结构实验(结构的应力应变测试).ppt

建筑结构试验,南京工程学院,第四章 结构试验数据采集系统重点（习题）,1、绘出应变计1/4桥（另贴温度补偿片）和半桥的桥路连接图，分析半桥和1/4桥两种桥路连接方式应变仪输出应变的特点。2、某矩形截面钢筋混凝土简支梁，截面150mm*300mm，长2000mm，支座间净距1800mm，采用均布加载，应变计温度补偿为工作片互补方式，设计完成试验内容：（1）测试梁纯弯矩引起的最大应变，绘出测点布设简图；（2）绘出应变计桥路连接图，计算测量应变值（测）与梁实际应变值（实)之间的数量关系。3、在碳纤维布加固钢筋混凝土简支梁受弯承载力的实验研究中，若梁长为2.6m，截面为150*300mm，支座净距2.4m，试验研究内容（1）加固后，梁受弯承载力的变化特点；（2）加固后，梁的挠度、裂缝开展及破坏特点，请回答以下问题：（1）绘出简支梁三分点加载试验装置的简图，简要说明各仪器的测量内容；（2）绘出30kN和50kN作用时，梁跨中截面应变沿梁高的分布特征（最大应变为0.0008）4、加载制度 概念,传感器主要内容：,概述机测法(感受机构、转换机构、显示和附属装置)电测法（把非电物理量变化转化成电量变化，感受部分、转换部分、传输和附属装置）其他传感器：光纤、激光、红外线、超声波传感器 一、钢振弦传感器 二、电阻应变式传感器 三、电涡流式传感器非接触式应变数据处理应力应变转换关系,加速度传感器,拉力传感器,振弦式拉力传感器,振弦式土压力传感器,光纤测力传感器,电涡流位移传感器,内埋式光纤温度传感器,概述,根据应力与应变之间的转换关系，通过测结构或构件表面、内部应变来得到结构或构件的应力状态。钢材的拉伸试验中，在其屈服之前，其应力应变之间存在着线性关系 我们就可以通过测应变来测应力，而应变测试方法比较简单，因为根据应变的定义：,概述,式中：应变 测区长度的变化量 测区的原始长度，称之为标距,概述,如在机测中，将 放大后测量；在光测中，将 变化转换光波长的变化；在电阻应变测试技术中，将 转换为传感元件的电阻并进一步转换为电压的变化等等。,概述,应变测试的主要方法：机测法光测法电测法,机测法,定义：利用机械式测试仪器来实现对应变的测量 主要仪器：杠杆引伸仪 手持式应变仪（常用）接触式应变计,机测法,定义：利用机械式测试仪器来实现对应变的测量 主要仪器：杠杆引伸仪 手持式应变仪（常用）接触式应变计,手持式应变仪,手持式应变仪,接触式应变计,千分表,构造：千分表由测杆、齿轮、弹簧、指针和度盘等各种零部件组合而形成四个机构：传感机构（千分表中的触杆）转换机构（千分表中的大小齿轮及弹簧）指示机构（千分表中的指针）机体和保护部分,千分表,机测法,机测法工作原理：将测区长度的变化通过千分表的测杆传递给一组齿轮，通过齿轮将长度的变化进行放大并改变方向，转换为指针在刻度盘上的转动并指示出值，进而计算出应变值。机测法特点：安装便捷，读数方便、准确度高、对环境的适应性强即一般不受温湿度影响以及电磁场的干扰、性能可靠，但灵敏度不高、需要人工测读、速度慢、工作量大。,测振传感器,光测法,定义：利用光的某些特性如波长的变化与应变之间的转换关系，通过光的波长的变化来实现对应变的测量 传感器：光纤布拉格光栅传感器（fiber optic Bragg grating strain sensor）,光纤布拉格光栅传感器,构造：光纤、布拉格光栅组成,表面式光纤应变传感器,内埋式光纤应变传感器,表面式温度光纤传感器,内埋式光纤温度传感器,光纤布拉格光栅传感器,工作原理：式中：光纤光栅的中心波长 纤芯的有效折射率 光栅周期。,光纤布拉格光栅传感器,结构应变势必导致光栅周期的变化这为采用光纤布拉格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。同样温度变化也会引起光栅布拉格波长的变化。