應變式結構斷面錯動測試裝置開發與應用

范 亮，李鴻巖，郭思均

應變式結構斷面錯動測試裝置開發與應用

范 亮1，李鴻巖1，郭思均2

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

為了精確測量結構斷面錯動微量值、解決傳統測量方法存在的問題，自主設計了一套結構斷面錯動測試裝置。該裝置由彈簧片形成的小梁、固定端、應變測量系統等組成。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；通過改變應變測量系統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，可以進行單向測量和雙向動態測量。該裝置適用性強，測量精度為±0.002 mm，具有較強的應用價值。

組合結構；錯動微量；彈簧片

組合結構、疊合結構及拼裝結構等由于材質、構造、工藝等因素，結構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生一定的微量滑移，產生的滑移對結構的剛度和強度有較大的影響[1]，因此精準地測量滑移量就顯得尤為重要。國內外在進行鋼-混凝土組合結構[2-7]、梁柱節點變形[8-11]和弦支穹頂索撐節點滑移[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行，而且百分表或千分表在測量時需要進行改裝設計，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變間有明確的力學關系，通過該關系，將梁端位移與截面應變相關聯。因此，通過量測截面應變，可以得到斷面錯動量值，一般情況下，該應變與錯動量值間的關系為線性關系。

圖1 錯動量與梁端位移關系原理圖

1.1 斷面錯動量與梁端位移的關系

1.2 梁端位移與截面應變的關系

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

圖2 梁端位移與截面應變關系原理圖

將彈簧片形成的小梁一端固定、一端施加一個強制位移，且對應的外力為，測得受彎區段任一點的縱向線應變，代入小梁的彎矩方程確定其方程的系數，進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變表達式為

中性軸曲率半徑有如下關系：

將（2）代入（1）得應變計算公式為

在=位置截面的應變為

外力的表達式為

從材料力學可知，小梁的撓曲線方程為

當=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變的關系為

斷面錯動量與任意截面線應變的關系為

2 測試裝置設計

2.1 裝置構造

由圖3可知，該測量裝置由固定端Ⅰ、固定端Ⅱ、應變片和小梁組成。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；小梁上設置有鋼珠和應變片；鋼珠設置在離固定端Ⅱ近邊距離為的位置，提供位移施加點；應變片設置在離固定端Ⅱ近邊距離為的位置，用于測量截面應變值；當斷面Ⅰ和斷面Ⅱ的接觸面發生錯動時，鋼珠位置處產生位移，通過應變片處測量的截面應變值計算出斷面錯動位移。

圖3 裝置構造平面圖

2.2 適用說明

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

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，為了準確測量，應根據實際情況合理設計小梁的長度和厚度。

根據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循壞錯動的疲勞測量。

3 裝置實際測試結果與分析

該裝置的工作原理表明，界面錯動量與小梁應變為線性關系。以下將對該裝置進行標定，同時驗證其測試精度及穩定性。

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；

應變片：3 mm電阻應變片，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定的數據確定。

圖4為量測裝置的標定示意圖。具體標定過程如下：

圖4 裝置標定圖

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

（2）將小梁上的應變片以1/4橋路形式連接應變儀；

（3）打開應變儀與相應的軟件進行調試；

（4）將千分表與小梁緊密接觸，對應變儀進行平衡清零；

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

（6）記錄數據；

（7）對多個裝置重復上述步驟經行標定。

按照上述步驟分別對6個量測裝置進行標定，標定結果見表1和圖5。

表1 裝置標定數據表

圖5 應變與位移關系曲線

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

表2 裝置標定精度計算表 mm

裝置的測量誤差絕對值多數為0.001 mm和0.002 mm，將表中所有差值的絕對值平均數作為精度的范圍，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構曲率誤差、安裝誤差、應變讀數誤差、標定誤差等。

（1）結構曲率誤差。在原理中，結構斷面的左右兩部分只發生平行錯動，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，界面兩側結構存在曲率[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。標定的過程中，位移的施加方向與小梁垂直。將標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度來盡量地減小，此誤差可以忽略。

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

5 結語

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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

國家自然科學基金項目（51608080）；重慶市自然科學基金項目（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，研究方向為組合結構。E-mail: 27466944@qq.com

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