術(shù)”對結(jié)構(gòu)應變測試過程中所測應變進行修正.

由彈性理論可知，結(jié)構(gòu)所處溫度場發(fā)生變化時，其各部位的應變也將隨著溫度的升高或者降低而趨于變大或者減小，這種趨于變大或減小的應變趨勢受到外界約束和內(nèi)部各部位間的相互約束不能自由發(fā)生，從而產(chǎn)生了溫度應力[5].也就是說，處于變化溫度場中的結(jié)構(gòu)，其體內(nèi)任意一點的溫度應力，是由被約束住的應變趨勢產(chǎn)生，且該應變趨勢是這點溫度變化所產(chǎn)生的應變趨勢與體內(nèi)其他各點溫度變化對這點產(chǎn)生的應變趨勢共同作用的結(jié)果.

(1)

圖1 結(jié)構(gòu)溫度應變示意圖

(2)

圖2 結(jié)構(gòu)溫度分布示意圖

2 結(jié)構(gòu)溫度補償原理

2.1 振弦式傳感器

振弦式傳感器溫度補償?shù)脑硎钦J為傳感元件與結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，即傳感元件與結(jié)構(gòu)變形一致，通過獲取傳感元件的應變來得到結(jié)構(gòu)的應變，用測點實測的應變值減去測點處溫度差與傳感器的溫度系數(shù)之積，即為測點的真實應變[6-7].

ε=ε測-ε溫=ε測-(T-T0)(α-α0)

(3)

式中：α為結(jié)構(gòu)的溫度系數(shù)；α0為鋼弦的溫度系數(shù)；T為測點溫度；T0為基準溫度；ε測為傳感器所測應變；ε溫為待修正的溫度應變.

2.2 光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器溫度補償?shù)脑硗瑯诱J為傳感元件與結(jié)構(gòu)變形一致，用應變傳感元件所測波長偏移減去溫度傳感元件的波長漂移，除以應變靈敏系數(shù)，即為測點的真實應變[8-10].

(4)

式中：Δλε為應變傳感器的波長漂移值；ΔλT為應變傳感器的波長漂移值；αε為應變靈敏度系數(shù).

2.3 電阻應變片傳感器

電阻應變片傳感器溫度補償?shù)脑硎沁x擇一塊與結(jié)構(gòu)材料相同的物塊作為溫度補償塊，置于測點周圍，在其表面貼上相同類型的電阻應變片，用測點所測應變減去補償塊所測應變，即為測點真實應變[11].

ε=ε測-ε溫=ε測-αΔT

(5)

式中：α為補償塊材料熱膨脹系數(shù)；ΔT為測點處溫度變化.

以上三種應變傳感器溫度補償?shù)姆椒ú煌?，但原理一致，即用應變傳感元件所測應變剔除溫度影響下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應變.該原理只考慮了測點周圍溫度對結(jié)構(gòu)溫度應變的影響，而忽略了溫度場形式、結(jié)構(gòu)外部約束和體內(nèi)其他部位對該測點的影響；其修正的對象是結(jié)構(gòu)在對應溫度下產(chǎn)生的自由應變，而非被約束的應變趨勢.

3 溫度應變修正

3.1 均勻溫度場

圖3 均勻溫度下結(jié)構(gòu)應變示意圖

3.1.1靜定結(jié)構(gòu)

(6)

使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應力的真實應變?yōu)?/p>

ε修=ε真

(7)

溫度補償技術(shù)在均勻溫度場靜定結(jié)構(gòu)的應變測試中可行.

3.1.2超靜定結(jié)構(gòu)

(8)

(9)

將式(9)代入式(8)得

(10)

使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應力的真實應變

(11)

3.2 非均勻溫度場

3.2.1靜定結(jié)構(gòu)

圖4為非均勻溫度場中的靜定結(jié)構(gòu)，由圖4可知，各點初始應變不相同.當溫度升高ΔT時，結(jié)構(gòu)各點由于初始應變的不同而存在相互約束，導致各點應變的變化程度不同，各點的溫度應力也不相同.

圖4 非均勻溫度場中的靜定結(jié)構(gòu)

因此，處在非均勻溫度場中的靜定結(jié)構(gòu)，各部位產(chǎn)生的應變趨勢同樣存在被約束和未被約束兩部分，被約束的應變趨勢無法準確測得.同理，溫度補償技術(shù)在非均勻溫度場靜定結(jié)構(gòu)的應變測試過程中不能起到有效的修正作用，還可能讓測試結(jié)果更加偏離實際值.

3.2.2超靜定結(jié)構(gòu)

圖5為非均勻溫度場中的超靜定結(jié)構(gòu)，溫度變化ΔT時，應變趨勢存在被約束和未被約束兩部分，只是多了外部多余約束后，各點間的相互影響變得更加復雜，更難對被約束的應變趨勢進行準確的分析計算.因此，溫度補償技術(shù)在非均勻溫度場超靜定結(jié)構(gòu)的應變測試過程中不能起到有效的修正作用，還可能讓測試結(jié)果更加偏離實際值.

圖5 非均勻溫度場中的超靜定結(jié)構(gòu)

溫度補償技術(shù)只能對均勻溫度場靜定結(jié)構(gòu)這種簡單狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)進行溫度補償，對其他稍復雜狀態(tài)下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應變無法準確修正.

4 結(jié) 束 語

現(xiàn)有的溫度補償技術(shù)在實際工程結(jié)構(gòu)的應變測試過程中不能對溫度應變進行有效修正.其原因在于該技術(shù)混淆了溫度應力和機械應力的概念，對溫度應力產(chǎn)生的基本原理存在錯誤的認識.

結(jié)構(gòu)應變測試技術(shù)中溫度應力很難得到有效修正的主要原因是影響溫度應力的原因眾多且復雜，如結(jié)構(gòu)所處溫度場形式、約束形式以及體內(nèi)各部位間的相互聯(lián)系.同時，由于結(jié)構(gòu)任意一點處的溫度應變是由該點溫度變化和其他各部位溫度變化共同作用產(chǎn)生的，因此很難對使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應力的應變趨勢進行準確的分析計算，這也是溫度應變修正的難點所在.

在工程結(jié)構(gòu)的應變測試過程中，為使所測結(jié)果盡可能接近結(jié)構(gòu)的真實應力狀態(tài)，應避免在復雜的非均勻溫度場中進行，盡量選擇早晨或者夜晚這種溫度場相對均勻的時段來進行測試.