應(yīng)變式結(jié)構(gòu)斷面錯動測試裝置開發(fā)與應(yīng)用

范 亮，李鴻巖，郭思均

應(yīng)變式結(jié)構(gòu)斷面錯動測試裝置開發(fā)與應(yīng)用

范 亮1，李鴻巖1，郭思均2

（1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400041；2. 云南建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000）

為了精確測量結(jié)構(gòu)斷面錯動微量值、解決傳統(tǒng)測量方法存在的問題，自主設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)斷面錯動測試裝置。該裝置由彈簧片形成的小梁、固定端、應(yīng)變測量系統(tǒng)等組成。通過改變小梁的長度和厚度控制測量裝置的分辨率和工作范圍；通過改變應(yīng)變測量系統(tǒng)的橋路組合以滿足測量方向的要求。該裝置可以直接測量近距離兩點間的錯動量，可以進(jìn)行單向測量和雙向動態(tài)測量。該裝置適用性強(qiáng)，測量精度為±0.002 mm，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值。

組合結(jié)構(gòu)；錯動微量；彈簧片

組合結(jié)構(gòu)、疊合結(jié)構(gòu)及拼裝結(jié)構(gòu)等由于材質(zhì)、構(gòu)造、工藝等因素，結(jié)構(gòu)表面留有接縫或斷面接觸面，而這些接縫或斷面在荷載作用下會產(chǎn)生一定的微量滑移，產(chǎn)生的滑移對結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度有較大的影響[1]，因此精準(zhǔn)地測量滑移量就顯得尤為重要。國內(nèi)外在進(jìn)行鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)[2-7]、梁柱節(jié)點變形[8-11]和弦支穹頂索撐節(jié)點滑移[12]等的測量中，均將斷面間的滑移值測量作為實測主要參量之一。然而迄今為止，測量斷面滑移的方式主要是利用各類百分表或千分表進(jìn)行，而且百分表或千分表在測量時需要進(jìn)行改裝設(shè)計，自身的體積決定了其無法測量極近距離兩點的位移量[13]（即斷面滑移量）。

1 測試裝置工作原理

如圖1所示，將彈簧片制成的小梁跨過錯動界面，一端固定，另一端隨相對錯動點移動，斷面錯動量轉(zhuǎn)化為小梁的梁端位移。對于有確定邊界、材料及尺寸的小梁，其梁端位移與任意截面的應(yīng)變間有明確的力學(xué)關(guān)系，通過該關(guān)系，將梁端位移與截面應(yīng)變相關(guān)聯(lián)。因此，通過量測截面應(yīng)變，可以得到斷面錯動量值，一般情況下，該應(yīng)變與錯動量值間的關(guān)系為線性關(guān)系。

圖1 錯動量與梁端位移關(guān)系原理圖

1.1 斷面錯動量與梁端位移的關(guān)系

1.2 梁端位移與截面應(yīng)變的關(guān)系

圖2中，①為彈簧片制成的小梁；②為梁的撓曲線；③為應(yīng)變測量位置；④為小梁的橫截面形式。

圖2 梁端位移與截面應(yīng)變關(guān)系原理圖

將彈簧片形成的小梁一端固定、一端施加一個強(qiáng)制位移，且對應(yīng)的外力為，測得受彎區(qū)段任一點的縱向線應(yīng)變，代入小梁的彎矩方程確定其方程的系數(shù)，進(jìn)而求出小梁的撓度方程，用求出的撓度方程即可計算施加的位移。

