基于变形模量的既有结构混凝土疲劳残余应变测试方法与流程

本发明涉及工程检测技术领域，尤其是一种基于卸载/再加载变形模量的既有结构混凝土残余应变测试方法。

背景技术：

实际工程中，混凝土结构在其使用期内常承受着重复加卸载的疲劳荷载作用,混凝土损伤在宏观上体现为残余应变及总应变的大小，与外荷载的作用历程无关。由于残余应变表征混凝土损伤的代表性和稳定性好，被公认为评估混凝土结构损伤状态的关键参数之一，适合于各种强度等级的混凝土。但其现场测试与分析还存在困难，主要表现在以下几个方面：

(1)现在混凝土残余应变的测试及分析主要在实验室实施，根据明确的加卸载疲劳试验，获取混凝土残余应变与加载应力幅、疲劳次数等相关参量的关系，而实际混凝土结构由于受荷载、温度、环境等多种因素的综合作用，作用历程往往不知，则混凝土残余应变无法按现有分析方法获得。

(2)既有结构混凝土长期应变监测中，即使设置了无应力计消除温度变化、收缩变形的影响，测试应变中还包含了徐变应变，混凝土的应力相关应变需要从测试应变中扣除徐变应变，但由于混凝土徐变的影响因素复杂，其计算结果与实际往往差距很大，混凝土的应力相关应变误差也很大，更不用说混凝土残余应变。

(3)混凝土结构疲劳作用后，通过静力荷载试验或超声波无损测试方法，现场测试均能得到结构混凝土的卸载/再加载变形模量。在混凝土结构应力状态已知或现场采用应力释放法可以得到混凝土的弹性应变，但得不出混凝土残余应变；静力荷载试验也仅能得到应力增量和应变增量。卸载/再加载变形模量随应力相关应变的增大而减小，与初始切线弹性模量比较可以反映混凝土的损伤发展，与外荷载的作用历程无关，但其最大的问题是没有统一的评估标准表征各种强度等级的混凝土损伤状态。

因此，如何通过实际混凝土卸载/再加载变形模量测试与分析得到残余应变就成为关键问题，而且获得残余应变可以进一步得到混凝土的真实应力相关应变，通过实施可为既有混凝土结构损伤定量评估奠定基础。

技术实现要素：

本发明涉及一种基于变形模量的既有结构混凝土疲劳残余应变测试方法，要解决现有方法无法获得混凝土的残余应变，从而不能对混凝土结构的累积损伤状态进行定量评估的技术问题。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案。

一种基于变形模量的既有结构混凝土疲劳残余应变测试方法，根据静力试验得到混凝土的卸载/再加载变形模量和实际混凝土的单轴受压应力-应变曲线，再通过分析得到混凝土的静力等效应变εr，从而进一步得到残余应变值εp；包括步骤如下，

步骤一：利用无损检测方法，测试既有结构中检测构件的混凝土抗压强度fc,r。

步骤二：根据步骤一中的混凝土抗压强度fc,r，查得混凝土的弹性模量Ec和峰值压应变εc,r。

步骤三：根据实测混凝土抗压强度fc,r、弹性模量Ec以及公式σ＝(1-d_c)E_cε做出混凝土的单轴受压应力-应变曲线。

其中，σ为混凝土单轴受压的应力，d_c为混凝土单轴受压损伤演化参数，ε为混凝土单轴受压的的应变。

步骤四：根据公式σ＝(1-d_c)E_cε和公式得出混凝土的初始切线模量Eτ。

步骤五：在主要受力构件的最不利受力截面受压区的边缘最大压应变处布置关键测点，并在关键测点处贴应变计。

步骤六：在构件弹性范围内进行静力试验，先施加静力荷载，然后卸载；通过静力试验及应变测试系统，测得关键测点的应变增量Δε，并根据受力平衡和变形协调条件得出应力增量Δσ。

