混凝土結(jié)構(gòu)檢測的光力學(xué)新方法研究（可編輯）

1、混凝土結(jié)構(gòu)檢測的光力學(xué)新方法研究 天津大學(xué) 碩士學(xué)位論文 混凝土結(jié)構(gòu)檢測的光力學(xué)新方法研究 姓名：余顯斌 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：固體力學(xué) 指導(dǎo)教師：秦玉文 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘霹 摘 要 本文以混凝土模型為載體，借助光學(xué)傳感器的信息采集作用，通過對混凝土 模型的低速加載抗壓實驗，研究一種新型的、能生命全過程的、隨時間連續(xù)觀察 監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場檢測結(jié)構(gòu)混凝土的光力學(xué)新方法。 本文以光學(xué)玻璃作為傳感器的主體，結(jié)合混凝土的有關(guān)性質(zhì)和傳感器安置方 式的特殊性，認(rèn)真設(shè)計與制作了光學(xué)傳感器，并圍繞光學(xué)玻璃的性質(zhì)、光學(xué)玻璃 的工作環(huán)境等條件的特殊要求做了大量研究工作。在模型抗壓實驗中，通過光 學(xué)

2、傳感器上的等差線條紋，研究傳感器的靈敏度和設(shè)計狀況、混凝土的受力狀況 等，并討論了對實驗結(jié)果造成影響的主要因素以及一些實驗注意事項。 本文對光力學(xué)新方法作為混凝土結(jié)構(gòu)超長齡期的新型監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了實驗研 究，并取得了較好的效果。本文還首次將光力學(xué)新方法結(jié)合鉆芯法應(yīng)用于混凝土 結(jié)構(gòu)的檢測中，研究表明，光力學(xué)新方法能很好地反映混凝土結(jié)構(gòu)的受力狀況， 作為新型的混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)是可行的。 關(guān)鍵詞 光力學(xué) 光彈條紋圖V 混凝土結(jié) 靈敏度 鉆芯法 光學(xué)傳感暑 背景反射面 鲞堡查蘭堡主堂焦堡奎 璺翌墾!三 ABSTRACT todetecttheconcrete isstudied In new meth

3、od this thesis，aphotomechanics timeThe concrete all andall the and it life structureon spot inspect compressed i scollectedthe information modelisthe the by optical carrier，and experimental sensor made It and isthe ofthesensorisdesigned carefully， Opticsglass body characterandthe the oftheconcrete i

4、ntoaccount typicallytaking particularity intheconcretestructure ofthesensor manner placed ofitmuch and workenvironment tothe characterthe glass Accordingoptics in alot asthe andthe isdonethis of researchwork devising paper aspects，such of senso considered theattained opticsr，are bystudying sensitivi

5、ty ontheresultsarediscussed mainfacts effects Also，the fringepatterns having the structureina timethan Asanew to concrete longer technologyinspect are its of is results executed，and maintained，the good age being experiment Inthis aredirected the at meantime the combining gained thesis，developments m

6、ethodforthefirst new methodwith core time，and photomechanicsdrilling showthatthemechanicsstatecanbe concretestructureTheresults the detecting with new thatthenew is illuminatethe method，and detectingtechnology feasible structure fringepatterns，concrete Keywordsphotomechanics，photoelasticity core sen

7、sor， sensitivity，drillingmethod，optical side reflection background 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 第一章 緒論 混凝土是一種用量很大、歷史悠久而又在蓬勃發(fā)展的工程材料。近年來，混凝 土材料科學(xué)的發(fā)展以及混凝土在工程中大量應(yīng)用時所遇到的一些結(jié)構(gòu)強度問題，都 對混凝土測試技術(shù)提出了新的要求。所以認(rèn)識、分析、測試混凝土結(jié)構(gòu)的一些相關(guān) 力學(xué)性能，對控制和提高工程質(zhì)量具有重大意義。 隨著混凝土在工程結(jié)構(gòu)物中的廣泛應(yīng)用，對混凝土的宏觀力學(xué)性能及其相關(guān)沏】 試技術(shù)的研究顯得尤為重要。 11混凝土測試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 混凝土是一種多相復(fù)合體系，具