從材料力學(xué)可知，彈簧片形成的小梁任意橫截面上任一點處的縱向線應(yīng)變表達(dá)式為

中性軸曲率半徑有如下關(guān)系：

將（2）代入（1）得應(yīng)變計算公式為

在=位置截面的應(yīng)變?yōu)?/p>

外力的表達(dá)式為

從材料力學(xué)可知，小梁的撓曲線方程為

當(dāng)=時，小梁B端的位移為

因此，得到梁端位移與任意截面縱向線應(yīng)變的關(guān)系為

斷面錯動量與任意截面線應(yīng)變的關(guān)系為

2 測試裝置設(shè)計

2.1 裝置構(gòu)造

由圖3可知，該測量裝置由固定端Ⅰ、固定端Ⅱ、應(yīng)變片和小梁組成。小梁的一端固定于固定端Ⅱ，固定端Ⅱ固定在斷面Ⅰ的表面，固定端Ⅰ固定在斷面Ⅱ的表面；小梁上設(shè)置有鋼珠和應(yīng)變片；鋼珠設(shè)置在離固定端Ⅱ近邊距離為的位置，提供位移施加點；應(yīng)變片設(shè)置在離固定端Ⅱ近邊距離為的位置，用于測量截面應(yīng)變值；當(dāng)斷面Ⅰ和斷面Ⅱ的接觸面發(fā)生錯動時，鋼珠位置處產(chǎn)生位移，通過應(yīng)變片處測量的截面應(yīng)變值計算出斷面錯動位移。

圖3 裝置構(gòu)造平面圖

2.2 適用說明

通過（8）式推出分辨率及最大量程的表達(dá)式分別為式（9）和式（10）。量程范圍內(nèi)小梁的變形段在其線彈性范圍內(nèi)。

從式（9）和式（10）可以看出，裝置的分辨率與小梁的長度和厚度有關(guān)系，小梁的長度越大，裝置的測量分辨率就越低，量程就越大。反之，小梁長度越小，裝置的測量分辨率就越高，量程就越小。因此，為了準(zhǔn)確測量，應(yīng)根據(jù)實際情況合理設(shè)計小梁的長度和厚度。

根據(jù)實際的需要該裝置可以制作成單向測量裝置（將圖3中固定端Ⅰ去掉一半即可）；也可做成雙向測量裝置（圖3所示）。雙向測量裝置可以用于反復(fù)循壞錯動的疲勞測量。

3 裝置實際測試結(jié)果與分析

該裝置的工作原理表明，界面錯動量與小梁應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系。以下將對該裝置進(jìn)行標(biāo)定，同時驗證其測試精度及穩(wěn)定性。

采用的裝置尺寸及材料為：

固定端Ⅰ：5 mm×5 mm×5 mm方磁鐵；

固定端Ⅱ：10 mm×10 mm×5 mm方磁鐵；

小梁：=1.5 cm、=0.3 mm的鋼片；

應(yīng)變片：3 mm電阻應(yīng)變片，位置0.75 cm。

在實際制作中，由于操作誤差，小梁的長度和應(yīng)變片的位置不可能控制得很好，只能無限地接近，所以每一個裝置分辨率的計算值和真實值存在一定的誤差，該測量裝置的精度需要通過標(biāo)定的數(shù)據(jù)確定。

圖4為量測裝置的標(biāo)定示意圖。具體標(biāo)定過程如下：

圖4 裝置標(biāo)定圖

（1）待標(biāo)定裝置為單向量測裝置，將量測裝置與千分表固定于標(biāo)定臺之上，使千分表的中心對準(zhǔn)小梁上的位移施加點，且小梁與千分表的中心線垂直；

（2）將小梁上的應(yīng)變片以1/4橋路形式連接應(yīng)變儀；

（3）打開應(yīng)變儀與相應(yīng)的軟件進(jìn)行調(diào)試；

（4）將千分表與小梁緊密接觸，對應(yīng)變儀進(jìn)行平衡清零；

（5）給小梁逐級施加位移并采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，每一級為0.1 mm，施加到0.5 mm時停止加載；

