混凝土工作應力測量方法的研究

摘 要：在建筑結構的工作應力檢測中，常采用電測——環孔法測量混凝土的工作應力，由于該方法操作難度大，在工程中實用度并不高。因此，本文將數字圖像技術引入到混凝土工作應力測量中，結合應力釋放法測試混凝土的實際工作應力。該方法可以有效的解決傳統電測——環孔法測量工作應力時引線與環孔的相互干擾問題，并可以提高測量精度，可以推廣到實際工程中去。

關鍵詞：混凝土；工作應力；數字圖像相關技術；環孔法

隨著我國經濟的快速發展，國內建成的建筑物數目急劇地增加，混凝土材料在工程中的運用也越來越廣泛。一般建筑物的使用壽命為50～100年，在使用過程中混凝土結構是否安全直接關系到整座建筑物的成敗，決定著人民的生命安全和財產安全，影響著我國國民經濟的穩步增長。混凝土結構的安全性不僅僅取決于前期的勘察、設計及施工過程的技術和管理，很大程度上依賴于后期對混凝土結構的健康監測和加固修復。建筑物結構的實際工作應力是檢測建筑物是否健康的重要指標，也是建筑物加固修復的重要參數。因此，對混凝土結構的建筑物實際工作應力的量測是很有必要的。

由于混凝土材料的是非均質、不等向的，內部有氣孔和縫隙，加之它微觀的內應力、變形和裂縫形態都很復雜，使混凝土工作應力的測量變得非常困難。因此，如何既簡單又準確地測量混凝土的工作應力成為實際工程中難以解決的問題之一。雖然，目前有很多學者在該方面的做了不少的研究，得出了一些研究成果，混凝土建筑物的工作應力測量方法基本有了一個方向，但仍然沒有得出一個權威有力的測量方法，所以對混凝土工作應力的測量方法需要做進一步的研究。

1 工作應力的測量方法

1.1 引言

目前，不同工程領域中工作應力的測量方法不同。最常用的測量方法可分為兩大類，一類是混凝土無破損檢測方法，另一類是半破損或微破損方法。采用無破損檢測方法往往測量過程繁瑣、要求高，且有很大的測量誤差，所以目前工程中多采用微破損方法測量混凝土的工作應力，以應力釋放法為主。環孔法是應力釋放法的一種，其操作簡單，直接可靠的特點，使得環孔法成為混凝土建筑物工作應力測量的主要方法。

1.2 環孔法

環孔法的基本原理是采用局部破壞使環孔內混凝土應力釋放，通過測定環孔內混凝土的應力釋放值來估計和推斷結構的實際應力。在測量結構某點的工作應力時，沒有必要將結構構件完全截斷，實際只需要在測點的周圍開一定深度的環孔，解除測試點周圍的約束產生彈性變形，結構表面的應力得以重新分布，當環孔深度達到一定值時，測點處的工作應力完全釋放出來，通過測量測點處的應變變化情況，就可以求出該點的實際工作應力。應力釋放值的測量一般以電測法為主，即采用應變片測量環孔內的應力釋放值。

電測——環孔法測量混凝土結構的工作應力雖然原理簡單、操作方便，但在工程中并沒有廣泛使用，主要有三個方面的原因。第一應變片測量應變時，所測應變值是其敏感柵覆蓋面積內構件表面的平均應變，不能獲得整個在測量區域的全程應變；并且應變片的讀數易受到溫度、濕度以及粘貼劑的影響；粘貼位置稍微偏移以為影響測量精度。第二是適用性不強，應變片需要用引線與靜態應變儀連接，因此引線和切孔會相互干擾，容易造成應變片損壞，難以獲得測量結果。第三，由于混凝土材料具有非均質性、各向異性的特點，導致測量誤差較大。因此，對已有混凝土結構的工作應力測量方法仍在探索之中。

2 工作應力測量方法的提出

由于采用環孔法與應變片結合測試混凝土內工作應力存在各種缺陷，難以高效、客觀、準確地識別混凝土的實際工作壓力。因此本文提供一種基于數字圖像相關方法的混凝土工作應力測量方法。數字圖像相關方法是一種光學測量方法，用于測量物體表面的位移及應變。基本原理是使用數字攝像機采集被測物體表面的變形前后的散斑圖像，再對散斑圖像進行對比的算法，得出物體表面變形過程的全場位移和全場應變。數字圖像相關方法不僅具有非接觸、全場測量等電測法無法比擬的優勢，而且相對于其他光測方法具有實驗設備和過程簡單、對光源及測量環境要求較低、易于實現測量過程的自動化、使用范圍廣泛等優勢。

2.1 VIC-3D全場應變測量系統

VIC-3D全場應變測量系統是采用的數字圖像相關技術原理生產出來的一套測量物體全場應變的儀器，該系統再測量過程中只需2臺數字攝像機用于圖像的采集，采集待測物體表面變形前及變形后的圖像，經對比運算后可以得出3D全場應變的數據分布。

2.2 數字圖像相關方法與環孔法的結合

首先通過打磨、噴漆等方式在混凝土結構表面形成人工散斑場，然后在混凝土表面切開一定大小和深度的槽，釋放混凝土的應力，并利用固定的高精度相機獲取環孔前后的混凝土表面數字圖像，匹配對應圖像子區獲得表面的面內位移，再通過局部區域的位移場進行最小二乘擬合，得到局部區域位移分布場函數，最后通過對位移求偏導數可得環孔區域的全場應變場分布。由此可得到槽中心一定半徑范圍內的平均應變ε，采用公式σ=Eε，即可計算混凝土的工作應力，其中E為混凝土的彈性模量。

3 總結

本文在測量混凝土表面應變時采用非接觸式的全場應變方法數字圖像測量技術，無需在檢測面上預埋應變片，最大程度地減小了混凝土切割與應變測量的干擾，減小了操作難度和測量誤差。同時，通過全場應變測量，可以計算環孔中心一定范圍內的平均應變，減少了由于混凝土表面非均勻性帶來的測量誤差。在滿足測量精度的情況下，可以減小傳統的應力釋放的切割大小和深度，對混凝土的損壞性小，屬于微損性檢測，操作簡單，可以方便地應用于現場，快速測量混凝土的工作應力。

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作者簡介：

鄧世琴（1991-），重慶墊江人，碩士，水利工程專業，研究方向：水工建筑物設計理論及健康診斷技術方向。