8、有極為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這就給混凝士宏觀性 能的測試結(jié)果帶來極大的隨機性。但是宏觀測試技術(shù)所測試的結(jié)果是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的總體體現(xiàn)，并直接應(yīng)用于設(shè)計和施工，是工程評價和控制的基本依據(jù)。 首先被采用的混凝士宏觀性能實驗方法是“試件實驗”。早在191 1年英國皇家 建筑學(xué)院 IBA 的報告中，就已經(jīng)把立方體抗壓強度實驗列為推薦項目，此后迅 速為各國所采用，并一直沿用至今。除立方體抗壓實驗外，抗拉、劈裂、抗折等實 驗都應(yīng)屬于“試件實驗”方法之列。這類方法以試件破壞時的實測值作為判斷混 凝土性能的依據(jù)，比較直觀。但由于試件中的混凝土與結(jié)構(gòu)物中的混凝土質(zhì)量、受 力狀態(tài)等各種條件都不可能完全一致，所以試件實測

9、值只能被認(rèn)為是混凝土在特定 條件下的性能反映，只能用于各種混凝土在相同條件下的性能相對比較，而不能完 全確切的代表結(jié)構(gòu)混凝土的質(zhì)量狀況。 目前較為常用的檢測方法就檢測目的而言，大體上可以分為以下幾類： 第一類，以檢測強度為目的。這其中包括半破損法，它是以在不影響結(jié)構(gòu)物承 載能力的前提下，在結(jié)構(gòu)物上直接進(jìn)行局部破壞實驗，或直接取樣，將實驗所得的 值換算成特征強度，作為檢測結(jié)果。屬于半破損法的有鉆芯法、拔出法、拔脫法、 扳折法、射擊法等。目前鉆芯法和拔出法使用較多。 還包括非破損混凝土檢測法。從20世紀(jì)30年代開始，混凝土非破損方法逐漸 天滓大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 沖 超聲法以及超聲一回彈綜合法

10、 進(jìn)行混凝土檢測，接著瓊斯又使用放射性同 位素 射線檢測技術(shù) 進(jìn)行混凝土的密實度和強度測量。同時，前蘇聯(lián)、羅馬尼帆 日本等國也進(jìn)行了許多相關(guān)研究。 混凝土無損檢測技術(shù)吲-【3，就是采用電子學(xué)、物理學(xué)為基礎(chǔ)的測試儀器，南。梭 在材料試體或結(jié)構(gòu)物上，非破損的測量與材料性能、結(jié)構(gòu)質(zhì)量有關(guān)的物理量，借以 確定或評價材料的彈性與非彈性性質(zhì)、均勻性與密實度、強度，以及性能變化過程 的一種新型的測試方法。它與常規(guī)破損檢測技術(shù)相比較，具有如下特點： 1 無損于材料、結(jié)構(gòu)的組織及使用性能； 2 可以直接在試體或結(jié)構(gòu)物上對材料的性能和強度進(jìn)行反復(fù)、全面的檢測， 不僅減少了試件的制作量，同時有效的彌補了材料試件不真

11、實反映工程質(zhì)量的難以 避免的缺點； 3 可以在同一材料上進(jìn)行連續(xù)的測試，即根據(jù)不同齡期、溫濕度變化、固化、 硬化等全過程的實驗研究，避免因試件的變異帶來的誤差，使試件的結(jié)果具有良好 的可比性； 4 既可以對小試件又可以對大試件的結(jié)構(gòu)表面、內(nèi)部的質(zhì)量作全面的檢測， 實驗簡便迅速。 屬于非破損法的主要有表面壓痕法、回彈法、超聲脈沖法、回彈一超聲綜合法、 振動法、射線法等小3。其中回彈法及回彈一超聲綜合法已被廣泛應(yīng)用于工程檢測， 有其相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程。 除了上面兩種主要方法外，有時候，為了提高非破損方法的可靠性，將半破損 法和非破損法綜合運用。這兩者的合理綜合，可以同時提高檢測效率和檢測精度， 因而受