步骤七：利用步骤六中得到的应变增量Δε及应力增量Δσ，根据公式得到混凝土的卸载/再加载变形模量Er。

其中，⊿σ、⊿ε分别为静力试验得到的混凝土应力增量和应变增量。

步骤八：比较混凝土关键测点的卸载/再加载变形模量Er与初始切线模量Eτ的大小，判断混凝土是否产生与应力相关的残余应变。

步骤九：根据步骤八中的判断结果，评定混凝土受压损伤状况。

优选的，步骤一对既有结构中检测构件的混凝土抗压强度fc,r的检测采用回弹法或回弹-超声综合法现场检测。

优选的，步骤一中对混凝土抗压强度fc,r检测完成后，还包括采用钻芯法对混凝土抗压强度fc,r、弹性模量Ec和峰值压应变εc,r进行修正或验证的步骤。

优选的，步骤一中的检测构件与步骤五中主要受力构件为同一批浇筑的混凝土构件。

优选的，步骤一中检测构件为有代表性的次要受力构件或者构造构件或者主要受力构件；

所述次要受力构件为结构中除主要受力构件以外的受力构件；

所述构造构件为构造柱或挡块或隔板；

所述主要受力构件为主梁或者承重柱或者墩。

优选的，对主要受力构件进行混凝土抗压强度fc,r检测避开主要受力区域；所述主要受力区域包括主梁的跨中区域、剪弯区域和墩柱底部的受压区域、受弯区域、受剪区域。

优选的，步骤五中所述主要受力构件的最不利受力截面为主梁的跨中截面或者墩柱底部截面；所述应变计沿截面高度平行于压应力方向黏贴。

优选的，步骤八的比较具体为：

当Er大于或等于初始切线模量Eτ时，可确定混凝土未产生与应力相关的残余应变，即混凝土残余应变εp＝0。

当Er小于Eτ时，可确定混凝土未产生与应力相关的残余应变，即混凝土残余应变εp＞0。

优选的，根据步骤八中的比较结果对混凝土受压累积损伤程度进行评定：

当混凝土残余应变εp＝0，受压混凝土完好，无损伤，评定结束。

当混凝土残余应变εp＞0，受压混凝土受损伤。

优选的，根据步骤九的评定结果，当受压混凝土受损伤时，测试方法还包括，

步骤十：建立卸载/再加载变形模量Er与静力等效应变εr关系，公式如下：

步骤十一：根据Berkeley加卸载模型给出的表示混凝土残余应变与静力等效应变的关系的公式与步骤十中的所述的卸载/再加载变形模量Er与静力等效应变εr关系的公式，综合得出静力等效应变εr。

其中残余应变与静力等效应变的关系的公式如下：

其中，εc,r是指混凝土峰值压应变。

步骤十二：由σ_r＝(1-d_c)E_cε_r得出εr对应的静力等效应力σr，从而根据公式εp＝εr-σr/Er进一步得出混凝土残余应变值εp。

步骤十三：根据混凝土残余应变值εp和静力等效应变εr，综合评价混凝土受压累积损伤程度，并根据静力等效应变推断混凝土的损伤后强度。

其中混凝土比例极限荷载作用下的应变表示为εb,εb＝1/3×fc,r/Ec。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。

1、本发明对混凝土的变形模量测试采用静力试验及应变测试系统进行静力测试，得出混凝土的卸载/再加载变形模量Er，相比于传统的超声波法测得的混凝土变形模量精度高。

2、本发明选取代表性的次要受力构件进行混凝土强度测试，避免了损害主要受力构件而影响结构受力性能。

3、本发明通过测试混凝土主要受力构件关键截面最大压应变处的卸载/再加载变形模量Er直接得出该处的残余应变εp，并在此基础上定量评估混凝土结构的累积损伤状态；解决了传统方法无法获得混凝土的残余应变，并不能对混凝土结构的累积损伤状态进行定量评估的技术问题。

附图说明

图1为本发明中方法的步骤框图。

图2为本发明中在确定受压混凝土受损伤后进一步分析混凝土受压累积损伤程度的步骤框图。

图3为本发明中疲劳荷载作用下的混凝土受压应力-应变曲线及相关参数图。

具体实施方式

本发明的目的是提出一种基于变形模量的既有结构混凝土残余应变测试方法。混凝土结构工程中混凝土主要承受压应力，同一批浇筑的混凝土构件可分为主要受力构件(部位)和次要受力构件(部位)。通过测试混凝土主要受力构件关键截面最大压应变处的卸载/再加载变形模量Er直接得出该处的残余应变εp。在此基础上可定量评估混凝土结构的累积损伤状态。

这种基于变形模量的既有结构混凝土疲劳残余应变测试方法，根据静力试验得到混凝土的卸载/再加载变形模量和实际混凝土的单轴受压应力-应变曲线，再通过分析得到混凝土的静力等效应变εr，从而进一步得到残余应变值εp；包括步骤如下。

步骤一：利用无损检测方法，实际检测既有结构中有代表性的次要受力构件的混凝土抗压强度fc,r。

步骤二：根据步骤一中的混凝土抗压强度fc,r查得到混凝土的弹性模量Ec和峰值压应变εc,r。

步骤三：按《规范》第C.2.4条规定，根据实测混凝土抗压强度fc,r、弹性模量Ec以及公式σ＝(1-d_c)E_cε做出混凝土的单轴受压应力-应变全曲线；

其中，σ为混凝土单轴受压的应力；d_c为混凝土单轴受压损伤演化参数；ε为混凝土单轴受压的应变。

步骤四：根据公式σ＝(1-d_c)E_cε和公式得出混凝土的初始切线模量Eτ。

步骤五：在主要受力构件最不利受力截面的受压区，沿截面高度且平行于压应力方向黏贴应变计，一般可布置3-4个测点，其中构件受压区边缘的最大压应变处为关键测点。

步骤六：在构件弹性范围内进行静力试验，先施加静力荷载，然后卸载；通过静力试验及应变测试系统，测得关键测点的应变增量Δε，并根据受力平衡和变形协调条件得出应力增量Δσ。

