混凝土应力和应变观测是采用应变计观测混凝土应变,通过力学计算,得出混凝土的应力。

目前常用的应变计主要有差动电阻式、振弦式、差动电感式、电阻应变片式和差动电容式应变计等。国内采用较多的是差动电阻式和振弦式应变计。

(一)差动电阻式应变计

1.仪器结构

差动电阻式应变计由电阻传感器部件、外壳和电缆组成,电阻传感器部件由两组差动电阻钢丝、高频绝缘瓷子和两根方铁杆组成。两根方铁杆组成一个弹性框架,其两端分别固定在上接座和接线座上。方铁杆上各装两只高频瓷子,杆端为半圆开瓷子,杆中部为圆形瓷子。在一对半圆形瓷子上绕三圈半钢丝,形成外圈钢丝电阻。在一对圆形瓷子上绕四圈半钢丝,形成内圆钢丝电阻。弹性波纹管与上接座及接线座焊接。接线座、接线套筒、橡皮圈组成密封室,仪器整个外壳构成一个可以伸缩的密封油室,内部充满中性油。如图4-14所示。

图4-14　差动电阻式应变计结构示意图

2.工作原理

(1)当仪器温度不变,轴向受到应变量为ε′的变形时,仪器的电阻比变化量ΔZ 与ε′的关系为:

式中 f——仪器最小读数,10-6/0.01%。

(2)当仪器两端距不变,温度发生Δt变化时,仪器电阻比变化量ΔZ 与由于温度变化而产生的仪器应变量ε″之间的关系为:

由实验知:

式中 b——温度修正系数,10-6/℃。

(3)由上可知,埋设在混凝土建筑物中的应变计,受变形和温度的共同作用,即:

式中 ε——混凝土应变量,10-6。

(4)仪器内部总电阻Rt=R1+R2与仪器t有如下关系:

当60℃≥t≥0℃时

当0℃≥t≥-25℃时

式中 t——埋设点的温度,℃;

Rt——仪器总电阻,Ω;

R′0——仪器计算冰点电阻,Ω;(www.daowen.com)

α′——仪器零上温度系数,℃/Ω;

α″——仪器零下温度系数,℃/Ω。

由上可知,测出应变计的电阻值Rt和电阻比ΔZ,即可计算出混凝土的应变量。

(二)振弦式应变计

1.仪器结构

振弦式应变计由端头、应变管、振弦、热敏电阻、电磁激励线圈和电缆等组成。如图4-15所示。应变计中间有一根张紧的钢丝,钢丝固定在两个端头上。中部安装有激励与接收线圈,用以产生激振使钢丝发生振动,并接收钢丝的振动频率。

图4-15　振弦式应变计结构示意图

2.工作原理

一定长度的钢丝张拉在两个端块之间,端块固定于混凝土中,并与混凝土紧密嵌固。当混凝土发生变形时,带动两个端块也发生相应位移,导致钢丝的张力发生改变,这种张力的改变使钢丝的谐振频率产生变化。通过测量钢丝谐振频率的变化量,可计算出混凝土的变形。仪器工作时,激励线圈使钢丝发生振动,其谐振频率通过接收线圈和信号电缆传输给测量仪表。

(三)应变计的埋设

1.一般要求

(1)根据设计确定应变计的埋设位置和方向,埋设位置误差应小于2cm,埋设角度误差应小于1°。

(2)埋设时,应使仪器保持正确位置和方向,及时对仪器进行检测,发现问题应及时处理或更换仪器。埋设仪器周围的混凝土回填时,要小心填筑,去除大于8cm 的骨料,由人工分层振捣密实,混凝土下料时应距仪器1.5cm 以上,振捣时振捣器与仪器的距离应大于振动半径,一般不小于1.0m。

(3)当施工机构化程度高、浇筑强度大时,可采用预置埋设槽的方法。该方法是在混凝土浇筑后48h内拆除埋设的槽模板,清理冲毛,将仪器埋入槽内,然后回填混凝土。

(4)埋设后,应做好标记,以防人或机械损坏仪器,仪器顶部已终凝的混凝土厚达60cm 以上时,守护人员方可离开。

图4-16　应变计组埋设示意图

2.应变计埋设方法

(1)单向应变计。可在混凝土振捣后,及时在埋设部位造孔埋设。

(2)两向应变计。两应变计应保持相互垂直,相距8～10cm。两应变计的中心与结构表面的距离应相同。

(3)应变计组。应变计组应固定在支座及支杆上埋设,如图4-16所示,以保证在浇筑混凝土过程中仪器有正确的位置和方向。支杆伸缩量应大于1.5mm,支座定向孔应能固定支杆的位置和方向。根据应变计组在混凝土内的位置,应分别采用预埋锚杆或带锚杆预制混凝土块固定支座位置和方向。埋设时,应设置无底保护木箱,并随混凝土的升高而逐渐提升,直至取出。

3.无应力计埋设方法

无应力计埋设在坝内部时,应将无应力计筒的大口向上。无应力计位置靠近坝面时,应尽量使无应力计筒的轴线与等温面垂直。埋设时,在无应力计筒内填满相应应变计组附近的混凝土,人工振捣密实。无应力计筒的加工及埋设,如图4-17所示。

图4-17　无应力计结构及埋设示意图