第3536讲结构试验5Word文档格式.docx
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(二)超声脉冲法检测混凝土强度
结构混凝土的抗压强度
与超声波在混凝土中的传播参数(声速、衰减等)之间的相关关系是超声脉冲检测混凝土强度方法的基础。
混凝土是各向异性的多相复合材料,由于混凝土内部存在着广泛分布的砂浆与骨料的界面和各种缺陷(微裂、蜂窝、孔洞等)形成的界面,使超声波在混凝土中的传播要比在均匀介质中复杂得多,使声波产生反射、折射和散射现象,并出现较大的衰减。
在普通混凝土检测中,通常采用10kHz——500kHz的超声频率。
超声波脉冲实质上是超声检测仪的高频电振荡激励仪器换能器中的压电晶体,由压电效应产生的机械振动发出的声波在介质中传播(图18—6—2)。
混凝土强度愈高,相应超声声速也愈大.经试验归纳,建立混凝土强度与声速的关系曲线(
—v曲线)或经验公式。
在现场进行结构混凝土强度检测时,应选择试件浇筑混凝土的模板侧面为测试面,一般以200mm×
200mm的面积为一测区。
每个测区内应在相对测试面上对应布置三个测点,相对面上对应的辐射和接收换能器应在同一轴线上。
测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合。
检测后,由三个测点的平均声时值求得声速的传播速度v。
当在试件混凝土的浇筑顶面或底面测试时,声速值应按规定进行修正。
最后由试验量测的声速,按
—v曲线求得混凝土强度的换算值。
检测时可参考《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》CECS02:
88的有关规定。
(三)超声回弹综合法检测混凝土强度
超声回弹综合法是建立在超声传播速度和回弹值与混凝土抗压强度之间相互关系的基础上的,以声速和回弹值综合反映混凝土的抗压强度。
超声和回弹都是以混凝土材料的应力应变行为与强度的关系为依据。
超声波在混凝土材料中的传播速度反映了材料的弹性性质,由于声波穿透被检测的材料,因此也反映了混凝土内部构造的有关信息。
回弹法的回弹值反映了混凝土的弹性性质,同时在一定程度上也反映了混凝土的塑性性质,但它只能确切反映混凝土表层约3cm左右厚度的状态。
当采用超声和回弹综合法时,它既能反映混凝土的弹性,又能反映混凝土的塑性。
既能反映混凝土的表层状态,又能反映混凝土的内部构造。
这样通过不同物理参量的测定,可以由表及里的,较为确切地反映混凝土的强度。
采用超声回弹综合法检测混凝土强度,能对混凝土的某些物理参量在采用超声或回弹法单一测量时产生的影响得到相互补偿。
如对回弹值影响最为显著的碳化深度在综合法中可不予修正,原因是碳化深度较大的混凝土,由于它的龄期:
较长而其含水量相应降低,以致声速稍有下降,因此在综合关系中可以抵消因碳化使回弹值上升所造成的影响。
所以,用综合法的
—v—Rm关系推算混凝土强度时,不须测量碳化深度和考虑它所造成的影响。
试验证明,超声回弹综合法的测量精度优于超声或回弹单一方法,并减少了量测误差。
采用超声回弹综合法检测混凝土强度时,超声的测点应布置在同一个测区的回弹值的测
试面上,测量声速的探头的安装位置不宜与回弹仪的弹击点相重叠。
测点布置如图18—6—3所示,结构或构件的每一测区内,宜先进行回弹测试,后进行超声测试,同时要注意,只有同一个测区内所测得的回弹值和声速值才能作为推算混凝土强度的综合参数,不同测区的测量值不得混用。