步骤七：利用步骤六中得到的应变增量Δε及应力增量Δσ，根据公式得到混凝土的卸载/再加载变形模量Er。

其中，⊿σ、⊿ε分别为静力试验得到的混凝土应力增量和应变增量。

本实施例中，鉴于现在超声波法测试混凝土变形模量，尤其是测试损伤区域混凝土变形模量精度不高的问题，采用静力试验的方法确定卸载/再加载变形模量。首先根据结构受力分析确定主要受力构件的最不利受力截面(关键截面，如主梁的跨中，墩柱底部截面等)，在最不利受力截面的受压区，沿截面高度且平行于压应力方向黏贴应变计，一般可布置3-4个测点，其中最大压应变处为关键测点，如主梁跨中截面的受压区边缘，墩柱底部截面的受压区边缘；然后在构件弹性范围内先施加静力荷载，然后卸载，得到关键测点的应变值，即应变增量，根据受力平衡和变形协调条件得出应力增量，由此计算出卸载/再加载变形模量Er的值。

步骤八：比较混凝土关键测点的卸载再加载变形模量Er与初始切线模量Eτ的大小，判断混凝土是否产生与应力相关的残余应变。

步骤九：根据步骤八中的判断结果，评定混凝土受压损伤状况。

本实施例中，所述步骤一对既有结构中有代表性的次要受力构件的混凝土抗压强度fc,r检测采用回弹法或回弹-超声综合法现场检测，根据《规范》表4.1.5查得混凝土的弹性模量Ec和峰值压应变εc,r；并且采用钻芯法(见《混凝土结构现场检测技术标准》GB/T 50784)对混凝土抗压强度fc,r、弹性模量Ec和峰值压应变εc,r进行修正或验证。

混凝土具有抗压强度高，抗拉强度低、质脆易裂的特点。在结构中应用时，将钢筋和混凝土这两种材料按照合理的方式有机地结合在一起共同工作，可以取长补短，使钢筋主要承受拉力、混凝土主要承受压力，充分发挥它们的材料特性，并使得结构具有良好的变形能力，混凝土结构成为国内外各种工程中应用最为广泛、应用量最多的一种结构形式。

本实施例中，为避免损害主要受力构件而影响结构受力性能，选择同一批浇筑(强度等级、工程质量相同)的有代表性的次要受力构件进行强度测试。

在其他实施例中，检测构件也可以选择为同一批浇筑构造构件或者主要受力构件；当检测构件为主要受力构件时，检测区域避开主要受力区域。例如混凝土框架体系中的主梁、柱为主要受力(承重)构件(同时也是承受地震等低周疲劳作用的主要受力构件)，次梁为次要受力构件，构造柱为构造构件。对于结构形式较为单一的梁式结构，如混凝土桥梁、吊车梁，主梁直接承受车辆疲劳荷载作用；墩(柱)承受地震等的低周疲劳作用。在混凝土抗压强度现场检测时，应避开构件的主要受力区域(受力损伤区域)，如主梁的跨中区域、剪弯区域，墩柱底部的压-弯-剪区域等，在构造构件(如挡块或隔板)，或次要受力构件(如横隔梁)，或远离主要受力区域的次要受力区域(如梁、柱的自由端区域)进行检测。

本实施例中，步骤八的比较具体为：

当Er大于或等于初始切线模量Eτ时，可确定混凝土未产生与应力相关的残余应变，即混凝土残余应变εp＝0。

当Er小于Eτ时，可确定混凝土未产生与应力相关的残余应变，即混凝土残余应变εp＞0。

本实施例中，根据步骤八中的比较结果对混凝土受压累积损伤程度进行评定：

当混凝土残余应变εp＝0，受压混凝土完好，无损伤，评定结束。

当混凝土残余应变εp＞0，受压混凝土受损伤。

本实施例中，根据步骤九的评定结果，当受压混凝土受损伤时，测试方法还包括，

步骤十：建立卸载/再加载变形模量Er与静力等效应变εr关系，公式如下：

步骤十一：根据Berkeley加卸载模型给出的表示混凝土残余应变与静力等效应变的关系的公式与步骤十中的所述的卸载再加载变形模量Er与静力等效应变εr关系的公式，综合得出静力等效应变εr。

其中残余应变与静力等效应变的关系的公式如下：

其中ε_c,r是指混凝土峰值压应变。

步骤十二：由σ_r＝(1-d_c)E_cε_r得出εr对应的静力等效应力σr，从而根据公式εp＝εr-σr/Er进一步得出混凝土残余应变值εp。

步骤十三：根据混凝土残余应变值εp和静力等效应变εr，综合评价混凝土受压累积损伤程度；并根据静力等效应变推断混凝土的损伤后强度。

其中混凝土比例极限荷载作用下的应变表示为εb,εb＝1/3×fc,r/Ec。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现型式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。