張開銀 方來文 龔彥峰 范智皓

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (水下隧道技術(shù)湖北省工程實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

0 引 言

結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試是獲取外力作用下結(jié)構(gòu)物各部位應(yīng)力狀態(tài)常用的技術(shù)手段，在航空、船舶、機(jī)械、建筑等工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)安全具有重要意義[1].

外力作用下的結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力-應(yīng)變具有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即已知結(jié)構(gòu)的應(yīng)變便可確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài).處于變化溫度場(chǎng)中的工程結(jié)構(gòu)，由于材料熱脹冷縮(或熱縮冷脹)的物理特性，其受力狀態(tài)與應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系(與溫度分布、結(jié)構(gòu)約束、材料特性等有關(guān))將變得十分復(fù)雜[2].試圖從結(jié)構(gòu)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)中準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的機(jī)械應(yīng)變，就必須有效地消除溫度對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變的影響.

目前工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試中常用的應(yīng)變傳感元件有振弦式應(yīng)變計(jì)、光纖光柵應(yīng)變計(jì)和電阻應(yīng)變片.本文針對(duì)這三種傳感元件，討論不同溫度場(chǎng)及約束條件下結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)和溫度補(bǔ)償技術(shù)的基本原理.在此基礎(chǔ)上，指出了現(xiàn)有傳感器中普遍使用的溫度補(bǔ)償技術(shù)是錯(cuò)誤的，原因是：該技術(shù)將結(jié)構(gòu)在溫度作用下產(chǎn)生的自由應(yīng)變作為溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因，忽略了使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力的是被約束的應(yīng)變趨勢(shì)這一事實(shí).最后得出溫度補(bǔ)償技術(shù)在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)試過程中不能有效修正溫度應(yīng)變的結(jié)論，同時(shí)給出了保證應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)盡可能接近結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)的條件.

1 結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力

處于自然環(huán)境中的工程結(jié)構(gòu)，溫度應(yīng)力的產(chǎn)生因素包括年溫差和局部溫差.年溫差影響，即氣溫隨季節(jié)發(fā)生周期性變化時(shí)，結(jié)構(gòu)所受溫度場(chǎng)的影響.年溫差影響是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，一般認(rèn)為同一時(shí)間段結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)是均勻的，即結(jié)構(gòu)體內(nèi)不存在溫度梯度.對(duì)于這類溫度應(yīng)力，通過長(zhǎng)期觀測(cè)，給出不同溫度下結(jié)構(gòu)測(cè)試應(yīng)變影響系數(shù)來修正[3].局部溫差影響，即環(huán)境溫度影響下，結(jié)構(gòu)各部位溫度不斷發(fā)生改變，形成不均勻且變化的溫度場(chǎng)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的溫度應(yīng)力[4].對(duì)于這類溫度應(yīng)力，目前工程界普遍采用“溫度補(bǔ)償技術(shù)”對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試過程中所測(cè)應(yīng)變進(jìn)行修正.

由彈性理論可知，結(jié)構(gòu)所處溫度場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，其各部位的應(yīng)變也將隨著溫度的升高或者降低而趨于變大或者減小，這種趨于變大或減小的應(yīng)變趨勢(shì)受到外界約束和內(nèi)部各部位間的相互約束不能自由發(fā)生，從而產(chǎn)生了溫度應(yīng)力[5].也就是說，處于變化溫度場(chǎng)中的結(jié)構(gòu)，其體內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度應(yīng)力，是由被約束住的應(yīng)變趨勢(shì)產(chǎn)生，且該應(yīng)變趨勢(shì)是這點(diǎn)溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變趨勢(shì)與體內(nèi)其他各點(diǎn)溫度變化對(duì)這點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)變趨勢(shì)共同作用的結(jié)果.

(1)

圖1 結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)變示意圖

(2)

圖2 結(jié)構(gòu)溫度分布示意圖

2 結(jié)構(gòu)溫度補(bǔ)償原理

2.1 振弦式傳感器

振弦式傳感器溫度補(bǔ)償?shù)脑硎钦J(rèn)為傳感元件與結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，即傳感元件與結(jié)構(gòu)變形一致，通過獲取傳感元件的應(yīng)變來得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，用測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的應(yīng)變值減去測(cè)點(diǎn)處溫度差與傳感器的溫度系數(shù)之積，即為測(cè)點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變[6-7].

ε=ε測(cè)-ε溫=ε測(cè)-(T-T0)(α-α0)

(3)

式中：α為結(jié)構(gòu)的溫度系數(shù)；α0為鋼弦的溫度系數(shù)；T為測(cè)點(diǎn)溫度；T0為基準(zhǔn)溫度；ε測(cè)為傳感器所測(cè)應(yīng)變；ε溫為待修正的溫度應(yīng)變.

2.2 光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器溫度補(bǔ)償?shù)脑硗瑯诱J(rèn)為傳感元件與結(jié)構(gòu)變形一致，用應(yīng)變傳感元件所測(cè)波長(zhǎng)偏移減去溫度傳感元件的波長(zhǎng)漂移，除以應(yīng)變靈敏系數(shù)，即為測(cè)點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變[8-10].

(4)

式中：Δλε為應(yīng)變傳感器的波長(zhǎng)漂移值；ΔλT為應(yīng)變傳感器的波長(zhǎng)漂移值；αε為應(yīng)變靈敏度系數(shù).

