預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)變測量方法分析.doc

1、預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)變測量方法分析 摘要：預(yù)應(yīng)力鋼絞線被廣泛應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力大跨度結(jié)構(gòu)，其應(yīng)變的準確測量成了亟需解決的工程難題。工程界已經(jīng)做了大量的研究，由于鋼絞線受力后各鋼絲并非均勻受力，而且還會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，所以不能簡單的按照均質(zhì)圓桿來計算。因此，減少相對誤差的長線法、把鋼絞線簡化成彈簧的彈簧法、綜合運用胡克定律和幾何關(guān)系的理論修正法及利用光學(xué)原理的光纖光柵法被引入到研究中來。通過對這些方法進行對比和分析，指出了這些方法的可取之處及不足之處，并為更進一步的研究提供新的思路。 關(guān)鍵詞：鋼絞線；應(yīng)變；電阻應(yīng)變片；彈簧 中圖分類號：tu378.1 文獻標志碼：a 前言:鋼絞線由于具有良好的柔性變形能力，能夠布

2、置成需要的曲線形狀，而成為首選的預(yù)應(yīng)力材料被應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中。常用的鋼絞線是由6根外層鋼絲纏繞1根中心鋼絲成螺旋狀捻制而成的，習(xí)慣上稱6根外層鋼絲為外絲，1根中心鋼絲為內(nèi)絲。由于制造加工工藝的結(jié)果，鋼絞線的外層螺旋鋼絲與鋼絞線的軸線成一定的夾角，這也給測量預(yù)應(yīng)力鋼絞線的軸向應(yīng)變帶來了一定的難度。通常鋼絞線的計算都是把其截面等效成單圓1，按照均質(zhì)圓桿來計算。然而，從整體上看，鋼絞線受到軸向力后會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，從局部上看，各鋼絲也非均勻受力。顯然，鋼絞線的受力性能不同于均質(zhì)圓桿。因此，隨著鋼絞線被廣泛應(yīng)用于各種大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，鋼絞線應(yīng)變的準確測量也成了亟需解決的工程難題。本文從理論分析和工程應(yīng)用的

3、角度出發(fā)，對比分析現(xiàn)有各種測量方法的特點，并為更進一步的研究提供新的思路。 1測量方法分析 1.1長線測量法2 根據(jù)材料力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 ， n張拉荷載， 、 張拉應(yīng)力、鋼絞線軸向應(yīng)變， a、e鋼絞線的橫截面積、彈性模量， l、l鋼絞線伸長量、長度。 通過試驗，利用千分表和傳感器測出鋼絞線的伸長量l和張拉荷載n，利用電阻應(yīng)變片測出沿鋼絲的斜向應(yīng)變（如圖1所示）。 假定鋼絞線軸向應(yīng)變與斜向應(yīng)變的關(guān)系為=/cos=r·（為螺旋鋼絲與鋼絞線軸線的夾角）。根據(jù)大量實驗得出的數(shù)據(jù)，運用統(tǒng)計規(guī)律求出彈性模量e和應(yīng)變修正系數(shù)r，并控制相應(yīng)的變異系數(shù)。 1.2彈簧法345 由于7根鋼絲在張拉方向的

4、變化量是相同的，中間鋼絲的直徑在受力的過程中變形很小，因此，彈簧法利用這兩個特點假定外層螺旋鋼絲的螺旋半徑是不變的，而每根外層螺旋鋼絲則相當于一個彈簧，鋼鉸線則相當于是由1根中間鋼絲和6根鋼絲彈簧組合而成。彈簧繞一周的長度為，l、r的關(guān)系如圖2所示。 由力的平衡關(guān)系，則 ea1+6ea2cosn， a1、a2分別為中間、外層鋼絲的截面積，、分別為中間、外層鋼絲的應(yīng)變，e為鋼絲的彈性模量，為外層螺旋鋼絲與鋼絞線軸線的夾角。對s求偏導(dǎo)可得s，由s/s,根據(jù)上述平衡關(guān)系即可求得。 1.3理論修正法67 理論修正法是綜合運用胡克定律和幾何關(guān)系，對外層螺旋鋼絲的應(yīng)變與鋼絞線的應(yīng)變關(guān)系進行修正，進而對鋼絞

