荷载-位移转换装置及其应用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地下工程锚固结构健康检测领域，具体地说是一种用于锚杆或锚索的 荷载-位移转换装置及其应用方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，锚杆在地下工程支护领域获得了广泛的应用，对于降低支护成本和减少 事故发挥了重要作用。由于锚杆埋置于围岩内部，属于隐蔽结构，其健康诊断以及支护作用 评价较为困难。为了评估锚杆的支护作用和健康状态，一般将锚杆轴力作为重要评价指标， 但是锚杆轴力的测量却非常困难。目前国内外采用的锚杆轴力测量方法主要包括：应变测 量法、压力传感器测量法和振弦式锚杆测力计。
[0003] 应变测量法是指在锚杆安装前，在锚杆轴向布设应变片或者光纤光栅，锚杆受力 后产生一定的变形，可以测量锚杆的轴向应变，根据测得的应变计算锚杆的轴力。这种方法 中采用的应变片和光纤光栅极易损坏，对周围环境要求较高，测量结果不稳定，测量结果一 般只能作为参考。另外，光纤光栅应变测量系统成本较高。
[0004] 压力传感器测量法是指在锚杆托盘处预先安装一个压力传感器，通过压力传感器 直接测量锚杆轴力。这种方法测量精度可以保证，但是成本较高，单个压力传感器的成本达 到上万元，如果不回收利用的话会造成极大的浪费，回收的话则会造成锚杆失效，威胁工程 安全。
[0005] 振弦式锚杆测力计首先将锚杆变形传递给振弦，从而改变振弦的振动频率。通过 振弦频率检测可以得到振弦的变形，进而得到锚杆的变形，进而求得锚杆的轴力。这种方法 需要预先将振弦的两端焊接在锚杆上，不仅操作复杂，焊接质量难以保证，而且还大大增加 了锚杆的安装难度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于将锚杆或锚索轴力的测量转化为位移的测量，从而降低轴力测 量成本，提供一种荷载-位移转换装置及其应用方法。
[0007] 其技术解决方案是：一种荷载-位移转换装置，其特征在于主要包括：异形钢、下 垫板和上垫板，异形钢位于下垫板和上垫板之间，三者的中心位于同一轴线上；所述的异形 钢，具有非平面结构，其中心设有孔洞，锚杆或锚索可以从该孔洞穿过，该异形钢具有不小 于锚杆或锚索的最大轴力的法向承载力，随着异形钢所受荷载增加，其逐渐被压扁，异形钢 所受荷载与产生的位移之间具有单调递增的关系；所述的下垫板和上垫板均为表面平整， 中心设有孔洞的钢板，锚杆或锚索可以从孔洞穿过。
[0008] 所述的异形钢几何形状有多种形式，以下仅列举两种：1)异型钢的外围形状为圆 形，立体形状呈碗型；2)异型钢的外围形状为正方形，立体形状呈"M"曲面型。
[0009] 本发明的应用方法是： ①对所述的荷载-位移转换装置进行力学和变形特性测试；通过压力机在法向对其进 行压缩实验，得到荷载-位移转换装置的荷载-位移曲线； ② 安装锚杆或锚索；采用常规方法将锚杆的内锚固段固定在锚孔之后，依次安装下垫 板、异型钢和上垫板，使锚杆或锚索穿过它们预留的孔洞，然后紧固螺母；测量上垫板上表 面和下垫板上表面之间的垂直距离； ③ 锚杆或锚索开始受力后，锚杆轴力通过螺母反作用在荷载-位移转换装置上，异型 钢受力后产生变形；再次测量上垫板上表面和下垫板上表面之间的垂直距离，从而得到荷 载-位移转换装置受压产生的相对位移； ④ 根据步骤①测得的荷载-位移转换装置的荷载-位移曲线，以及步骤③测得的相对 位移，换算即可得到荷载-位移转换装置所受荷载，该荷载等于锚杆或锚索的轴力。
[0010] 本发明的基本原理是：由于直接测量锚杆的轴力较为困难，根据本申请异型钢所 受荷载和变形之间的关系，将荷载的测量转化为位移的测量，进而求得锚杆或锚索的轴力。
[0011] 本发明的有益效果是：本申请提出的荷载-位移转换装置及其应用方法，使锚杆 轴力测量变得简单易行，大大降低了测量成本，对于工程现场的动态反馈支护设计具有重 要意义。
【附图说明】
[0012] 下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步说明： 图1为本发明所述的荷载-位移转换装置及其应用方法的原理示意图； 图2为所述异型钢一种优选实施方式的俯视示意图； 图3为图2沿丽面的剖面示意图； 图4为所述荷载-位移转换装置的荷载-位移曲线的一种。
【具体实施方式】