12、到廣泛重視。我國自20世紀(jì)50年代中期就己開展了現(xiàn)場檢測技術(shù)的研究， 70年代以后該技術(shù)發(fā)展尤為迅速，目前己經(jīng)廣泛用于工程測試。 第二類，以檢測混凝土內(nèi)部缺陷為目的。這里所的內(nèi)部缺陷是指在施工過程中 因成型、養(yǎng)護(hù)等因素所造成的蜂窩、孑L洞、溫度或干縮裂縫、保護(hù)層厚度不當(dāng)?shù)热?天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第-一章 陷，以及使用過程中因腐蝕、冰凍、火災(zāi)等非受力因素所造成的損傷。 屬于這一類的方法，主要有超聲脈沖法、射線法、微波吸收和雷達(dá)掃描法、聲 發(fā)射法、透氣法、介電法和電磁法等等。目前我國應(yīng)用做最廣的是超聲脈沖法。 第三類，以檢測結(jié)構(gòu)混凝土受力歷史和受力損傷程度為目的。對一些老廠房、 水工結(jié)構(gòu)、碼頭以

13、及以超期使用的公路、橋梁等，為了確定其翻修或重建方案，必 須了解其受力歷史和受力損傷程度，以便提供確切的設(shè)計依據(jù)。這是混凝土現(xiàn)場榆 測的一個新領(lǐng)域。目前可用來進(jìn)行這類檢測的主要是聲發(fā)射法，以及聲發(fā)射和超盧 法的綜合運用。 下表可以說明混凝土檢測方法分類的關(guān)系。 表一常用方法分類表 檢測目的 常用方法 測試量 換算關(guān)系 鉆芯法 芯樣抗壓強度 局部區(qū)域的抗壓、抗拉強度 拔出法 拉拔強度 推算成標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度 壓痕法 壓力和壓痕直徑或深 射擊法 度 探針射入深度 混凝土強 回彈法 回彈值 根據(jù)混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)泵性 度 超聲脈沖法 超聲脈沖傳播速度 質(zhì)與強度的關(guān)系，用彈性模 回彈一超聲綜合法 回彈值和聲

14、速 量或粘塑性指標(biāo)推算標(biāo)準(zhǔn)抗 壓強度 射線法 吸收和散射強度 根據(jù)混凝土密實度推算強度 超聲脈沖法 聲時、波高、波形、 波的繞射、衰減、疊加等 混凝土內(nèi) 頻譜、反射回波 部缺陷 射線法 穿透后的射線強度 射線強度記錄或攝影 脈沖回波法 反射波位置 缺陷表面形成反射波 混凝土受 聲發(fā)射法 聲發(fā)射信號、事件計 聲發(fā)射信號源定位、聲發(fā)射 力歷史和 數(shù)、幅值分布能譜 的凱塞效應(yīng) 損傷程度 超聲脈沖法 聲速、衰減 破壞過程的連續(xù)觀察 12光測力學(xué)方法的進(jìn)展及特點 光測力學(xué)是實驗應(yīng)力分析的重要方法之一，它是用模型或?qū)嵨飦頊y定應(yīng)力、應(yīng) 變和位移的。經(jīng)常采用光彈性法測得模型中的應(yīng)力，通常稱為光測彈性力學(xué)。近年

15、 來由于激光干涉計量法的迅速發(fā)展，使光測彈性力學(xué)研究的范圍迅速擴大。它不僅 可用模型測定，也可用實物直接測定其應(yīng)力。 經(jīng)典的光彈性法是用模型測定應(yīng)力的，而模型是由一種專門的光彈性材料制成 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 的。這種I豐才料各向同性且透明，當(dāng)受力時用偏振光照射，就出現(xiàn)雙折射 人工雙折刺 效應(yīng)。這種效應(yīng)與模型中各點的應(yīng)力大小和方向有關(guān)。 回顧光測力學(xué)的發(fā)展歷史情況，首先應(yīng)當(dāng)肯定的是1931年柯克一菲隆 TreatisePhoto EGCoker-LNGFilm 的第一本光彈性書的出現(xiàn)，書名：A und Elasticity，Cambridge1931。接著，1935年出現(xiàn)了浮普爾和諾貝

