一种混凝土应力传感器及其使用方法与流程

本发明涉及一种混凝土应力传感器及其使用方法，属于土木工程领域。

背景技术：

目前，混凝土结构中常用的应力传感器可大致分为以下几类：（1）振弦式应力计外部应力改变传感器钢弦松紧程度，通过激振电路使传感器钢弦产生共振，并读取钢弦频率从而获得应力值。（2）压电式应力传感器以压电陶瓷为敏感单元，通过测量压电材料中等效电路参数来反映混凝土结构中的静态或准静态应力。（3）光纤光栅应力传感器反射光的波长对应力和应变非常敏感，当弹性体受到有压力时，光纤光栅与弹性体一起发生变形，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量来感测应变。

根据以上常规的混凝土应力传感器的工作原理可知，目前的混凝土应力测试都是通过测量应变，再考虑混凝土的弹性模量得到的。由此可知，准确地说，目前的混凝土应力传感器其实是混凝土应变计。混凝土材料在成型后，会发生干缩和徐变，因此，测得的混凝土应变内包含干缩和徐变引起的部分，由此得到的应力并非真实的应力。实际工程中，人们只能准确地测试短期荷载或临时荷载产生的应变增量，从而得到应力增量。对混凝土中实时的应力，只能利用制作的试件，测量干缩和徐变的变化规律，推算混凝土内干缩和徐变对应的应变部分，测量的总应变扣除该应变部分，进而计算混凝土内的应力。混凝土结构中混凝土的应力检测一直是土木行业内没有得到解决的问题，人们一直渴望能够直接测量得到混凝土内的实时的真实应力。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种混凝土应力传感器及其使用方法。

本发明提供一种混凝土应力传感器及其使用方法，该混凝土应力传感器由左端块、右端块、和位于左端块和右端块之间的应力测试柱组成；该应力测试柱采用特殊混凝土制成，其配合比与混凝土结构中的混凝土相同，只是其中的集料被替换为铁磁集料，两种集料的级配完全相同。所述的混凝土应力传感器的使用分为室内准备阶段和现场作业阶段，具体包括以下步骤：

准备阶段步骤1准备铁磁粒料，配制与结构中混凝土的集料级配相同的铁磁集料；

准备阶段步骤2采用制备的铁磁集料，按结构中混凝土的配合比，制备特殊混凝土，用该特殊混凝土制作一组应力测试柱；

准备阶段步骤3用环氧树脂胶液涂抹应力测试柱的两个端面，并将应力测试柱安装入左端块和右端块对应的凹槽内，且左端块和右端块位置对应，它们的被动测试面在同一平面内；

准备阶段步骤4利用压力试验机对制作的应力传感器施压，荷载分8级，并使用配套的磁通量测试仪测量感应电压；该磁通量测试仪由左测量臂、右测量臂和手把组成，左测量臂内有左激励线圈，右测量臂内有右激励线圈，手把内有感应线圈，该磁通量测试仪左右对称；测试时，磁通量测试仪的两个主动测试面分别与混凝土应力传感器相应的被动测试面相对，且用力保持密贴，打开脉冲开关，即可读取磁通量测试仪中的感应电压；根据一组应力传感器的试验结果，建立感应电压与混凝土中的应力值的对应关系，通过对磁通量测试仪的设置，使其可同时输出所测到的感应电压和应力；

准备阶段步骤5不同温度下，重复准备阶段步骤4，对所建立的感应电压与混凝土应力关系进行温度修正；

作业步骤1在工程中测量部位准备浇筑混凝土前五个小时，浇筑制作应力测试柱，带模养护；

作业步骤2浇筑混凝土前，取出应力测试柱，按准备阶段步骤3制作混凝土应力传感器；

作业步骤3安装到预定的测试位置，并固定，外露的两个被动测试面位于设计的结构表面，浇筑混凝土，等该应力传感器周围的混凝土完全固结后，才能启用该应力传感器；

作业步骤4采用与准备阶段步骤4相同的方法，测试该应力传感器所处位置的混凝土应力，同时考虑温度的影响，即可得到混凝土中的应力值。

进一步地，左端块和右端块为同一种配件，可统称为端块，端块有一个平整的被动测试面，且另有一个侧面中部有凹槽。这就简化了端块的设计和制作，可以对所有等级的混凝土，只设计一种规格的端块。凹槽的作用是制作的应力测试柱的端部嵌入端块内，使左端块、应力测试柱和右端块三者成为固定的一体，制作好后可方便地安放到指定位置，随混凝土的浇筑，埋入混凝土结构内。

进一步地，铁磁集料采用铁氧体。这是因为铁氧体的导磁率比普通材料高得多。因而会提高应力传感器的灵敏度。

进一步地，两个被动测试面外露在工程结构的同一个表面，且相平齐；外露的被动测试面平整。这是为了保证外部配套的磁通量测试仪测量时，结合面能密贴。在制作应力传感器时，可采用特制的辅助工具定位相应的两个端块，确保其位置准确。

