基于八面体的三维应变花装置及测试方法与流程

本发明属于岩土工程应变测试领域，特别是一种基于八面体的三维应变花装置及测试方法。

背景技术：

通常情况下，材料的应变状态取决于材料的固有属性和受力状态。开展大型建筑在线安全监测工作，往往需要根据建筑结构关键点和控制断面的变形、应变以及结构的动力特性等模态参数，对结构的安全可靠性进行评估与检查，以便及时发现工程问题，采取相应的技术措施，把工程上的财力与人力损失降低到最低限度，保证建筑安全可靠和长久耐用。因此，大型结构对应变长期、实时、在线的监测工作，对实际工程具有十分重要的现实意义。

在土木工程、水利工程中，常规应变片可以测试受力体单一方向的应变。通常，我们将应变片或其他传感器黏贴于受力体表面某一确定方向上，来获取该方向上的力学参数。对于平面问题，当无法确定主应变方向时，可以在物体表面沿不同方向粘贴3个应变片，从而组成各种形式的应变花，进而由应变状态理论转换计算，便可获得到该点的主应变状态。混凝土或岩土体内部的应变状态比较复杂，难以简化为一维或二维简单情形。且对于三维应变的直接测试，尚无有效方法。

目前，工程中往往通过理论计算来获取混凝土或者岩土体内部的三维应变状态。由于材料的不均匀和易变形等性质，导致测试数据与真实值误差较大。比如，在地铁联络通道冻结法施工过程中，不同位置处土体的力学状态状态各不相同，且依赖于施工方式、天气状况等难以量化的影响因素^[9－10]。专利申请号2015109568005的应力测试方案，对此种问题中存在的应力测试繁琐、数据失真等问题进一步提出了解决方法，但该专利尚未对复杂三维空间中的应变测试提供明确的技术操作方法，以至于在工程实况中无法更加精确的掌握工程构件的变形状态和安全状况，导致事故频发。因此，对受力体内部三维应变状态的测试与检测，仍然是一个我们亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于八面体的三维应变花装置及测试方法，目的是安全快速的了解材料内部的应变状态，为材料三维应变状态测试提供一种成熟可靠的思路，同时解决了以往应变测试领域实践方面的欠缺以及数据失真等问题。相较于四面体式的应变花，该发明几何性质稳定，放置于待测体内部不易变形，测试数据更为精确。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于八面体的三维应变花装置，其中：该装置包括一个八面体基座、六个应变片固定杆、六个常规应变片、以及若干数据导线；所述八面体基座六个相互独立面的法线方向上布置有六个应变片固定杆，六个应变片分别用防水胶体粘贴于应变片固定杆；六个应变片的数据导线分别穿过八面体基座六个面上设有的数据导线孔，经由基座底面设有的导线汇总孔穿出，将汇总穿出的导线与数据采集仪相连接。

同时提供一种基于八面体的三维应变花装置的测试方法。

本发明的效果是安全快速的获取材料内部一点的应变状态，且该装置具备原理简明、构造稳定、计算结果可靠等特点。计算得三个主应力的测试精度为1.0ρ，三个剪应力的测试精度为1.22ρ，平均测试精度为1.11ρ。精度的提高为工程的安全防护提供科学的参考价值。

