[发明专利]用于测试混凝土内部三维应力状态的装置及其测试方法

说明书

技术领域

本发明属于工程应力测试领域，涉及一种用于测试混凝土三维应力状态的装置及 其测试方法，可用于大型混凝土内部的应力监测。

背景技术

为保证工程的安全性和合理性，对结构的应力分布状况及材料危险界面等位置的 应力分布和最大应力值进行测试是必要的。比如在土木工程、水利工程、桥梁工程等大型混 凝土设施建设和使用过程中，精确直观的获取混凝土内部的应力状态，从而对工程进行加 固维修，是防患于未然的有效手段。

应力测试可以通过应力计或压力计完成。若想获得某一确定方向上的应力值，可 以通过在该方向布置应力计或压力计的方式来取得。对于平面应力和应变问题，当主应力 方向或主应变方向无法确定时，可通过在物体表面粘贴常规应变片组成的应变花测得。某 一确定方向的应力，可通过单向应力计或压力计测得，但常规单向应力计只能测定某一确 定方向上的应力。在工程实际中，往往需要获得某一物体内部的三维应力状态。比如，大型 混凝土结构在复合作用力或三向压力作用下的应力状态研究。

目前，工程上的应力测试领域存在的主要问题有：大型混凝土结构在建造和使用 过程中缺乏应力的实时性监测，使用过程中缺乏物联网系统的应用，且混凝土结构的检测 成本较高；单向应力测试技术获取的数据缺乏系统性，不能对三维应力状态进行评估；使用 三维应变花的研究成果可以获取介质内一点的三维应变状态，然而根据应变计算应力，必 然存在诸多不足；又混凝土中三维应力测试技术尚未见之于文献。因而，急需一种能直观的 测试出混凝土内部三维应力状态的实用技术，该种测试技术对解决实际的工程问题具备现 实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测试混凝土三维应力状态的装置及其测试方法，以 实现混凝土内部三维应力状态的直接测试，进而为大型混凝土中的三维应力测试提供可 能。

为解决上述问题，本发明提供一种用于测试混凝土三维应力状态的装置，该三维 测试装置埋置于混凝土中，并与数据采集系统相连接，其中：该装置包括有六个单向应力 计、核心基座、数据导线、基座固定杆，所述单向应力计设置在核心基座表面相互独立的法 线方向上，且六个单向应力计所测试的方向为相互独立的异面直线，六个单向应力计的数 据导线经核心基座内部孔汇总导出后与数据采集系统相连接，基座固定杆设置于核心基座 底面的法线方向上，形成混凝土三维应力计；通过所述数据采集系统得到六个单向应力计 的读数，依据六个应力测试元件的轴线方向，计算各应力计的方向余弦，根据六个应力计采 集的读数与各应力计方向余弦确定的转换矩阵之间的代数关系即可求得该点的常规应力 状态。

同时提供一种用于测试混凝土中三维应力状态的装置的测试方法。该测试方法基 于单向应力计的使用原理，通过测试混凝土中六个不同方向的应力获取六个实测值，根据 六个实测值并结合本文的推导的式(1)对混凝土内的常规应力状态进行确定。

本发明效果是填补了混凝土内部三维应力状态不能直接测试的空白，打破了先前 只能依靠在混凝土表面设置应力计测试表面应力并进一步推算其内部应力的技术局限。假 设单向应力计的精度为ρ，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。精度的提高能更准确的反映混凝土结构物的受力状态，提高 工程的安全储备。

附图说明

图1为本发明三维应力计效果图；

图2为本发明三维应力计的核心基座效果图；

图3为本发明三维应力计的计算原理图；

图4为本发明三维应力计的结构示意图；

图5为单向应力计轴线在三维空间中的方向余弦；

图6至图10为本发明中核心基座构件的制作流程图。

图中：

1.单向应力计2.核心基座3.数据导线4.基座固定杆

5.丝扣孔6.数据线孔道7.数据线汇总孔8.固定杆安装面

具体实施方式

结合附图对本发明的用于测试混凝土内部三维应力状态的装置及其测试方法加 以说明。

本发明的用于测试混凝土中三维应力状态的装置及其测试方法是基于：空间一点 的应力状态由三个正应力和三个剪应力共计六个应力分量来表述，因此至少需要六个相互 独立的测试元件来确定空间一点的应力状态。本发明把正四面体的若干条棱进行等效变 换，以满足单向应力计的使用原理和环境要求，从而用于混凝土内部的应力测试。