在超声回弹综合检测时,结构或构件上每一测区的混凝土强度换算值是根据该区实测的超声波声速v及回弹平均值Rm,按事先建立的
—v—Rm关系曲线推定的,随后按《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》CECS02:
88的规定评定结构或构件的混凝土强度。
(四)钻芯法检测混凝土强度
钻芯法试验是使用专用的取芯钻机(图18—6—4),从被检测的结构或构件上直接钻取圆柱形的混凝土芯样,并根据芯样的抗压试验由抗压强度推定混凝土的立方抗压强度。
它不需要建立混凝土的某种物理量与强度之间的换算关系,被认为是一种较为直观可靠的检测混凝土强度的方法。
由于需要从结构构件上取样,对原结构有局部损伤,所以是一种能反映被试结构混凝土实际状态的现场检测的半破损试验方法。
钻孔取芯机是带有人造金刚石的薄壁空芯圆筒形钻头的专用机具,由电动机驱动,从被测试件上直接截取与空芯筒形钻头内径相同的圆柱形混凝土芯样。
我国规定,以φ100mm及φ150mm,高径比为1—2的芯样作为芯样抗压试件。
为防止芯样端面不平整导致应力集中和实测强度偏低,所以芯样端面必须进行加工,通常用磨平法和端面用硫磺胶泥或水泥净浆补平。
钻芯法检测不宜用于混凝土强度等级低于C10的结构。
钻取芯样应在结构或构件受力较小的部位和混凝土强度质量具有代表性的部位,应避开主筋、预埋件和管线的位置。
对于单个构件检测时,钻芯数量不应少于3个。
对于较小的构件,可取2个。
当对结构构件的局部区域进行检测时,取芯位置和数量可由已知质量薄弱部位的大小决定,检测结果仅代表取芯位置的混凝土质量,不能据此对整个构件及结构强度作出总体评价。
当采用其他非破损方法与钻芯综合检测时,钻芯位置应与该方法的测点布置在同一测区。
钻取的芯样试件宜在与被检测结构或构件的混凝土干湿度基本一致的条件下进行抗压试验,求得芯样试件的混凝土强度值
对于h/d=1的φ00mm或φ50mm芯样试件的抗压强度测试值,可直接作为混凝土的强度换算值。
当芯样高径比h/d>
1时,强度换算值应按规定进行修正。
单个构件或单个构件的局部区域可取芯样试件混凝土强度换算值中的最小值作为其代表值。
检测时必须按《钻芯法检测混凝土强度技术规程》CECS03:
88的规定和要求进行钻孔,取芯后结构上留下的孔洞必须及时进行修补,一般情况下,修补后构件的承载能力仍可能低于未钻孔前的承载能力,所以,钻芯法不宜普遍使用,更不宜在一个受力区域内集中钻孔取芯。
(五)拔出法检测混凝土强度
拔出法试验是用一金属锚固件预埋人未硬化的混凝土浇筑构件内(预埋法),或在已硬化的混凝土构件上钻孔埋入一金属锚固件(后装法),然后测试锚固件被拔出时的拉力,由被拔出的锥台形混凝土块的投影面积,确定混凝土的拔出强度,并由此推算混凝上的立方抗压强度,也是一种半破损试验的检测方法。
见图18—6—5。
预埋法常用于确定混凝土的停止养护、拆模时间及施加后张法预应力的时间,按事先计划要求布置测点。
后装法则较多用于已建结构混凝土强度的现场检测,检测混凝土的质量和判断硬化混凝土的现有实际强度。
我国对后装拔出法研究较多,并已颁布有关规程,在工程建设中实施和应用。
后装拔出法的试验装置有圆环式和三点式两种,见图18—6—6所示。
圆环式拔出装置适用于粗骨料粒径d≤40mm的混凝土,试验时对混凝土损伤较小,但要求测试部位表面温凝土必须平整。
三点式拔出装置适用于粗骨料粒径d≤60mm的混凝土,试验时对混凝士损伤较大,但对测试部位表面乎整度要求不高。
拔出法试验的加荷装置是一专用的手动油压拉拔仪,见图18—6—7。