本发明的方案主要基于以下原理：（1）混凝土内的干缩和徐变主要发生在水泥浆体内，与集料的关系很小，因此，所述的集料替换，不影响应力测试柱的干缩和徐变；（2）在混凝土浇筑时，埋入刚制作的混凝土应力传感器，可认为适当养护的混凝土应力传感器内的水泥浆体，此时尚未发生干缩和徐变，该应力传感器内随后发生的干缩和徐变即代表所在位置混凝土的干缩和徐变，在随后的受载过程中，应力传感器与其所代表的所处位置的混凝土变形状态相同，应力状态相同，铁磁集料的应力即为其所处位置的混凝土中的应力；（3）水泥浆体不是铁磁材料，其导磁性能几乎恒定不变，铁磁材料在不同的应力状态，有不同的磁导率，因此，铁磁集料的应力决定了所述传感器的导磁能力；（4）测量时利用外部的磁通量测试仪，激励线圈产生的磁场通过混凝土应力传感器，磁通量测试仪内的感应线圈受到磁场的影响，会产生感应电压。感应电压就与传感器的导磁能力有关，也就是与铁磁集料的应力有关，进而感应电压与混凝土中的应力建立了对应关系，而与结构中的混凝土及应力传感器内的特殊混凝土的干缩和徐变无关；（5）通过提前的室内试验，可建立这种感应电压与应力的对应关系曲线。根据得到的感应电压，即可确定混凝土内的应力。该传感器造价低廉，增加的费用也很少，与工程结构同寿命。

该应力传感器制作方便，便于工程结构建成后的混凝土应力检测，可自动扣除混凝土的干缩和徐变的影响，得到真实的实时应力；构造简单，造价低，与工程结构同寿命，可降低工程结构的检测费用，经济实用；该应力传感器及其使用方法，解决了土木工程领域内长期渴望解决，而又悬而未决的混凝土应力测试问题。

附图说明

图1本发明的应力传感器埋入混凝土后的示意图。

图2测试应力时的结构示意图。

图3磁通量测试仪的主体示意图。

图4实施例一中的应力传感器示意图。

图5实施例一中的端块斜视示意图。

图6实施例二中的应力传感器示意图。

图7实施例二中的端块斜视示意图。

图中标识：1-左端块;2-右端块;3-应力测试柱;4-混凝土;5-凹槽;6-左测量臂;7-右测量臂;8-手把;9-主动测试面;10-被动测试面;15-左激励线圈;16-右激励线圈;17-感应线圈;19-混凝土。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案进行了描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

本实施例测试混凝土箱梁内的底板应力，该箱梁的混凝土强度为c50，混凝土应力传感器示意图见图1、图2和图4，该混凝土应力传感器由左端块1、右端块2、和位于左端块1和右端块2之间的应力测试柱3组成；应力测试柱3的形状为圆柱，直径100mm，长度200mm；应力测试柱3采用特殊混凝土，其配合比与混凝土结构中的混凝土4相同，只是其中的集料被替换为铁氧体，两种集料的级配完全相同。左端块1和右端块2为同一种配件，可统称为端块，材质为铁氧体。端块厚度为50mm，端块有一个平整的被动测试面10，且另有一个侧面中部有凹槽5，具体见图5。凹槽5的直径为101mm，深度为10mm，到被动测试面10的最短距离为30mm。端块的上端面为被动测试面10，横向长度为160mm。

测试混凝土应力的实施包括室内准备阶段和现场作业阶段，具体如下：

准备阶段步骤1准备铁氧体粒料，配制与结构中混凝土19的集料级配相同的铁氧体集料；

准备阶段步骤2采用制备的铁氧体集料，按结构中混凝土19的配合比，制备特殊混凝土，用该特殊混凝土制作一组（三个）应力测试柱3；

准备阶段步骤3用环氧树脂胶液涂抹应力测试柱3的两端面，将应力测试柱3安装入左端块1和右端块2对应的凹槽5内，且左端块1和右端块2位置对应，它们的被动测试面10在同一平面内；

准备阶段步骤4利用压力试验机对制作的应力传感器施压，荷载分8级，并使用配套的磁通量测试仪测量感应电压，见图2、图3。该磁通量测试仪由左测量臂6、右测量臂7和手把8组成，左测量臂6内有左激励线圈15，右测量臂7内有右激励线圈16，手把8内有感应线圈17，该磁通量测试仪左右对称。测试时，两个主动测试面9分别与相应的被动测试面10相对，且用力保持密贴，打开脉冲开关，即可读取磁通量测试仪中的感应电压。根据一组混凝土应力传感器的试验结果，建立感应电压与混凝土19中的应力值的对应关系，通过对磁通量测试仪的设置，使其可同时输出所测到感应电压和应力；

准备阶段步骤5不同温度下，重复准备阶段步骤4，对所建立的感应电压与混凝土应力关系进行温度修正。

作业步骤1在工程中准备浇筑待测部位底板混凝土前五个小时，浇筑制作应力测试柱3，带模养护；

作业步骤2取出应力测试柱3，按准备阶段步骤3制作混凝土应力传感器；

作业步骤3安装到预定的测试位置，并固定，外露的两个被动测试面10位于设计的底板上表面，浇筑混凝土19，等该应力传感器周围的混凝土19完全固结后，才能启用该混凝土应力传感器；该混凝土应力传感器周围还同时埋设有温度传感器；

作业步骤4采用与准备阶段步骤4相同的方法，测试该应力传感器，同时测试混凝土19内的温度，考虑温度的影响，即可得到混凝土19中的应力值。

实施例二

本实施例是对实施例一的修改，与实施例一的不同之处在于：应力测试柱3的形状为棱柱，长度200mm，横截面为正方形，边长100mm；端块的形状相应地变化，端块为立方体，高度为160mm，凹槽5位于一侧的中部，横截面为边长为101mm的正方形，深度为10mm，见图6和图7。

上述具体实施方式的描述仅用于说明本发明,而不用于限制本发明的权利保护范围。