盲孔法测量钢结构工作应力试验研究.pdf

第4 期 2 帅6 年4 月 广 东土 木与建 筑 GUANGDONG ARCHI I EC T URE C I VI L E NGI N EER I NG N o A AP R 2 0 0 6 盲孔法测量钢结构工作应力试验研究 曾 宏 1 盛国赛 1 谢晓锋 1 魏庆晨 1 杨 春 2 李建文 2 1 、 广东省建筑科学研究院 广州 5 1 0 5 0 0 ；2 、 华南理工大学 广州5 1 0 6 4 0 摘要 盲孔法作为钢结构应力测试的新方法， 理论上是可行的 ， 但 因工程构件种 类多、 受力复杂且 受周边环境 的影响 ， 故其实践运 用尚少 ， 文 中根据工程 实际特点 ， 通过试验研 究探 索该法 实际操作 中的一 些影响 因素 ， 并对 基本计算公式的参数进行修正 ， 供工程检测人 员参 考。 关键词 盲孔法 ；钢结构 ；应力测试 ；试验研 究 盲孔法作为测量钢结构残余应力的新方 法f 1 ] ， 经多年研究其理论已基本完善[ 2 ] ， 实践 中运用 的测 量方法也 日渐成熟 ， 测量工具的研发也有 了较大成 果 ． 现 已有许多成熟的成套产品用于钢结构残余应 力的实际测量。根据盲孔法的基本原理 ] ， 该法用 于钢结构既有建筑的工作应力测量 。 理论上是可行 的． 而在实际操作中应如何利用 已有的计算方法 、 公 式 、 具体操作方法 ， 考虑哪些 因素影响 ， 应考虑钢结 构工作应力状态和特点进行修正和调整 ， 因此本文 在试验的基础上 。 对盲孔法用于钢结构工作应力测 量进行探讨 ， 总结出一些计算修正方法和结论 ， 供工 程检测人员参考。 1 试 验概况 及方 法 1 ． 1 试件设计 本试验是在钢结构构件表面上钻盲孔来检测钢 结构构件上某点 的表面工作应力 ， 通过试验来掌握 该法的适用情况及影响参数 ． 为工程实际检测提供 指导 ， 同时了解钻孔后孔周围应变的释放情况 ， 弄清 不同受力状态和不同表面应力分布情况下的钻孔释 放规律。 根据试验 目的共取 2 组试件， 试件 A为 I 2 0 a 轴心受压钢柱 ， 长 5 0 0 mm； 试件 B为 I 2 2 a 简支钢梁 ， 长1 ． 0 m。如图 1 所示。 a 试件 A 图 1 48 b 试件 B 试件尺寸示意 图 1 ． 2 试验装置和加载方法 试验在华南理工大学工程结构试验中心进行 。 为便于操作。 专门设计 了能适用于多种受力构件的 自平衡反力架 如图 2 ， 加载时用 1 个 Y Q - 5 O型油 压千斤顶正位加荷。 a 工字钢受压柱 b 工字钢梁 图 2 构件加载照片 1 ． 3 量测内容和方法 盲孔法主要量测钻孔前后测点附近应变的释放 量， 应变片分布如图 3 ， 内圈 4个应变片为标距 3 m m、 阻值 1 2 0 1 “ 的测量应变片。 格栅中心与钻孔中心相距 3 m m， 外围 3个应变片为标距 5 m m、 阻值 1 2 0 1 “ 的标 定应变片。 试验中应变值由 D H3 8 1 5 N静态数据采集仪 自 动记录， 其 中加载过程 中的应变值在每次加载完成 的 2 m i n后进行记录， 钻孔后的应变值从钻孔完成的 3 m i n后开始记录， 每隔 3 m i n记录一次 ， 直至前后两 次的应变差值在 5 1 6。 维普资讯 2 伽 6 年4 月 第4 期 曾宏等 盲 孔法测 量钢结 构工 作应力 试验研究 A P R 2 0 o 6 N o ．4 试验 的关键在于保证钻孔 的准确性 。 包括钻孔 的中点位置 、 直径和深度等。 因此专门购置了郑州产 的 Z D L I I 型钻孔机 如图 4 ， 它是检测残余应力的 专门装置 。 通过 4个水平调节 螺母 及 3个 竖 向调 节螺 母可 灵活准确地进行三维调整。 2 试验 结果 及分 析 2 ． 1 工字 钢柱 1 无应力情况下 的钻孔 试 验 表 1列 出了工 字 钢轴 心 受压柱腹板测点钻孔 d 3 mm。 h 3 mm 时的试验数据 。 是在构 件上预先钻孔后加载获得的 。 