整个加荷装置是支承在承力环或三点支承的承力架上,油缸进油时对拔出杆均匀施加拉力,在油压表或荷载传感器上指示拔力。
采用后装法进行单个构件检测时,应在构件上均匀布置3个测点。
当3个拔出力中最大拔出力和最小拔出力与中间值之差均小于中间值的15%时,仅布置3个测点即可;
当最大拔出力或最小拔出力与中间值之差大于中间值的15%时(包括两者均大于中间值的15%)时,应在最小拔出力的测点附近再加测2个测点;
当同批构件按批抽样检测时,抽检数量应不少于同批构件的30%,且不少于10件,每个构件不应少于3个测点。
测点宜布置在构件浇筑成型的侧面,如不能满足时,可布置在混凝土成型的表面或底面。
在构件的受力较大及薄弱部位应布置测点。
相邻两点的间距不应小于10h,测点距试件边缘不应小于4h,(h为锚固件的锚固深度)。
检测时应按《后装拔出法检测混凝土强度技术规程》CECS69:
94的规定和要求进行,并进行混凝土强度的换算和推定。
(六)超声法检测混凝土缺陷
超声波检测混凝土缺陷主要是采用低频超声仪,测量超声脉冲中纵波在结构混凝土中的传播速度、首波幅度和接收信号主频率等声学参数。
当结构混凝土中存在缺陷或损伤时,超声脉冲通过缺陷时产生绕射,传播的声速要比相同材质无缺陷混凝土的传播声速要小,声时偏长。
更由于在缺陷界面上产生反射,因而能量显著衰减,波幅和频率明显降低,接收信号的波形平缓甚至发生畸变。
综合声速、波幅和频率等参数的相对变化,对同条件下的混凝土进行比较,判断和评定混凝土的缺陷和损伤情况。
1.混凝土裂缝深度检测
(1)单面平测法
当结构的裂缝部位只有一个可测表面,估计裂缝深度又不大于500mm时,可采用单面平测法。
平测时应在裂缝被测部位,以不同测距按跨缝和不跨缝布置测点(布点时应避开钢筋的影响)进行检测。
如图18—6—8(a)。
平测法检测裂缝深度按下式计算:
式中hci——第i点计算的裂缝深度(㎜);
li—不跨缝平测时第i点的超声波实际传播距离(㎜);
—第i点跨缝平测的声时值(μs);
v——不跨缝平测的混凝土声速值(km/s)。
这时不跨缝平测的混凝土声速值可由不跨缝平测“时—距”坐标图(图18—6—8(b))
求得.
式中l’n,l’1—第n点和第1点的测距(㎜);
tn、tl——第n点和第1点的声速值(μs)。
(2)双面斜测法
当结构的裂缝部位具有两个相互平行的测试表面时,可采用双面穿透斜测法检测。
采用斜测法时,换能器按如图18—6—9布置,并逐点对测相应测点声时值ti、波幅值Ai和主频率值fi变化情况,判定裂缝的深度以及是否在所处断面内贯通。
(3)钻孔对测法
对于在大体积混凝土中预计深度在500mm以上的深裂缝,采用钻孔对测法探测。
见图18—6—10。
在裂缝两侧钻两孔(A、B),孔径应比所用换能器直径大5—10mm,孔深应不小于比裂缝预计深度深700mm。
经测试如浅于裂缝深度,则应加深钻孔,孔距宜为2000mm。
应选用频率为20—60kHz的径向振动式痪能器,测试前向测孔中灌注清水,作为耦合介质,将发射和接收换能器分别置人裂缝两侧的对应孔中,以相同高程等距(100—400mm)自上至下同步移动,在不同的深度上进行对测,逐点读取声时和波幅数据。
绘制换能器的深度和对应波幅值的h—A坐标图,如图18—6—11所示。
波幅值随换能器下降的深度逐渐增大,当波幅达到最大并基本稳定的对应深度,便是裂缝深度hc。
测试时,可在混凝土裂缝测孔的一侧另钻一个深度较浅的比较孔(C)(图18—6—10a),通过B、C两孔测试同样测距下无裂缝混凝土的声学参数,与裂缝部位的混凝土对比,进行判别。