[0013] 结合附图1，一种荷载-位移转换装置，其特征在于主要包括：异形钢1、下垫板2 和上垫板3,异形钢位于下垫板和上垫板之间，三者的中心位于同一轴线上，下垫板2与围 岩6接触；所述的异形钢1，具有非平面结构，其外围形状为圆形，立体形状呈碗型，其中心 设有孔洞S1，锚杆或锚索可以从该孔洞穿过；异型钢的俯视图如图2所示，沿MM剖面示意 图如图3所示；该异形钢具有不小于锚杆或锚索的最大轴力的法向承载力，随着异形钢所 受荷载增加，其逐渐被压扁，异形钢所受荷载与产生的位移之间具有单调递增的关系；所述 的下垫板2和上垫板3均为表面平整，中心设有孔洞的钢板，锚杆或锚索可以从孔洞穿过。 [0014] 本发明的应用方法是： ① 对所述的荷载-位移转换装置进行力学和变形特性测试；通过压力机在法向对其进 行压缩实验，得到荷载-位移转换装置的荷载-位移曲线如图4所示； ② 安装锚杆或锚索4 ;采用常规方法将锚杆的内锚固段固定在锚孔之后，依次安装下 垫板2、异型钢1和上垫板3,使锚杆或锚索穿过它们预留的孔洞，然后紧固螺母5 ;测量上 垫板上表面和下垫板上表面之间的垂直距离L ; ③ 锚杆或锚索开始受力F后，锚杆轴力通过螺母反作用在荷载-位移转换装置上，异型 钢受力后产生变形；再次测量上垫板上表面和下垫板上表面之间的垂直距离，从而得到荷 载-位移转换装置受压产生的相对位移； ④根据步骤①测得的荷载-位移转换装置的荷载-位移曲线，以及步骤③测得的相对 位移，换算即可得到荷载-位移转换装置所受荷载，该荷载等于锚杆或锚索的轴力。
[0015] 以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式的一种，本领域的技术人 员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种荷载-位移转换装置，其特征在于主要包括：异形钢、下垫板和上垫板，异形钢 位于下垫板和上垫板之间，三者的中心位于同一轴线上；所述的异形钢，具有非平面结构， 其中心设有孔洞，锚杆或锚索可以从该孔洞穿过，该异形钢具有不小于锚杆或锚索的最大 轴力的法向承载力，随着异形钢所受荷载增加，其逐渐被压扁，异形钢所受荷载与产生的位 移之间具有单调递增的关系；所述的下垫板和上垫板均为表面平整，中心设有孔洞的钢板， 锚杆或锚索可以从孔洞穿过。
2. 根据权利要求1所述的荷载-位移转换装置，其特征在于，所述的异型钢的外围形状 为圆形，立体形状呈碗型。
3. 根据权利要求1所述的荷载-位移转换装置，其特征在于，所述的异型钢的外围形状 为正方形，立体形状呈"M"曲面型。
4. 如权利要求1-3任一所述的荷载-位移转换装置的应用方法，其特征在于包括以下 步骤： ① 对所述的荷载-位移转换装置进行力学和变形特性测试；通过压力机在法向对其进 行压缩实验，得到荷载-位移转换装置的荷载-位移曲线； ② 安装锚杆或锚索；采用常规方法将锚杆的内锚固段固定在锚孔之后，依次安装下垫 板、异型钢和上垫板，使锚杆或锚索穿过它们预留的孔洞，然后紧固螺母；测量上垫板上表 面和下垫板上表面之间的垂直距离； ③ 锚杆或锚索开始受力后，锚杆轴力通过螺母反作用在荷载-位移转换装置上，异型 钢受力后产生变形；再次测量上垫板上表面和下垫板上表面之间的垂直距离，从而得到荷 载-位移转换装置受压产生的相对位移； .1:根据步骤①测得的荷载-位移转换装置的荷载-位移曲线，以及步骤③测得的相对 位移，换算即可得到荷载-位移转换装置所受荷载，该荷载等于锚杆或锚索的轴力。
【专利摘要】本发明公开了一种荷载-位移转换装置，其特征在于包括：异形钢、下垫板和上垫板；所述的异形钢，具有非平面结构，其中心设有孔洞，锚杆或锚索可以从该孔洞穿过，该异形钢具有不小于锚杆或锚索的最大轴力的法向承载力，随着异形钢所受荷载增加，其逐渐被压扁，异形钢所受荷载与产生的位移之间具有确定的关系；根据上述关系，将荷载的测量转化为位移的测量，进而求得锚杆或锚索的轴力。本发明使锚杆轴力测量变得简单易行，大大降低了测量成本，对于工程现场的动态反馈支护设计具有重要意义。
【IPC分类】G01L1-00
【公开号】CN104713668
【申请号】CN201510049728
【发明人】吴学震, 蒋宇静, 王刚, 公彬, 关振长
【申请人】山东科技大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年2月1日