16、爾 LFoppl 1年和1948 HNeuber 合著的第一本德文書。以后，弗洛河特眥MFrocht 在194 und LFoppl 學(xué)者都對光彈性的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)”】_【“。 五十年代期間環(huán)氧樹脂材料的出現(xiàn)，給光彈性的發(fā)展帶來了一次飛躍；尤其， 在六十年代初激光器出現(xiàn)以后，極大地推動了光測彈性法，使研究的范圍迅速擴大， 有了更新的內(nèi)容。現(xiàn)在除了經(jīng)典的透射式光彈性法、貼片光彈性法外，還有全息光 彈性法，激光散光法等。 光彈性實驗是一種常用且有效的實驗應(yīng)力分析方法。光彈性法用模型測應(yīng)力時 有它獨自的特點“： 1能清晰、直觀的“看見”主應(yīng)力。應(yīng)力本是一個抽象的概念，是看不見的。 然而在光彈性實驗中

17、，模型內(nèi)的應(yīng)力卻通過等差線和等傾線兩種干涉條紋圖的形式 反映出來，是清晰可見的。由于干涉圖案和應(yīng)力狀態(tài)之間存在著固有的對應(yīng)關(guān)系， 所以看見了干涉條紋，就可以說“看見”了應(yīng)力。 2光彈性方法是一種全場性的的實驗方法，可方便的得到整個分析區(qū)域的應(yīng) 力條紋圖案，所以能迅速、準(zhǔn)確的確定應(yīng)力集中區(qū)域，測定應(yīng)力集中系數(shù)，為構(gòu)件 的合理設(shè)計提供可信的參數(shù)。 ：j利用光彈性方法進(jìn)行應(yīng)力分析，不僅能準(zhǔn)確地解決二維問題，而且也，J以 有效地解決三維問題。光彈性方法不但可以精確地計測模型邊界的應(yīng)力分布情況， 而且也可以比較準(zhǔn)確的計測模型內(nèi)部任意截面上的應(yīng)力分布情況。所以，借助于光 彈性實驗，可以為強度設(shè)計提供較為完

18、整的參考資料。 4從強度觀點尋找結(jié)構(gòu)或零部件的合理設(shè)計比較迅速、準(zhǔn)確。 在很多情況下，光彈性方法能迅速而準(zhǔn)確的解決困難的工程實際問題，同時又 可以用來驗證計算力學(xué)的解答，這種驗證增加了理論計算本身的價值。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第童 在現(xiàn)代的應(yīng)力分析方法中，可以說只有光彈性方法才能在時間和資金耗費較少 的條件下，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行如此完整、準(zhǔn)確的研究。 1-3本文的主要工作 一、本文研究工作的背景及意義 70年代，美國等些國家發(fā)現(xiàn)，50年代以后修建的混凝土工程設(shè)施，尤其是 混凝土橋面板這類工作環(huán)境較為嚴(yán)酷的結(jié)構(gòu)，要比二三十年代，乃至使用年代更長 久的，先出現(xiàn)病害、開裂、甚至嚴(yán)重破壞

19、。在美國，更大的轟動是1978年由國家 材料顧問委員會提交的報告。該報告報道：約253000座混凝土橋梁的橋面板，其 中部分僅使用不到20年，就己經(jīng)不同程度的破壞，而且每年還將增加35000座。 現(xiàn)嚴(yán)重劣化的現(xiàn)象，并且研究表明“，這些結(jié)構(gòu)物的設(shè)計、材料和施工都是符合 現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展水平的。 而在我國，情況也大致相同“”。根據(jù)國家統(tǒng)計局1986年底的統(tǒng)計，我國城鎮(zhèn) 現(xiàn)有房屋面積468億立方米，其中住宅229億立方米，工業(yè)建筑135億立方米， 商業(yè)用房39億立方米，文教、醫(yī)、體及辦公用房65億立方米，約折固定資產(chǎn)4700 億元。其中工業(yè)建筑折固定資產(chǎn)1200億元，連同他們?nèi)菁{的設(shè)備一起折固定資產(chǎn) 5