钻孔对测法探测和鉴别混凝土质量的方法,同样可应用于混凝土钻孔灌注桩和钢管混凝土的质量检测。
2.混凝土内部不密实区和空洞检测
当结构具有两对互相平行的测试面时可采用对测法。
在测区的两对相互平行的测试面上,分别画间距为100~300mm的网格,确定测点的位置(图18—6—12)。
对于只有一对相互平行的测试面时可采用对测和斜测相结合的方法。
即在测区的两个相互平行的测试面上,分别画出网格线可在对测的基础上进行交叉斜测(图18—6—13)。
当结构测试距离较大时,可采用钻孔或预埋管测试法。
换能器测点布置如图18-6—14所示。
在测位处预埋测试管或钻出竖向测试孔,预埋管内径或钻孔直径宜比换能器直径大5—10mm,其深度可按测试深度需要而确定。
检测时可用一个径向振动式和一个厚度振动式换能器,分别置于孔中和平行于测孔的侧面进行测试。
也可在相距预埋管或钻孔间距2~3m处另设一个测孔,并同时用两个径向振动式换能器分别置于两侧孔中进行测试,如图18-6-10(b)。
测试时,记录每一测点的声时、波幅、主频率和测距。
当某些测点声时延长,声能被吸收和散射,波幅降低,高频部分明显衰减的异常情况时,通过对比同条件混凝土的声学参量,确定混凝上内部存在不密实区域和空洞的范围。
按照超声法检测混凝土缺陷的原理,尚町应用于混凝土表面损伤层检测和混凝土前后两次浇筑之间接触面结合质量的检测。
检测时应遵照《超声法检测混凝土缺陷技术规程》CECS21:
2000的有关规定进行测试、数据处理和判断评定。
(七)混凝土结构钢筋位置和钢筋锈蚀的检测
1.钢筋位置的检测
钢筋位置测试仪是利用电磁感应原理,由感应电流强度变化和相位偏移反映钢筋保护层厚度及钢筋直径的函数关系来探测钢筋的位置直径。
仪器探头距钢筋愈近,钢筋直径愈大时,感应电流强度与相位差也愈大。
2.钢筋锈蚀的检测
钢筋锈蚀测试仪是利用钢筋因锈蚀而在表面有腐蚀电流存在,使电位发生变化的原理,由探头探测电位高低变化的规律,以判断钢筋锈蚀的可能性及锈蚀程度。
二、砖石和砌体结构的现场检测技术
砌体结构强度除厂受块材和砂浆等材料强度的影响外,施工制作过程中砌筑工艺对砌体强度的实际影响也是——项不可忽视的重要因素。
目前在对已建砌体结构鉴定的现场检测中,较多的是采用砌体原位轴心抗压强度测定法,推定每一检测单元的砌体抗压强度标准值。
(一)原位轴压法
原位轴压法的试验装置由扁式液压加载器、反力平衡架和液压加载系统组成(图18—6—15),测试时先在砌体测试部位垂直方向按试件高度上下两端各开凿一个水平槽,将反力平衡架的反力板置于上槽孔,在下槽孔内嵌入—扁式加载器,并用白平衡拉杆固定。
通过加载系统对试件分级加载,直到试件受压开裂破坏,求得砌体的极限抗压强度。
单个测点的槽间砌体抗压强度为
式中fuji——第i个测区第j个槽间砌体抗压强度(MPa);
Nuji——第i个测区第j个槽间砌体的受压破坏荷载值(N);
Aij——第i个测区第j个槽间砌体的受压面积(mm2)。
槽间砌体抗压强度除以换算系数ζ1ij,这时第i个测区第j个测点的标准砌体的抗压强度fmij按下式计算:
式中原位轴压法的无量纲强度换算系数ζ1ij为
ζ1ij是测点墙体上部的压应力σ0ij的函数,主要是考虑试件上部压应力σ0和两侧砌体对被测试件约束影响的修正。
测区砌体抗压强度平均值为
式中fmi——第i个测区的砌体抗压强度平均值(MPa);
n1——测区测点数。
(二)扁顶法
扁顶法的试验装置是由扁式液压加载器及液压加载系统组成(图18—6—16)。
试验时在待测砌体部位按所取试件的高度在上下两端垂直于主应力方向沿水平灰缝将砂浆掏空,形成两个水平空槽,并将扁式加载器的液囊放人灰缝的空槽内。