附图说明

图1为本发明涉及的新型三维应变花总体效果图；

图2为本发明涉及到的八面体基座；

图3为本发明涉及到常规应变片方向余弦的计算；

图4为本发明涉及到的八面体基座的N₇面图。

图中：

1.导线孔 2.应变片固定杆 3.八面体基座 4.常规应变片

5.数据导线 6.螺丝孔 7.防水胶体 8.导线汇总孔

具体实施方式

结合附图对本发明的基于八面体的三维应变状态测试装置及测试方法加以说明。

如图1、2所示，本发明的基于八面体的新型三维应变花装置及其测试方法原理是：三维应变花需由六个常规应变片采用不同形式构成；六个常规应变片的轴线方向互不干扰。该装置包括一个八面体基座3、六个应变片固定杆2、六个常规应变片4、以及若干数据导线5；所述八面体基座3六个相互独立面的法线方向上布置有六个应变片固定杆2，六个应变片4分别用防水胶体7粘贴于应变片固定杆2；六个应变片4的数据导线5分别穿过八面体基座六个面上设有的数据导线孔1，经由基座底面设有的导线汇总孔8穿出，将汇总穿出的导线与数据采集仪相连接。八面体基座3的六个面的法线方向与坐标轴的夹角得到应变片的方向余弦，进而得到转换矩阵及其逆矩阵。最后将数据采集仪得到的六个应变值与逆矩阵做乘积即得到待测材料内一点的应变状态。

上述基于八面体的三维应变花装置的应变片固定杆2是通过ppc塑料制造的管件，固定杆2的刚度大于待测材料刚度且小于八面体基座3的刚度。

本发明的基于八面体的三维应变测试装置具体操作步骤如下：

第一：将六个应变片固定杆沿八面体基座六个相互独立面的法线方向布置于基座3上，如N₁、N₂、N₃、N₄、N₅及N₆面，应变片用防水胶体粘贴于应变片固定杆2表面。如图1所示。

第二：常规应变片的数据导线于N₇面的数据导线孔汇总穿出。即形成基于八面体的三维应变测试装置。如图1、图4所示。

第三：将上述步骤(1)、(2)制作而成的三维应变花装置连接于数据采集仪并放置于材料内部。

第四：由数据采集仪得到六个应变读数，即ε₁、ε₂、ε₃、ε₄、ε₅、ε₆，表示为ε_θ＝{ε₁ ε₂ε₃ ε₄ ε₅ ε₆}^-1。

第五：根据基座法线方向向量与三维坐标轴夹角计算应变片方向余弦。如图3中OM为单向应力计的测试方向，OM*为OM在xoy平面的投影，δ为应力计测试方向与z轴的夹角，为应力计测试方向代表直线在xoy平面上的投影与x轴的夹角。则方向余弦的具体表达式如下：

n＝cosδ (6)

第六：由应变片方向余弦得到转换矩阵T及其逆矩阵T^-1。

第七：根据公式{ε_j}＝T^-1{ε_k}计算材料内部常规应变状态。

式中：ε_j＝{ε_c ε_y ε_z ε_xy ε_yz ε_xz}^-1，ε_x、ε_y、ε_z、ε_xy、ε_yz、ε_zx分别表示被测点的常规应变状态的三个正应变分量和三个剪应变分量。

假定已知某点的应变状态，则三维空间中任一方向的线应变可用下式表示：

ε_k＝ε_xl²|ε_ym²|ε_zn²|ε_xylm|ε_yzmn|ε_xzln (7)

其中，k＝1、2、3、4、5、6。则常规应变状态与所测读数之间的代数关系式如下：

{ε_j}＝T^-1{ε_k} (8)

其中j＝x、y、z、xy、yz、zx。

由图3可得本装置中各应变片的方向余弦，见表1：

表1常规应变片的的方向余弦

由式(9)及表1可确定矩阵T逆矩阵T^-1，即

针对以上推导过程，通过实施例来进一步阐述该测试装置以及测试方法。假设数据采集系统所采集到的基坑内一点六个应变读数为：1.25、0.86、1.37、1.10、1.00、0.94。即

ε_θ＝{ε₁ ε₂ ε₃ ε₄ ε₅ ε₆}^-1＝{1.25 0.86 1.37 1.10 1.00 0.94}^-1

由所测的三维数值和上述公式(1)(2)(3)(4)得到：

其中

经计算，该基坑中的三维应变状态为：

本发明的基于八面体的三维应变花装置为直接科学的获取材料应变状态提供了理论依据，并为相关工程中受力体的应变测试提供参考价值。

以上所述内容仅为结合本次制作过程进行说明，并不局限于此装置。对于本领域的技术人员来说，本装置以及操作方法可进行诸多更改。如可改变坐标系的建立方式从而求得不同的转换矩阵；凡在本发明技术方案范围内所作的任何改进、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。