波长的变化与应变以及温度的变化可用下式来表示：,光纤布拉格光栅传感器,式中：应变以及温度变化引起的波长变化 光纤光栅不受应变及温度变化的中心波长 待测应变 为温度变化量 光纤光栅应变传感灵敏度系数 光纤光栅温度传感灵敏度系数。可采用相同温度环境下的光纤光栅进行温度补偿。,光纤布拉格光栅传感器,特点：光纤传感器是90年代出现的一种用于观测应力、应变、温度以及内部裂缝、变形等结构参数的新型传感器。高精度高灵敏度远距离分布式耐久性光纤的小巧、柔软、不易拉断抗电磁干扰能力强集传感与传输于一体易于制作和埋入结构内部而且物理截面和力学强度小，在粘贴或嵌入到主体中不会对其性能和结构造成影响。,电蜗流式传感器非接触式,电测法电涡流式,组成 探头、延伸电缆、前置器、被测体特点 非接触式、静态、动态、高线性、高分辩率原理 前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率、探头头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。,1-4电测法电涡流式,电测法电涡流式,工作过程 被测金属与探头之间的距离变化线圈的有效阻抗的变化振荡电压幅度的变化经过检波、滤波、线性补偿、放大归一输出电压的变化,FS8000系列电涡流式,电涡流式-探头,电测法电涡流式-前置器,电测法电涡流式-应用,混凝土试件收缩实验,探头安装-非接触,电涡流式-应用,IMP电压信号采集板,数据实时监测,电测法钢弦式传感器,电测法：利用电的某些特性如电阻、电流、电压、频率等的变化与结构应变之间的转换关系来测定结构的应变。主要有钢振弦式与电阻式 一、钢弦式传感器利用固定在结构上的钢弦振动频率与结构应变之间的转换关系，通过测量钢弦的振动频率来实现对应变的测量。构造：由夹块、振弦、永久磁铁、线圈等组成。一般有埋入式与外置式，主要产品有德国麦哈克、法国德来马克、美国基康等以及中国丹东传感器厂生产。,电测法钢弦式传感器,电测法钢弦式传感器,电测法钢弦式传感器,工作原理：利用钢弦自振频率与钢弦应变之间存在一定关系，通过测钢弦的频率来测应变。式中：钢弦自振频率 钢弦长度 待测应变 钢弦弹模 钢弦材料常数,电测法钢弦式传感器,特点：结构简单、制作方便、稳定性好、抗干扰能力强及远距离传输误差小等优点，近年来得到广泛应用，特别是应用于施工应力监控中。缺点是价格昂贵，测试速度慢。,电测法电阻应变测试技术,电阻应变测试技术的基本原理通过粘贴在结构表面上的传感元件（电阻应变片）把所测的结构应变转换为电阻的变化，再通过桥路、仪器把电阻的变化转换为电压的变化并加以放大，由显示器显示出应变值。工作框图：,电测法电阻应变测试技术,电阻应变测试技术的优点：灵敏度高，可测到1；标距小，箔式应变片最小标距可达0.2mm，可测点应力，用于应力集中测试；可远距离测试；可测动、测静；通过应变测量可转换为测力（轴力、弯矩、扭矩、剪力）、位移等；,电测法电阻应变测试技术,缺点：测表面应力准确度高，测内部应力需要一定技术；测应力集中不准确；测量系统线路多、易干拢，易受环境（温度、湿度、电磁场）干拢；,电测法电阻应变片,电阻应变片的构造：电阻应变片由三个部份组成：基底（纸张、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等胶膜）敏感栅或电阻丝栅（康铜、镍、铬等特殊材料制成）引出线 基底起到保护及固定敏感栅的作用，敏感栅或电阻丝栅直接感受结构变形并将结构变形转换为电阻变化，引出线连结到测量桥路上；,电测法 电阻应变片,电测法电阻应变片,电阻应变片的工作原理：利用电阻丝的应变效应，所谓电阻丝的应变效应指的是电阻丝的电阻值随其本身应变（伸长或缩短）而改变的一种物理性质。,电测法电阻应变片,通过数学分析，对R求微分得：由材料力学可知：整理得：令：Ks 电阻丝的灵敏系数,电测法电阻应变片,由于电阻应变片是由电阻丝按一定规格挠制而成的，因此电阻应变片同样有如下的电阻变化率与应变的关系：其中K为电阻应变片灵敏系数，一般的电阻应变片的灵敏系数比电阻丝的灵敏系数来得小。