一种混凝土坝线膨胀系数现场测定装置及测定方法与流程

本发明涉及一种混凝土坝，具体涉及一种混凝土坝线膨胀系数的测定装置及方法。

背景技术：

在水利工程、土木工程等大型混凝土结构工程中，混凝土温度变化对结构位移和应力等有显著影响，线膨胀系数就是影响混凝土温度应力计算的关键参数之一。因此，为了满足混凝土坝温度应力计算需要，以及满足混凝土坝温度控制方案实施的需求，应尽量提供较准确的混凝土线膨胀系数。

目前常用的混凝土坝线膨胀系数确定方法有三种。一是使用试验值，即根据设计方案，制作与现场混凝土成分接近的混凝土试件，对其施加一定的边界条件，用仪器测量其线膨胀系数。该法的局限性在于费用较高，试件尺寸也不能太大，当现场混凝土存在大骨料时，试验需剔除大骨料，这将导致试验与现场条件存在明显差异，无法反映现场施工随机因素的影响，继而所测线膨胀系数往往与实际值差异较大。二是根据经验取值，由于每个工程的内、外部条件都不同，因此经验公式最多只能给出一个大致的估算值。三是根据实测温度资料反演，常见为无应力计测值反演法，虽然用无应力计测值反演线膨胀系数时计算量较小，简单易行，但由于无应力计相对坝体体积太小，需剔除混凝土坝中的大骨料，因此所得结果与真实值差异较大。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种简单易行、精度高的混凝土坝线膨胀系数现场测定装置及测定方法。

技术方案：本发明提供了一种混凝土坝线膨胀系数现场测定装置及测定方法，包括布置在混凝土坝中的测量装置以及与之相连的观测仪表；

所述测量装置包括内层温度计、外层温度计、应变计、分别与应变计两端通过热缩套管同轴连接的长短两段石英玻璃管、整体包覆在石英玻璃管外周的泡沫填充物、pvc保护套管和隔热层，所述内层温度计贴合于石英玻璃管表面，所述外层温度计布置在隔热层的外表面与混凝土接触，两段石英玻璃管的外端面均插入混凝土中与其接触；

所述观测仪表包括连接内层温度计和外层温度计的温度采集模块以及与应变计相连的应变计传感器。

进一步，所述两段石英玻璃管的长度分别为1.75～1.8m和0.1～0.15m。

进一步，所述测量装置的轴向长度为2m，所述石英玻璃管的直径为2cm，所述pvc保护套管的直径为10cm，所述隔热层的厚度为1cm。

进一步，所述测量装置的轴向垂直于坝面埋设，上端面与坝面的垂直距离为20cm。

进一步，所述内层温度计沿轴向每隔1m均匀设置3个，外层温度计沿隔热层的长度方向每隔0.5m均匀设置5个，充分考虑了坝体内部空间温度的变化。

一种混凝土坝线膨胀系数现场测定装置的测定方法，包括以下步骤：

(1)在混凝土逐层浇筑到测量装置预安装高度后，选取位置安装，测量装置中设有应变计的一端朝上；

(2)对内层温度计与外层温度计测得的温度读数进行统计分析，用三次样条插值的方法将记录的温度变化数据拟合成温度变化趋势函数t内层(y)和t混凝土(y)；

(3)已知内层石英玻璃管线膨胀系数为α石英，测量装置长度记为l，则石英玻璃棒的应变量可以通过温度应变公式积分运算得到：

(4)外层混凝土的线膨胀系数设为α，则外层混凝土的应变量可以通过温度应变公式积分运算得到：

(5)坝内温度变化时，应变计仪器自身也会产生应变，记为ε仪器，由仪器生产厂家提供的参数查得；

(6)记应变计所测得的应变量为ε测，则可通过下列等式反推出混凝土重力坝线膨胀系数α：

ε混凝土＝ε石英+ε仪器+ε测。

发明原理：当混凝土坝内温度发生变化时，坝内混凝土产生应变，用测量装置中的温度计和应变计分别测量装置范围内混凝土的温度和相应应变，加上装置本身的应变后，计算出混凝土的线膨胀系数。

有益效果：1、本发明测量装置中的石英玻璃管线膨胀系数小，且计算过程中石英玻璃管的应变由温度和线膨胀系数积分得到，因此可以将玻璃管本身误差以及温度测量计算带来的误差降到最小；

2、本发明中应变计两端与石英玻璃管串联，应变计可以测量到两段石英玻璃管长度范围内的坝体应变，测得的应变量大；

3、本发明直接对建筑物本身进行现场测定，埋设在坝体内部的测量装置长度达2m，测量段内混凝土为原级配，且不必剔除大骨料，充分反映了现场随机因素的影响，推算得到的混凝土线膨胀系数更加贴合实际值；

4、本发明中的测量装置长达2m，可测得坝体2m内的应变，测得的应变量大，可以减少读数误差带来的影响，相对误差小，本发明的测量精度更高；

5、本发明中的测量装置埋设时距坝面的垂直距离为20cm，在大坝表面，受气温变化影响显著，混凝土温度变化量较大，由温度引起的应变也较大，相对观测误差小，推算得到的混凝土线膨胀系数精度高；