当扁式加载器进油时、液囊膨胀对砌体产生应力,随着压力的增加,试件受载增大,直到开裂破坏,由此求得槽间砌体的抗压强度。
槽间砌体抗压强度除以强度换算系数ξ2ij为标准砌体的抗压强度:
式中扁顶法的强度换算系数为
同样可按公式(18—6—7)计算测区砌体抗压强度平均值fmi。
扁顶法除了可直接测量砌体强度外,当在被试砌体部位布置应变测点进行应变量测时,尚可测量开槽释放应力、砌体的应力一应变曲线、砌体原始主应力值和弹性模量。
现场实测时,以上两种方法对于240mm墙体试件尺寸其宽度可与墙厚相等,高度为430mm(约7皮砖);
对于370mm墙体,宽度为240mm,高度为490mm(约8皮砖)。
砌体原位轴心抗压强度测定法是结构在原始状态下进行检测,砌体不受扰动,所以它可以全面考虑砖材和砂浆变异及砌筑质量等对砌体抗压强度的影响,这对于结构改建、抗震修复加固、灾害事故分析以及对已建砌体结构的可靠性评定等尤为适用。
此外,这种方法以局部破损应力作为砌体强度的推算依据,结果较为可靠。
更由于它是一种半破损的试验方法,对砌体所造成的局部损伤易于修复。
采用原位轴压法或扁顶法检测砌体原位轴心抗压强度时应严格遵照《砌体工程现场检测技术标准》GB/T50315—2000的有关规定进行试验数据分析和强度推定。
该《技术标准》还有原位单剪和原位单砖双剪两种方法,可直接测定工程现场的砌体抗剪强度,以及通过量测与砂浆强度有关物理参数间接推定砌体砂浆强度的推出法、回弹法和筒压法等六种间接测定方法。
间接测定方法的不足之处是不能综合反映工程的材料质量和工程质量,使用时有一定的局限性,但其优点是测试工作较简单,对砌体工程无损伤或损伤较少。
三、钢结构现场检测技术
(一)钢材强度测定
对已建钢结构鉴定时,为了解结构钢材的力学性能,特别是钢材的强度,一般采用表面硬度法间接推断钢材强度。
表面硬度法主要是利用布氏硬度计测定(图18—6—17)。
测定时,锤击硬度计纵轴顶部,由硬度计端部的钢珠受压时在钢材表面和已知硬度标准试样上的凹痕直径,测得钢材的硬度,并由钢材硬度与强度的相关关系,经换算得到钢材的强度。
式中HB、HS钢材与标准试件的布氏硬度;
dS、dB——硬度计钢珠在钢材和标准试件上的凹痕直径;
D——硬度计钢珠直径;
f——钢材的极限强度。
测定钢材的极限强度f后,可依据同种材料的屈强比计算得到钢材的屈服强度。
(二)超声法检测钢材和焊缝缺陷
超声法检测钢材和焊缝缺陷其工作原理与检测混凝土内部缺陷相同,试验时较多采用脉冲反射法。
超声波脉冲经换能器发射进入被测材料传播时,当通过材料不同界面(构件材料表面、内部缺陷和构件底面)时,会产生部分反射。
在超声波探伤仪的示波屏幕上分别显示出各界面的反射波及其相对的位置,如图18—6—18所示。
由缺陷反射波与起始脉冲和底脉冲的相对距离可确定缺陷在构件内的相对位置。
如材料完好内部无缺陷时,则显示屏上只有起始脉冲和底脉冲,不出现缺陷反射波。
第七节结构模型试验
结构模型试验中的模型试件,是仿照原型(真实结构)并按照一定比例关系复制而成的试验代表物,它具有原型结构的全部或部分特征。
模型的设计制作与试验是根据相似理论,用适当的比例尺和相似材料制成与原型几何相似的试验对象,在模型上施加相似力系(或称比例荷载),使模型受力后重演原型结构的实际工作,最后按照相似理论确定的相似判据整理试验结果,推算原型结构的实际工作。
一、相似定理
(一)相似第一定理——相似现象的性质
两个物理现象的相似,要求两个现象具有相同物理性质的变化过程,参与两个现象中对应的同名物理量之间有固定的比例常数。