,电测法电阻应变片,应变片类型 1.绕丝式应变片（U式）构造：由电阻丝挠制而成，根据基底材料的不同可分为纸基、胶基 特点：制作简单、价格便宜、纸基易受潮、横向灵敏度大,电测法电阻应变片,应变片类型 2.短接式应变片绕丝式的改进（H式）构造：纵横向电阻丝通过点焊连接 特点：横向灵敏度小、焊点易脱落，不适用于动测,电测法电阻应变片,应变片类型 3.箔式应变片短接式应变片的改进 构造：敏感栅由很薄的金属箔片采用光刻技术制成，弯头截面大,电测法电阻应变片,箔式应变片的特点:敏感栅截面为矩形，较圆断面大，粘合面积大不易脱落，传递应变较丝式好;具有较大的散热能力；弯头大，横向效应小可忽略；蠕变、机械滞后小、寿命高；由于采用光刻技术，标距可小到0.2mm，可用于点应力测试。,电测法电阻应变片,应变片的组成：单轴片双轴片三轴片四轴片,电测法电阻应变片,电阻应变片,电测法电阻应变片,电阻应变片规格及特点：几何尺寸 阻值：标准R=120 灵敏系数：K=2.00 横向敏度(H)极限应变：6000 绝缘电阻：R200M 机械滞后：应变片感受结构的变形会滞后一段时间 工作电流：Imax25mA，并不能用高电压、高电流 零漂与蠕变：零漂是指在恒温、结构不受力情况下应变片指示的应变 值随时间而变化用/h表示。原因是受潮、电磁场干 拢；濡变结构受荷稳定后，应变片指示的应变继续 变化。温度效应：应通过桥路补偿或自补偿给予消除,电测法电阻应变片,应变片选用结构材性 均质材料：钢丝、钢板、钢筋用中小片（标距2、3、5、10mm）结构受力 应力梯度大用小片，应力集中用箔式小片，应力变化不大用中大片，单向应力场用单轴片，已知主应力方向的双向应力场用双轴片，主应力方向未知的复杂应力场用三、四轴片,电测法电阻应变片,粘贴工艺,实验一 电阻应变片的粘贴,一、试验目的 1、掌握电阻应变片的选用原则及方法。2、学习常温用应变片的粘贴技术及预埋技术。二、试验仪表及器材 1、万用电表、兆欧表；2、试件；3、粘结剂（502胶）；纸基应变片；4、砂布、棉球、丙酮、镊子；5、电烙铁、焊锡丝、引线等。,三、试验方法及步骤,（一）应变片的选择与检查 选择：根据应变片的工作环境、试件类型、测试仪器的要求等来选择合适的应变片。检查：外观，用目测或放大镜观看，应剔除应变片丝栅中有形状缺陷，片内有气泡、霉斑、锈点等缺陷的片；阻值，应剔除断路或短路的片，每片阻值相差不得超过仪器可调平衡的允许范围。,（二）贴片,1、测点表面的处理 钢筋：除锈、刨光并用砂纸打成与测量方向呈450交叉细纹，用丙酮清洗干净。砼：先找平，再用砂布打平并用丙酮溶液清洗干净。2、贴片 上胶：胶水均匀而薄地在基底面上涂一层，稍后，当胶水发粘时顺着受力方向对中放好。,3、固化处理 分自然干燥或人工固化。4、粘贴质量检查 分外观、阻值及绝缘度检查。5、接线：分三步 固定点设置 引出线绝缘 导线焊接,挤压：在片上盖上玻璃纸，用手指沿一个方向滚压，挤出多余的胶水和气泡。,加压：用手指轻压片，直到粘住为止。,（三）防潮防水处理,1、拌制防潮剂 常用的防潮剂有环氧树脂与聚酰胺按2：1或3：2搅拌均匀，配制而成，还可用石腊与凡士林按1：1配制，加热熔化成液体，冷却后使用。2、涂抹：将防潮剂均匀地涂在应变片上，后用纱布一层层缠紧，使胶液从中渗出，胶层表面应光滑，固化后即能起到防潮防水的作用。,测点表面处理打磨,测点表面处理清洗,测点表面处理刷防潮绝缘层,测点表面处理刷防潮绝缘层,测点表面处理砂纸打磨,测点表面处理清洗,贴片,固定接线端子,焊线,电测法静态电阻应变仪,电阻应变仪原理 惠斯登电桥,电测法静态电阻应变仪,通过电学分析，可得输出电压：对上式求微分，利用R/R=K并令R1=R2=R3=R4=R，可得：,电测法静态电阻应变仪,上式表明，输出电压的变化量与桥路电阻应变的关系，完成了应变电阻电压的转换，从而可以通过测试电压的变化来测试应变，这就是电阻应变仪工作原理，其中：上式表明：桥路总输出应变等于领臂应变相减，对臂应变相加。