20、000億元以上，年總產(chǎn)值超過700億元，占國民生產(chǎn)總值的70以上。 上述建筑有兩大特點妨礙其使用： 1 安全性嚴(yán)重低于建筑設(shè)計規(guī)范要求的建 筑物多，建筑倒塌事故多； 2 建筑標(biāo)準(zhǔn)低，建筑物內(nèi)部環(huán)境差，不適合現(xiàn)代化，_ii 產(chǎn)工藝及裝備的要求。 在現(xiàn)行的工程結(jié)構(gòu)可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)中，一般給出了對結(jié)構(gòu)可靠性鑒定的方法 “，工程結(jié)構(gòu)的可靠性鑒定可以分為： 1 常規(guī)檢驗。對不同地區(qū)、不同建筑功能的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行定期的可靠性鑒定是 非常重要的，這樣可以盡早發(fā)現(xiàn)不安全因素，減少突發(fā) 脆性 破壞的損失。這也 是結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評估的基礎(chǔ)工作。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 2 破損后的檢驗。如果結(jié)構(gòu)物經(jīng)歷了破損或災(zāi)害

21、那么該結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行可靠rl： 鑒定，消除危險隱患。這里破損是指發(fā)現(xiàn)了明顯影響結(jié)構(gòu)安全的現(xiàn)象，如混凝土結(jié) 構(gòu)的開裂、鋼筋腐蝕等；災(zāi)害是指地震、火災(zāi)、爆炸等。 3 功能改變后的檢驗。有些甲方 結(jié)構(gòu)使用者 根據(jù)實際需要，改變結(jié)構(gòu)的 設(shè)計使用功能，如原設(shè)計的辦公室改為書庫等，這些改變會引起載荷效應(yīng)增大，結(jié) 構(gòu)產(chǎn)生破壞，因此要對功能改變結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性鑒定。 4 改建結(jié)構(gòu)的檢驗。結(jié)構(gòu)在改建前必須進(jìn)行可靠性鑒定。 二、本文主耍工作 到2000年我國至少有50，即234億立方米的建筑物將因安全度過低而面臨 退役“，這個局面要求我們盡快大力加強已有建筑物的診斷、維修、加固技術(shù)以 及新建建筑物的超長齡期的監(jiān)測技術(shù)的

22、研究。從這個意義上說，本文將要研究的混 凝二E結(jié)構(gòu)檢測的光力學(xué)新方法具有定的戰(zhàn)略意義。 前面介紹的各種常用檢測方法雖然也可以用于結(jié)構(gòu)混凝土的現(xiàn)場測強、探傷 等，但是它們能真正的運用于現(xiàn)場檢測結(jié)構(gòu)混凝土受力歷史和受力損傷程度為目的 的主要還是發(fā)射法以及聲發(fā)射與超聲法的綜合運用，且在對于混凝土性能變化的連 續(xù)觀察方面有較大的欠缺?？傊?，鑒于現(xiàn)今混凝土在工程中的應(yīng)用和現(xiàn)有建筑物的 現(xiàn)狀，盡快大力加強對建筑物的診斷、維修及加固技術(shù)的研究是必需的，從系統(tǒng)的、 生命的全過程的，且隨時間變化的觀點出發(fā)把握結(jié)構(gòu)的可靠性是迫切的。所以，尋 找一種能生命全過程的、隨時間變化的連續(xù)觀察和監(jiān)測結(jié)構(gòu)混凝土的新方法具有重