2.3 電阻應(yīng)變片傳感器

電阻應(yīng)變片傳感器溫度補(bǔ)償?shù)脑硎沁x擇一塊與結(jié)構(gòu)材料相同的物塊作為溫度補(bǔ)償塊，置于測(cè)點(diǎn)周圍，在其表面貼上相同類型的電阻應(yīng)變片，用測(cè)點(diǎn)所測(cè)應(yīng)變減去補(bǔ)償塊所測(cè)應(yīng)變，即為測(cè)點(diǎn)真實(shí)應(yīng)變[11].

ε=ε測(cè)-ε溫=ε測(cè)-αΔT

(5)

式中：α為補(bǔ)償塊材料熱膨脹系數(shù)；ΔT為測(cè)點(diǎn)處溫度變化.

以上三種應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ú煌硪恢?，即用?yīng)變傳感元件所測(cè)應(yīng)變剔除溫度影響下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應(yīng)變.該原理只考慮了測(cè)點(diǎn)周圍溫度對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)變的影響，而忽略了溫度場(chǎng)形式、結(jié)構(gòu)外部約束和體內(nèi)其他部位對(duì)該測(cè)點(diǎn)的影響；其修正的對(duì)象是結(jié)構(gòu)在對(duì)應(yīng)溫度下產(chǎn)生的自由應(yīng)變，而非被約束的應(yīng)變趨勢(shì).

3 溫度應(yīng)變修正

3.1 均勻溫度場(chǎng)

圖3 均勻溫度下結(jié)構(gòu)應(yīng)變示意圖

3.1.1靜定結(jié)構(gòu)

(6)

使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力的真實(shí)應(yīng)變?yōu)?/p>

ε修=ε真

(7)

溫度補(bǔ)償技術(shù)在均勻溫度場(chǎng)靜定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)試中可行.

3.1.2超靜定結(jié)構(gòu)

(8)

(9)

將式(9)代入式(8)得

(10)

使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力的真實(shí)應(yīng)變

(11)

3.2 非均勻溫度場(chǎng)

3.2.1靜定結(jié)構(gòu)

圖4為非均勻溫度場(chǎng)中的靜定結(jié)構(gòu)，由圖4可知，各點(diǎn)初始應(yīng)變不相同.當(dāng)溫度升高ΔT時(shí)，結(jié)構(gòu)各點(diǎn)由于初始應(yīng)變的不同而存在相互約束，導(dǎo)致各點(diǎn)應(yīng)變的變化程度不同，各點(diǎn)的溫度應(yīng)力也不相同.

圖4 非均勻溫度場(chǎng)中的靜定結(jié)構(gòu)

因此，處在非均勻溫度場(chǎng)中的靜定結(jié)構(gòu)，各部位產(chǎn)生的應(yīng)變趨勢(shì)同樣存在被約束和未被約束兩部分，被約束的應(yīng)變趨勢(shì)無法準(zhǔn)確測(cè)得.同理，溫度補(bǔ)償技術(shù)在非均勻溫度場(chǎng)靜定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)試過程中不能起到有效的修正作用，還可能讓測(cè)試結(jié)果更加偏離實(shí)際值.

3.2.2超靜定結(jié)構(gòu)

圖5為非均勻溫度場(chǎng)中的超靜定結(jié)構(gòu)，溫度變化ΔT時(shí)，應(yīng)變趨勢(shì)存在被約束和未被約束兩部分，只是多了外部多余約束后，各點(diǎn)間的相互影響變得更加復(fù)雜，更難對(duì)被約束的應(yīng)變趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算.因此，溫度補(bǔ)償技術(shù)在非均勻溫度場(chǎng)超靜定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)試過程中不能起到有效的修正作用，還可能讓測(cè)試結(jié)果更加偏離實(shí)際值.

圖5 非均勻溫度場(chǎng)中的超靜定結(jié)構(gòu)

溫度補(bǔ)償技術(shù)只能對(duì)均勻溫度場(chǎng)靜定結(jié)構(gòu)這種簡(jiǎn)單狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，對(duì)其他稍復(fù)雜狀態(tài)下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應(yīng)變無法準(zhǔn)確修正.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

現(xiàn)有的溫度補(bǔ)償技術(shù)在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)試過程中不能對(duì)溫度應(yīng)變進(jìn)行有效修正.其原因在于該技術(shù)混淆了溫度應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的概念，對(duì)溫度應(yīng)力產(chǎn)生的基本原理存在錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí).

結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試技術(shù)中溫度應(yīng)力很難得到有效修正的主要原因是影響溫度應(yīng)力的原因眾多且復(fù)雜，如結(jié)構(gòu)所處溫度場(chǎng)形式、約束形式以及體內(nèi)各部位間的相互聯(lián)系.同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)任意一點(diǎn)處的溫度應(yīng)變是由該點(diǎn)溫度變化和其他各部位溫度變化共同作用產(chǎn)生的，因此很難對(duì)使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力的應(yīng)變趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算，這也是溫度應(yīng)變修正的難點(diǎn)所在.

在工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)試過程中，為使所測(cè)結(jié)果盡可能接近結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)避免在復(fù)雜的非均勻溫度場(chǎng)中進(jìn)行，盡量選擇早晨或者夜晚這種溫度場(chǎng)相對(duì)均勻的時(shí)段來進(jìn)行測(cè)試.