其 目的是 与有应 力情 况下 的 钻孔测量数据进行 比较 。 研究 钻孔加工应变对试验 的影响 。 测点应力绝对值 0 - , ／ 2 。 为材料的屈服强度 时误差几乎为 0。 在加载应力 1 0 0 MP a时 ， 钻孔后根据弹性阶段 的标定系数计算 出的测量应力 与构件中的原工作应力存在较大误差 ， 随着测点钻 孔前应力的增大 ， 钻孔后其测量应力的误差也逐渐 增大 。其主要原因是钻孔加工应变和钻孔后孔边应 力集 中而发生塑性变形 ， 测出的应变包含 了塑性应 变 ， 不得再套用根据弹性理论的推导公式 ， 但该误差 可通过理论修正消除。这组数据与盲孔法测量残余 应力的理论及规范规定的适用范围相一致 ， 说明该 种形式的盲孔钻孔可测量应力沿厚度方向均匀分布 的钢结构构件的工作应力。 2 ． 2 工字钢梁 表 3列 出了工字钢梁受压翼缘上测点钻孔 d 3 ra m． h 3 m m 时的试验数据 ， 其中按 L D1 ～ L D1 0平 均系数计算的应力项 中平均系数指 L D1 ～ L D1 0分别 计算的系数 A、 B的平均值。 其余各项说明同上所述。 表 3中翼缘 l 0个测点钻孔前应力绝对值 S 的释放系数 A、 8进行数值拟 合 ， 发现它们与 5呈线性关 系， 本 文对 S S 情况下 A、 8与 5的关系采用类似方法进行线性拟合 图略 ， 得到盲孔法测量钢结构工作应力时孔边发生塑性变 形后释放 系数的修正公式如下 A 一 5 x 1 0 - 7 S 一 0 ． 7 8 7 7 B 一 7 x 1 0 - 7 S 一 1 ． 8 1 6 8 5可 由式 6 得出 ， A 、 8 为修正后的应变释放系 数 ， 可认为它们包含了测量高应力 区时孔边塑性变 形对测量精度的影 响， 这样 ， 当 S S 时用修正后的 A 、 B 来代替由弹性解得到的A、 B， 就可消除孔边塑 性变形对测量精度的影响。本次试验中 S 7 0 0 0 0 。 2 ． 5 修正后结果及精度 将表 1中的试验数据分别用未修正 过的系数 A、 8和修正后的系数 A 、 8 计算测量应力值 ， 并分别 计算其相对于标定应力值 的误差 ， 结果列于表 4 。可 见， 对释放系数进行修正后， 标定应力 o - J 2时． 测量 应 力误差 由修 正 前 的 1 0 ％以上降 至 2 ％ 以 内 ． 大 大 提高了测量精度。 严格地说 ， 表 4的结 果 仅 为 根 据 标定试 验作 出 的修正 ， 与实际应 用 还 有 一 定 区 表 4 无应力钻孔修正前后的误 差比较 别。 表 5列出的是有应力情况下钻孔试验的修正 结果 ， 其 中对参数 5 7 0 0 0 0的测点则不仅考虑钻孔加 工应变的影响 ， 且在计算其测量应力时采用 了修正 后的应变释放系数 A 、 8 计算 以修正孔边 塑性变形 的影响。从表 5可见 ， 钻孔前应力 o - J 2时， 修正后的测量误差仅约5 ％， 比修正 前大幅减小 ， 可知考虑 了钻孔加工应变与孔边塑性 变形后 ， 盲孔法完全能在实际工程较高工作应力的 检测中加以应用 3结论 从试验结果的分析可以看出， 盲孔法用于实际 工程钢结构 的应力检测， 无论是理论或实际操作上 均是可行的， 在具体实施 上应考虑以下方面的问题 表 5 有应 力钻孔修正前后的误差 比较 5l 维普资讯 2 0 o 6 年4 月 第4 期 广东土 木与建 筑 A P R 2 O o 6 N O ． 4 3 ． 1 对钻孔直径 、 深度不同的孔 以及贴片位置距离 孔 中心不同的情况 ． 要采用多次标定来确定其标定 系数 ，以消除操作误差的影响。 3 ． 2 盲孔法在结构应力超过 o． , ／ 2时会产生较大误 差 ， 需要对标定 系数进行塑性修正。 3 ． 3 钻孔附加应变对测量精度的影响较大 ， 实际操 作 中应严格按照标定试验时的操作进行 ． 尽量减小 这部分的误差 ， 并在计算应力时消除钻孔附件应变 的影 响。 3 ． 4 本试验主要研究的是构件单方向的受力情况 ， 对主应力 o - ／ 2 的非单向受力 情况 ， 本试验总结 的方法就不一定适用， 建议进行专 门的标定试验研究。 