23、 要的意義。 在很多工程實際問題中，常常不需要求出整個構(gòu)件中的應(yīng)力場，而只需要求出最 大的應(yīng)力值及其部位，或只需要在表面某-d范圍內(nèi)考察其應(yīng)力狀況呦_乜。這就 為應(yīng)用光測力學(xué)方法來檢測混凝土的力學(xué)性能提供了可能。 針對以上各種情況，本文主要研究一種能生命的全過程的、隨時間連續(xù)觀察和 檢測結(jié)構(gòu)混凝土的光力學(xué)新方法。本文主要做了以下幾個方面的工作： 1光學(xué)傳感器的設(shè)計研究 該光力學(xué)新方法設(shè)計是作為一種新型的現(xiàn)場檢測檢測混凝土結(jié)構(gòu)的手段和作為 新建建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的超長齡期監(jiān)測技術(shù)。對混凝土結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)信息的采集 主要依賴傳感器的作用，所以傳感器的設(shè)計是本文研究工作中的一項重要工作。 天津大學(xué)碩士

24、學(xué)位論文 第一章 本文研究中，采用光學(xué)玻璃作為傳感器的主體，圍繞光學(xué)玻璃的性質(zhì)、光學(xué)玻 璃的工作環(huán)境等條件以及這些條件對傳感器的特殊要求做了大量研究工作，諸如光 學(xué)玻璃的性質(zhì)、傳感器中光學(xué)玻璃的形狀的設(shè)計研究、光學(xué)傳感器反射面的設(shè)計研 究、傳感器的保護(hù)的設(shè)計研究以及光學(xué)玻璃的原理性實驗研究等等。 2傳感器模型的制作和混凝土模型的制作研究 傳感器制作的好壞直接關(guān)系到實驗效果。在傳感器的制作研究過程中，也做了 大量的研究工作，不同背景反射面設(shè)置的研究、傳感器保護(hù)材料的抗強堿腐蝕性能 的研究和傳感器保護(hù)材料加工等等。 如何將光學(xué)玻璃、背景反射面和傳感器保護(hù)材料很好地制作在一起，是至關(guān)重 要的，本文在

25、該項工作中采用了多種方式，進(jìn)行了多方面的研究。 制作光學(xué)傳感器的最終目的是用來檢測混凝土結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，只有當(dāng)混凝 土構(gòu)件的受力狀況全部傳遞到傳感器上時，傳感器才能很好地反映混凝土結(jié)構(gòu)的受 力狀態(tài)，檢測結(jié)果才有效，可信。所以處理好傳感器與混凝土構(gòu)件的連續(xù)過渡，這 也是本文一直重點關(guān)注的問題。 3光力學(xué)新方法在超長齡期監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究 將制作好的實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行多組反復(fù)加載抗壓實驗，通過光學(xué)傳感器上出現(xiàn)的光 學(xué)干涉條紋，來研究傳感器的靈敏度、混凝土的受力狀態(tài)變化等，研究了光力學(xué)新 方法作為新建建筑物混凝土結(jié)構(gòu)超長齡期監(jiān)測新技術(shù)的可行性，以及對實驗結(jié)果造 成影響的一些主要因素，以及實驗注意事項

26、等。 4光力學(xué)新方法在混凝土結(jié)構(gòu)檢測上的應(yīng)用研究 本文還首次將光力學(xué)方法和鉆芯法巧妙結(jié)合起來，繼承改進(jìn)，吸收鉆芯法的一 些優(yōu)點和優(yōu)勢，避開它的不足之處，仍然應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)檢測。通過多次實驗， 研究討論了傳感器的靈敏度、混凝土的受力狀態(tài)等，討論實驗影響因素等。并進(jìn)一 步比較討論了光力學(xué)新方法與鉆芯法的特點。 最后，還就本文研究課題的后續(xù)研究工作作了討論。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 第二章 光力學(xué)測試原理與光學(xué)玻璃 2-1受力模型在圓偏振光場 弓QM只Q： 中的光彈性效應(yīng) 一、受力模型在圓偏振光場中的光彈性效應(yīng) 在平面偏光儀的基礎(chǔ)上，現(xiàn)增加使用兩塊四分之波片，放置時，使Q，Q： 的快慢軸相互