根据牛顿运动定律,作用于结构的惯性力
对于原型结构
对于模型结构
式中F、m、l和t分别为惯性力、质量,位移和时间。
下标p与m分别表示原型和模型。
由于要求各同名物理量之间有固定的比例常数
则
式中SF、Sm、Sl和St为惯性力、质量,位移和时间的相似常数
将公式(18—7—4)代人(18—7—3)得
比较公式(18—7—2)与(18—7—6)得
上式相似常数群
为两现象相似各相似常数之间需要满足的一定关系,称为模型与原型相似的相似指标,相似现象的相似指标等于1。
由公式(18—7—4)和(18—7—7)可得
写成一般形式
我们称
为相似判据,则公式(18—7—8)可写成为
由公式(18—7—7)和(18—7—10)说明相似第一定理。
即相似现象的相似指标等于1,或相似判据相等。
相似判据将两个相似现象中的物理量关系确定下来,并可将在模型研究的结果推广到原型结构上去。
相似第一定理说明相似现象的基本性质,相似判据相等是模型和原型相似的必要条件。
(二)相似第二定理——相似判据的确定
1.方程式分析法
研究现象的各物理量之间的关系可用方程式表达时,则可以用表达这一物理现象的方程式导出相似判据。
一悬臂梁,在梁端作用一集中荷载P
在x截面处的弯矩为
截面上的正应力为
截面处的挠度为
按照各物理量确定相似常数,如上面推导惯性力相似判据的方法可得下列各相似指标
可得
由此求得三个相似判据为
当表达物理现象函数关系为微分方程式时,求相似判据的步骤是:
①将微分方程中所有微分符号去掉;
②任取其中的一项去除方程式中的其他各项;
③所得的各项即为要求的相似判据。
一单自由度系统在受强迫力作用后其动力平衡微分方程为:
式中,m,c,K,x,t和P(t)分别为质量,阻尼系数,弹簧常数,位移,时间和干扰力。
同样模型的微分方程为:
当确定各物理量的相似常数Sm、Sc、Sk、Sx、St和SP并将(18—7—17)式中模型参数用原型参数与相似常数的乘积表示:
比较公式(18—7—18)与(18—7—16)即得
由此可得相似判据为:
上列说明相似判据的形式变换仅与相似常数有关,而微分符号可不予考虑。
2.量纲分析法与π定理
(1)量纲分析概述
当研究的问题过于复杂而无法建立表示物理过程的方程式时,可用量纲分析法由量纲和谐的原理来推导相似判据。
它不需要建立现象的方程式,而只要求确定有哪些物理量参与研究的对象,以及知道测量这些量的单位系统的量纲就可以进行分析。
被测量的物理量的种类称为这个量的量纲。
量纲只区别量的种类,而不区别同一量的不同量度单位,量纲实质上就是物理量的广义量度单位。
同一类型的物理量,具有相同的量纲。
现实世界是存在着众多的物理量,我们可以按其性质将这众多的物理量分成基本物理量和导出物理量,用来表示基本物理量的量纲称为基本量纲,表示导出物理量的量纲称为导出量纲。
例如在力学中人们取“长度”、“质量”、“时间”为基本物理量,分别用[L]、[M]、[T]表示它们的量纲,则速度、加速度等为导出物理量,相应的量纲可以写成[LT—1][LT—2]等,任何导出物理量的量纲都可以用基本物理量的量纲来表示,称用基本量纲表示导出量纲的表达式为量纲公式。
在物理学中,选用质量的量纲[M]、长度的量纲[L]、时间的量纲[T]为基本量纲时
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- 3536 结构 试验
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