5、線的張拉力進行修正的方法。 將一個捻距內(nèi)的螺旋鋼絲展開，螺旋鋼絲與中間鋼絲的長度關(guān)系如圖3所示。 根據(jù)廣義胡克定律，鋼絲的軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變徑有如下關(guān)系 徑= 由幾何關(guān)系可得 ， 其中，、表示螺旋鋼絲與中間鋼絲受拉前、后的夾角，dc0 、ds0表示中間鋼絲、螺旋鋼絲受力前的直徑，c、s表示中間鋼絲、螺旋鋼絲受拉后的應(yīng)變，lc0表示一個捻距，是泊松比，取0.3。 采用數(shù)值解法，通過上式即可求解出c與s的關(guān)系。鋼絞線的軸向應(yīng)變與中間鋼絲的應(yīng)變c相等。 1.4光纖光柵法89 光纖光柵法是將光纖光柵埋入結(jié)構(gòu)物，利用所觀測的光波波長變化，根據(jù)公式 ， 換算成應(yīng)變變化的測量方法。 其中，1為光纖光柵軸向應(yīng)

6、變（或被測主體的應(yīng)變值），f為光纖光柵的靈敏度，*為修正的光熱常數(shù)。當溫度已知時，可以對溫度進行補償。當不考慮溫度影響時，可以直接通過 求解得到1。由于光纖光柵法測的應(yīng)變就是鋼絞線沿軸向的應(yīng)變，則1。 2分析 1）長線測量法是基于減小相對誤差的原理，通過大量實驗數(shù)據(jù)得出統(tǒng)計結(jié)論，具有一定的真實性，但未能給出鋼絲斜向應(yīng)變與鋼絞線應(yīng)變之間的準確對應(yīng)關(guān)系。由于實驗采用的是直接直線張拉的方式，測量得出的結(jié)果，不適用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，故不具有普遍實用性。由于結(jié)論僅由試驗得出，沒有嚴密的理論作為支撐，故其準確性尚須進一步驗證。 2）彈簧法巧妙的簡化了計算鋼絲應(yīng)變的方法，可以運用幾何關(guān)系迅速求解鋼絲的應(yīng)變

7、。但是，彈簧法將鋼絞線離散成簡單的1根鋼絲和6根鋼絲彈簧，顯然忽略了鋼絲彈簧之間的作用和鋼絲彈簧與中間鋼絲之間的作用，并且實際應(yīng)用當中，各根螺旋鋼絲的張拉力并非均勻的，因此，其可靠性值得研究。 3）理論修正法綜合運用胡克定律和幾何關(guān)系，對螺旋鋼絲應(yīng)變與鋼絞線軸向應(yīng)變的關(guān)系作了理論求解并進行了修正，并結(jié)合試驗進行了論證。該方法考慮了螺旋鋼絲和中間鋼絲受力后直徑的變化，比之前的研究方法有一定的改進，但仍未考慮各根螺旋鋼絲張拉力的非均勻性，試驗結(jié)果在張拉力較小的情況下未能很好的與理論結(jié)果相吻合，還須進一步研究。 4）光纖光柵法利用光學(xué)原理測量鋼絞線的應(yīng)變，該方法為鋼絞線應(yīng)變的測量開辟了一個新的方向，

8、但是光纖光柵的斷裂極限應(yīng)變只有5000左右，而預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)變通常可達10000以上，故需要預(yù)先將鋼絞線張拉到5000以上才能貼光纖光柵，對于后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),這將需要研究設(shè)計專門的貼裝夾具，尚且不論其準確與否，這都給施工實際操作帶來了很大的難度。 3結(jié)論 通過以上分析，可以得出以下結(jié)論： 現(xiàn)有的方法中采用有限元進行模擬分析的還比較少，大都沒有考慮各根鋼絲受力后的不均勻性，求解應(yīng)變時也均是取每根螺旋鋼絲都相同。并且，鋼絞線在實際工程當中，可能會因為彎矩或剪力的存在，而導(dǎo)致鋼纖維應(yīng)變不一致。因此，鋼絞線應(yīng)變的測量還需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上做更進一步的研究，在以后的研究中，可以考慮理論分析結(jié)合試驗驗證，

9、同時用有限元模型進行同步模擬分析。 參考文獻 1namy a s, abdel -ghaffar a m. three dimensional nonlinear static analysis of cable-stayed bridges. computers and structures,1990,34(34): 257271. 2戴公連，呂海燕. 預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性模量及應(yīng)變修正系數(shù)的分析j.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報，1993，11（1）：27-32. 3劉克勤，馬文堅，陳良飛，區(qū)錫祥. 鋼絞線單根受力時的變形分析a. 新世紀預(yù)應(yīng)力技術(shù)創(chuàng)新學(xué)術(shù)交流會論文集c，2002：202205. 4王應(yīng)軍，

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