（6）記錄數(shù)據(jù)；

（7）對多個裝置重復(fù)上述步驟經(jīng)行標(biāo)定。

按照上述步驟分別對6個量測裝置進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見表1和圖5。

表1 裝置標(biāo)定數(shù)據(jù)表

圖5 應(yīng)變與位移關(guān)系曲線

可以看出，在小梁的線彈性工作范圍內(nèi)，梁端位移與截面應(yīng)變成線性關(guān)系。表中0.1~0.5 mm為加載范圍，也是梁端的實際位移，應(yīng)變值與分辨率的積值為測量值，通過測量值與經(jīng)標(biāo)定的千分表讀數(shù)間的差值確定該裝置的精度，精度分析結(jié)果見表2。

表2 裝置標(biāo)定精度計算表 mm

裝置的測量誤差絕對值多數(shù)為0.001 mm和0.002 mm，將表中所有差值的絕對值平均數(shù)作為精度的范圍，通過計算的測量精度為±0.002 mm。

4 誤差分析

用該裝置量測的誤差主要有結(jié)構(gòu)曲率誤差、安裝誤差、應(yīng)變讀數(shù)誤差、標(biāo)定誤差等。

（1）結(jié)構(gòu)曲率誤差。在原理中，結(jié)構(gòu)斷面的左右兩部分只發(fā)生平行錯動，因此梁端的位移就等于斷面錯動量。如圖6所示，組合梁受彎時，鋼與混凝土界面滑移后，界面兩側(cè)結(jié)構(gòu)存在曲率[14]時，由于小梁總有一定的長度，與理想的零間距有偏差，此時，梁端位移與真實的界面滑移由于曲率的原因，將有一定的誤差，稱之為曲率誤差。

圖6 組合梁中鋼與混凝土界面滑移量測量

圖7 曲率誤差示圖

圖8 滑移測量實物圖

（2）安裝誤差。標(biāo)定的過程中，位移的施加方向與小梁垂直。將標(biāo)定好的量測裝置固定在斷面上方時，因為人為操作，小梁與錯動方向垂直度略有偏差，造成安裝誤差。此種誤差可以通過提高安裝的精準(zhǔn)度來盡量地減小，此誤差可以忽略。

（4）標(biāo)定誤差。因為每一個測量裝置都需要進(jìn)行標(biāo)定確定其精度，當(dāng)精度較低時，裝置的分辨率應(yīng)采用標(biāo)定值。在標(biāo)定過程中需要人為進(jìn)行讀數(shù)來控制位移施加的大小，讀數(shù)的大小存在誤差，讀數(shù)誤差導(dǎo)致標(biāo)定也存在誤差。此種誤差很小且可以通過提高讀數(shù)的準(zhǔn)確度來減小誤差，因此這種可以忽略。

5 結(jié)語

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Development and application of strain-type cross-section misalignment testing device

FAN Liang1, LI Hongyan1, GUO Sijun2

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400041, China; 2. Yunnan Investment Holding Group Co., Ltd., Kunming 650000, China)

In order to accurately measure the micro-displacement of structural cross-section and solve the problems existing in traditional measurement methods, a set of testing device for structural cross-section dislocation is independently designed. The device consists of trabecula, fixed end and strain measuring system formed by spring sheet. The resolution and working range of the measuring device are controlled by changing the length and thickness of the trabecula, and the bridge-road combination of the strain measuring system is changed to meet the requirements of the measuring direction. The device can directly measure the staggered momentum between two points in close range, and one-way measurement and two-way dynamic measurement can be carried out. This device has strong applicability and measurement accuracy of (±0.002 mm), and has strong application value.

composite structure; misalignment trace; spring blade

TU398

A

1002-4956(2019)12-0077-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.018

2019-04-13

國家自然科學(xué)基金項目（51608080）；重慶市自然科學(xué)基金項目（cstc2018jcyjAX0509）；云南省交通運輸廳科技項目（2018-28）

范亮（1979—），女，安徽蕪湖，博士，教授，研究方向為組合結(jié)構(gòu)。E-mail: 27466944@qq.com

李鴻巖（1993—），男，山西陽泉，碩士研究生，研究方向為組合結(jié)構(gòu)。E-mail: 1029897902@qq.com