27、垂直，Q快軸與x軸成459，Q：與x軸成一45。放置，即各與鼻，尸 成45。，入射光矢量E通過儀器中的光學(xué)器件的順序及其方位如圖所示。光矢量 通過各光學(xué)儀器的瓊斯矩陣分別用如，氣，厶，JP2，J島來表示，通過各光 學(xué)器件后 鼻一起偏鏡 Q四分之一波片 只一-檢偏鏡 幺四分之一波片 只QMP2Q：順序捧列圖 光矢量E為各光學(xué)器件的瓊斯矩陣與E入射光的乘積，即為 E Je2J硯 -45。kJQl 45。 ，R# 將各光學(xué)器件的瓊斯矩陣代入，則有 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 2。口a唧exp吣 i妒 -。l：lsinacos20sa翻 肚：ooj211+iH1一豫exp如 i6p _1cos2】s

28、Ia。+sin 1+巾門roo阻exp 6， lJLo rlf 1，唧 f6， J 經(jīng)過整理以后得到 exp i6， 1 肚掣exp -i2a Ay 1 0 l 故光強為 根據(jù)矩陣乘積，整理后得 ， 譬f1一p 伊 Ilexp -，妒 】 所以 ，：車 1一。9 2、 上式中小再包含主應(yīng)力方向a的成分j，只有由模型中兩波的艫位相差所引 起的等差線條紋，而等傾線己被消去。 當(dāng)I 0時， 2所萬 另一方面，由占 n2和P 蘭三占可以得到 口 2nx 比較這兩個式子可以知道，當(dāng)m ”時，即相對光程差門 O，1，2，3，時，就 j_ 觀 等差線。 二、等差線級序的確定 1白光源的應(yīng)用等色線 用白光作為

29、光源時，若模型某些點的主應(yīng)力差大小使通過該點的兩平面偏振 光產(chǎn)生的相對光程差等于白光中某一顏色光的波長整數(shù)倍時，該顏色的光波在分 析鏡偏振軸方向的分量將產(chǎn)生相消干涉。1二是透出分析鏡的光小il_l：含柯陔顏色的 光波而呈現(xiàn)該顏色的互補色。因此用白光作光源時，除了零級等差線外，等差線表 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 現(xiàn)為顏色相同的彩色線。故等差線又稱為等色線。 2整數(shù)等差線級序的確定 在光彈性實驗中，如何確定等差線條紋圖中的各等差線級序是一個重要問題 18H”?。用暗場時得到的是整數(shù)級序等差線。等差線的特性如下： 1 各向同性彈性體內(nèi)的應(yīng)力場是連續(xù)的，其主應(yīng)力差也是連續(xù)分布，故等 差線圖上各等差

30、線條紋的級序是連續(xù)的，即相鄰兩等差線條紋的級序相差為1級 或相等。 2 軸對稱問題對稱軸兩邊對稱位置的等差線級序相同。 3 逐漸加載過程中，模型上首先出現(xiàn)等差線的部位，以后加載過程中等差 線不斷地由該處向外涌現(xiàn)。這樣的點稱之為條紋發(fā)源點。愈靠近發(fā)源點的等差線， 其條紋級序愈高。 4 在逐漸加載過程中，模型上有些點，等差線不斷向這些點靠攏并消失，這 樣的點稱之為隱沒點。愈靠近隱沒點的等差線，其條紋級序愈低。 5 模型上應(yīng)力各向同性點的等差線條紋級序為零，稱之為各向同性點。兩個 主應(yīng)力均等于零的各向同性點稱之為奇異點。在加載過程中，各向同性點的位置 1；變。 6 在正交圓偏振光場中，用白光作光源時

31、，只有零級等差線是黑色的，其他 級序的等差線為彩色的等色線。顏色相同的等色線條紋級序相同，顏色愈淺淡的 等色線條紋級序愈高。 確定模型上各等差線的級序時，可采用白光光源，反復(fù)逐漸加載以確定條紋圖 中某些特殊點的位置，并根據(jù)各等色線的顏色深淺和條紋級序的連續(xù)性，就可確 定各等差線的級序。 如果使用的是白光光源，這時觀察到的現(xiàn)象為L種色光相干涉后的重疊結(jié) 果。波長越短，相對光程差n越先成為整數(shù)。結(jié)果總是只有成為整數(shù)的那一種色 光被阻止通過，其余各種色光不能被阻止而仍透射過去。所以等差線現(xiàn)在不再呈 黑色而是透過去的幾種色光的組合色。荷載不斷增加，按各色光波長的順序逐漸 被阻止，故等差線形成一固定的彩