3 ． 5 测量高应力时 ， 对于本试验的钻孔形式 ， 标定 系数 A、 与形状改变比能参量 S呈线性关系 ． 本试 验拟合出 Q 2 3 5钢材在孔边发生塑性变形后的应变 释放系数为 A 一 5 x 1 0 - 7 S - 0 ．7 8 7 ， B 一7 x 1 0 - 7 S 1 ． 8 1 6 ， 其中， 参数 S 7 0 0 0 0 1 0 时适用。 参考文献 [ 1 ]M a t h e r ．J D e t e r mi n a t i o n o f I n i t i a l S t r e s s b y Me a s u ri n g t h e De f o r ma t i o n Ar o u n d Dri l l e d Ho l e ． A S C E， 1 9 3 4 5 6 [ 2 ] R e d n e r ．S ． Me a s u r e m e n t o f R e s i d u a l S t r e s s e s b y B l i n d H o l e Dri l l i n g Me t h o d ，P r i n c i p l e a n d A p p l i c a t i o n ．B u l l e t i n T DG - 5 ．P h o t o e l ast i c I n c ， A S u b s i d a r y o f Vi s h a y I n t e r t e c h n o l o g y ， I n c ． L i n c o l n HWY ， Ma l v e m ， P a ． ． U． S ． A． ， 1 9 7 4 [ 3 ]胡春农．小盲孔松弛法测定焊接钢 结构 的残余应力 [ J ] ． 土木工程学报 ， 1 9 8 2 1 [ 4 ]徐芝纶． 弹性力学简明教程[ M] ．高等教育 出版社 ， 2 0 0 2 [ 5 ]余勋曼 ， 李庆本 ， 王敏．钻削加工应变对盲孔法测定焊接 残余应力的影响 [ J ] ．焊接学报 ， 1 9 8 6 4 [ 6 ]陈怀宁 ， 陈亮山 ， 董秀 中． 盲孔法测量残余应力的钻 削加 工应变[ J ] ．焊接学报 ， 1 9 9 4 4 [ 7 ]赵海燕， 裴怡， 史耀武．用小孔释放法测量焊接高残余应 力时孔边 塑性变 形对测 量精度 的影 响及修 正方法 [ J ] ． 机械强度 ． 1 9 9 6 3 [ 8 ]裴怡 ， 包亚峰 ， 唐慕 尧．盲 孔法测 定时计算公 式中 A、 B 值的研究[ J ] ．机械强度 ， 1 9 9 7 1 上接第 4 7页 操作人员需将速度减慢 ， 对离水 的焊缝则采取传统 的焊接手法， 在带水封闭法兰封板后 ， 漏点修复即告 完成。 3 河堤修复 漏点修复完成后 ， 施工人员按技术规范要求严 格把关 ． 将 冲空了的管底 以砂包填复。 管面以碎石盖 平 ． 并沿鱼塘外副堤脚打桩加 固， 再用砂包砌筑 ， 原 状修复 ． 确保了管道及堤岸安全。 5 结束 语 广州市流溪河过河管漏点带压成功修复的工程 实例 。 丰富了过河管维修工作经验 ， 从中也得到了一 些教训 。 主要包括 5 ． 1 在遇到特殊气象的情况下， 合理制定并执行符 合客观实 际的工作程序 ， 采取有效的的技术措施 ， 是 保障抢修工作顺利完成的必要条件。 5 2 5 ． 2 准确掌握漏点的真实情况， 有针对性地选择切实 可行的抢修方案， 可减少盲 目性 ， 避免更大的损失 。 5 - 3 对于水下作业和汛期作业 ， 安全措施是首先必 须考虑的问题 。 5 ． 4 根据实际情况使用新设备 、新材料和新工艺 ， 是提高效率 、 确保安全和质量的根本途径。 5 ． 5 当年沉管时遗弃的工作沉箱位移 ， 是导致此次 爆漏的直接原因。 这反映出当年施工存在管理不善 和质量验收把关不严等现象， 最终酿成严重后果。 5 ． 6 在封堵流砂和抽水止水施工中 ，应尊重 自然 ， 合理利用潮汐间隙 ， 以达到事半功倍和降低工程施 工成本的目的。 维普资讯