6、本发明中的测量装置垂直坝面埋设，测量装置的轴向没有正应力，测量装置只测量坝体因为温度变化而产生的应变，此埋设方式保证了本发明的合理性和精确性；

7、本发明中与混凝土接触的外层温度计沿隔热层表面共设5个，这样可充分考虑坝体内部空间温度的变化，拟合成的混凝土温度变化趋势函数更加合理；内层温度计沿石英玻璃管共设3个，可消除内部石英玻璃管自身因温度变化带来的误差，计算过程严谨，得出的结果更精确可靠；

8、本发明测量装置中，应变计两端和石英玻璃管串联，不与混凝土直接接触，可减小混凝土对应变计的损害。隔热层不仅能使内部与混凝土分隔开，还能使内部温度更加的趋于均匀。

附图说明

图1为本发明测定装置埋设方案示意图；

图2为本发明测量装置的剖面结构示意图；

图3为本发明测量装置的横截面示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：

一种混凝土坝线膨胀系数现场测定装置，如图1所示，包括测量装置2和观测仪表3，两者通过观测电缆3-3连接。测量装置2布置在混凝土坝1中且其轴线与坝面垂直，与坝面的垂直距离为20cm，混凝土重力坝温度场梯度分布规律(坝体温度呈层状分布，沿垂直于坝体表面的方向梯度变化)保证了测定装置垂直坝面埋设的可靠性、合理性和更高的精确性，以减少建筑物边界条件对观测部位温度场的影响。

如图2、3所示，测量装置2包括一长一短两段石英玻璃管2-1、同轴套装在石英玻璃管外的pvc保护套管2-5和隔热层2-6，石英玻璃管2-1与pvc保护套管之间填充有细泡沫填充物2-4。测量装置2的轴向长度为2m，石英玻璃管2-1分为一长一短两段，直径为均2cm，pvc套管2-5的直径为10cm，隔热层2-6的厚度为1cm，隔热层2-6的一端用苯板盖2-7堵住。此外，测量装置2中还包含由内层温度计2-8和外层温度计2-9组成的测温模块以及应变计2-2。内层温度计2-8布置于石英玻璃管周边，共设有3个，相邻两个内层温度计2-8之间相隔1m。外层温度计2-9布置在隔热层2-6的外表面与混凝土接触，沿隔热层2-6的长度方向每隔0.5m均匀的设置5个。长石英玻璃管2-1一端固定于混凝土中，另一端与应变计2-2通过热缩套管2-3串联，为防止应变计2-2与混凝土直接接触造成应变计2-2损伤，在应变计2-2另一端通过热缩套管2-3再接一小段石英玻璃管2-1用以和混凝土接触，应变计2-2位置可注入适量发泡剂加固。观测仪表3包括连接内层温度计2-8和外层温度计2-9的温度采集模块3-1以及与应变计2-2相连的应变计传感器3-2。

上述混凝土坝1线膨胀系数现场测定装置的测定方法，按照以下步骤进行：

步骤1：装置埋设：

首先，在混凝土逐层浇筑到测量装置2预安装高度后，选取测量装置2安装位置，将安装硬质塑料支架4固定，将测量装置2中不包括应变计2-2的一部分固定在支架4上，并保证测量装置2垂直坝面，硬质塑料导温差，可为现场的测定减小误差影响。

然后，混凝土仓面进行再浇筑，待混凝土浇筑接近用于测量变形的石英玻璃管2-1顶端时，用热缩套管2-3将应变计2-2固定在用于测量变形的石英玻璃管2-1上，然后再用一节热缩套管2-3将另一段用于保护应变计2-2的石英玻璃管2-1固定在应变计2-2上，并调节应变计2-2，再填入细泡沫填充物2-4，应变计2-2位置可注入适量发泡剂加固，最后盖上苯板盖。

最后，进行检验性观测以确保仪器各部件正常工作。观测仪表3通过观测电缆3-3连接测量装置2，其中温度采集模块3-1分别连接内层温度计2-8、外层温度计2-9，应变计传感器3-2与应变计2-2相连。保护好观测电缆3-3，避免上层混凝土浇筑时被损坏。

步骤2：数据收集：待混凝土全部浇筑完成并凝固硬化后，观测仪表3通过温度采集模块3-1收集测量装置2内层与外层混凝土不同位置的温度变化数据，通过应变计传感器3-2收集应变计2-2应变状态。

步骤3：数据处理：对内层温度计2-8与外层温度计2-9测得的温度读数进行统计分析，用三次样条插值的方法将记录的温度变化数据拟合成温度变化趋势函数t内层(x)和t混凝土(x)。

步骤4：混凝土线膨胀系数α反演：根据上述内层石英玻璃管2-1线膨胀系数已知为α石英，测定装置长度记为l，则石英玻璃管2-1的应变量可以通过温度应变公式积分运算得到：

将上述外层混凝土的线膨胀系数设为α，则外层混凝土的应变量可以通过温度应变公式积分运算得到：

温度作用下应变计2-2仪器自身产生的应变可由仪器生产厂家提供的参数查得，记为ε仪器。记应变计2-2所测的应变量为ε测，则可通过下列等式反推出混凝土坝1线膨胀系数α：

ε混凝土＝ε石英+ε仪器+ε测。