32、色條紋順序，同一顏色的等色線表示主應(yīng)力差 值是相等的。只有零級等色線仍呈黑色。當(dāng)增加載荷后最短波長的紫色光首先被 阻止通過，則模型中首先呈現(xiàn)出其余通過去的六種色光的組合色一黃色。隨著 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 載荷繼續(xù)增加，第一級等差線就呈現(xiàn)出黃、紅、藍(lán)、綠，以后循環(huán)變化。值得指 出的是，當(dāng)波長最長的紅光第一次被阻止通過時，也就差不多同時是第二次阻止 紫色光的通過。載荷越大，被阻止通過的單色光也就不只一個，所以雖然可以按 黃、紅、藍(lán)、綠的順序作為判別級數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，可是級數(shù)增加而顏色卻隨之變淡。 二級的黃、紅、綠 藍(lán)色幾乎看不出 比一級的淺，三級的又比二級的淺，并且在三、 四級以后就只能看出淺

33、紅、淺綠色了，因此按顏色確定等差線的級數(shù)就不夠精確。 但是，對確定零級和級次高低順序卻是使用白光光源的最大優(yōu)點。 3非整數(shù)級等差線的確定 一般在實驗中使用旋轉(zhuǎn)檢偏鏡法，即為Tardy補償法，它的補償步驟為： 1 取被測點0并確定其條紋級次所處的范圍，nl 胛。c門，如圖所示。 n一1 n 檢偏鏡補償法 2 用白光作光源，單獨旋轉(zhuǎn)檢偏鏡，當(dāng)被測點附近的整數(shù)級等差線， 或 門一1 移動到該點時，記下檢偏鏡轉(zhuǎn)過的角度0 或吼 ，則0點的等差線級次按 下面的公式計算： p 卸一贏 或者 01 +麗02 其中01 180。0。 2-2測量光路一反射式光彈儀 雙折射貼片法所用的儀器是反射式光彈儀。它的光學(xué)

34、系統(tǒng)有兩種基本形式 一種是光路呈V型，另一種呈T型，如圖所示。 V型光路是常用的一種，由于光線直接照射貼片，光強較大，可以得到較清 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二富 鼻一起偏鏡Q。一四分之一波片 只一檢偏鏡Q：一四分之一波片 圖av型光路圖 晰的應(yīng)力光圖，且光路布置簡單，操作方便。但由于入射光與反射光不是正射于 貼片表面，而是略微傾斜的射入光彈貼片，所測得的結(jié)果只是每一點附近定寬 度內(nèi)應(yīng)變的平均值，也就是測點附近區(qū)域的平均值，特別是應(yīng)變梯度較大的區(qū)域 內(nèi)精度會降低。使用時，儀器距離貼片不要太近，入射角盡量減小，這樣光線不正 射引起的誤差可被忽略。其優(yōu)點是光強度的損失比較小。 P-起偏鏡 M一反射鏡

35、 Q一四分之一波片 圖bT型光路圖 T型光路布置如圖b所示。這是雙折射貼片法發(fā)展初期提出的一種光路。它 可使光正射于貼片，但通過反射鏡后光強損失較大，對偏振光的反射特性產(chǎn)： ifj 利的影響，即改變了偏振光的偏振特性，而且調(diào)整、操作較v型光路不方便，所 以較少使用。 在本文的實驗研究過程中，雖然所采用的不是光彈性貼片法，但是在這里所 討論的測量光路一樣適用。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 2-3平面光彈性的應(yīng)力一光學(xué)定律 設(shè)光彈性模型為平面受力狀態(tài)，這時當(dāng)平面偏振光垂直入射受力模型的平面 時，只要不超過模型材料的彈性極限，通過模型的光波按模型材料的雙折射性質(zhì) 將遵循下列兩條規(guī)律20H捌： 1 光波垂直通過