,电测法静态电阻应变仪,基本测量桥路：全桥测量法半桥测量法每臂双片测量法,4 电测法半桥测量法,4 电测法1/4桥测量法（举例）,附:各种接桥法,（1）半桥测量的接桥法,测量桥的桥臂由两个电阻应变片和仪器内部的两个固定电阻组成的联接方式，称为半桥接桥法。,测量弯曲应变,a：,b：,则：,则：,测量弯曲与拉(压)复合作用的应变,c:,则:,d:,则:,（2）全桥测量的接桥法,特点：可以提高量测精度，主要用于由应变片作为敏感元件的各种传感器上。,测量桥的桥臂由四个应变片组成的联接方式，称为全桥接桥法。,应变式位移传感器,则：,应变式倾角传感器,原理：当转角（00-50）较小时，转角和应变梁上的弯曲应变成线性关系。,即：,应变式测力传感器,设：,则：,注意：长导线电阻对应变测量的影响,当导线长度大于10m时，测得的应变将比真实值降低%以上，要按下式进行修正。,实验（例子）测受弯构件裂缝及挠度,一、试验目的 1、了解适筋梁的正截面与斜截面破坏形态。2、掌握结构性能的评定方法。二、试验仪器 1、钢筋砼简支梁试件一个（适筋梁）2、YD-88便携式超级位移计一台；3、读数显微镜一台；4、加载设备。,三、试验方案,（一）加荷方案设计（二）试验荷载计算（三）加载程序设计（四）观察方法设计,四、写出试验报告,（一）量测数据整理 1、测试曲线图的绘制 2、挠度的计算 3、内力的计算 4、平面应力的计算（二）结构性能的评定,1、承载力评定 2、挠度评定 3、抗裂评定 4、裂缝宽度评定,位移计,位移计主要用于观测结构的挠度与变形，也可用于观测力、应变、转角、曲率和滑移变形等。,刻度值为0.001mm的位移计，称为千分表；刻度值为0.01mm的位移计，称为百分表；刻度值大于0.01mm的位移计，称为挠度计。,分 类,外形与构造简图,测杆弹簧,轴颈,测杆,顶头,表壳,齿轮,内外度盘,长针,短针,图3-1 百分表外形、构造简图,1、用位移计观测挠度,(1)固定位移计的不动支架要有足够的刚性，位移计测杆上下可灵活移动。(2)位移计测杆应与所观测的位移方向一致。(3)符合观测所需的量程及灵敏度要求。(4)张线式位移计可用于观测较大的位移量。,2、用位移计观测应变,(1)用于量测结构构件的轴向应变，不宜用于受荷载后发生曲率变化的构件。如图示：,图3-2 位移计应变测量装置,金属夹头,顶杆,位移计,试件,(2)手持应变仪可以观测多点应变，但量测精度会因人而异。,图3-3 手持应变仪量测装置,薄钢片,粘结剂,脚标,钢性金属杆,插足,（3）对于长期观测或温度变化较大时，应考虑温度变化的影响。,3、用位移计观测转角,图3-4 用位移计测定梁支座截面转角,观测点处转角:,4、用位移计观测曲率,图3-5 曲率量测装置,读数显微镜用于观测裂缝宽度，是由物镜、目镜、刻度分划板组成的光学系统。,水准仪和经纬仪可以用来量测较大位移，并能作多点和远距离的量测。,读数显微镜,读数显微器-用于测量裂缝宽度,50倍裂缝观测放大镜,1、读数显微镜量测裂缝宽度*,目镜,物镜,测微螺丝,裂缝,分划板弹簧,1、试验加荷图式,是指试验荷载在试件上的布置形式，包括荷载类型和分布情况。,采用等效荷载的原则 控制截面的内力值相等；等效荷载产生的主要内力图形与理论计算相近；变形的差别应考虑。,2、挠度的计算,支座沉降影响的修正,跨中：,四、写出试验报告,结构自重影响的修正,自重产生的挠度：,跨中实测挠度：,自重荷载产生的弯距；,裂缝出现前试验荷载产生的弯距；,在 作用下，消除支座沉降影响后的实测跨中挠度,3 等效荷载图式影响的修正,跨中实测挠度值：,支座测点偏移影响的修正,若偏移距离为a，则跨中实测挠度US4：US4=CaUS3,徐变影响的修正,增大系数；,3、应力的计算,单向应力：,测点处的主应力方向已知,四、写出试验报告,测点处的主应力方向未知,4、内力的计算,轴向受力构件,四、写出试验报告,内力计算,受弯构件截面内力的计算,纯弯构件：,或,压弯或拉弯构件：,