工作應力的測量方法

馮 偉

（重慶交通大學 土木工程學院）

工作應力的測量方法

馮 偉

（重慶交通大學 土木工程學院）

工程結構實際的工作應力是評價結構安全性和可靠性非常重要的參數，這也是很多學者的研究方向。本文回顧了幾種主要的機械釋放工作應力的方法測量殘余應力，以及他們最新的發展狀況。結合已有的應力釋放方法，本文主要探討了開矩形圓底槽應力釋放方法。

工作應力；機械釋放應力；開槽

1 緒論

工作應力是指材料中的應力與構件在周圍的各種因素作用下相平衡的作用應力。這些應力主產生于結構的建造過程，構件鏈接方式，周圍溫度場作用及化學作用[1]。這些應力是結構產生非均勻的彈性或彈塑性變形。

工作應力對構件的工作壽命以及材料的變形性能是至關重要的，過大的工作應力作用在結構上時減小了材料的安全儲備，一方面增大了結構的變形,由于應力過大會造成工作重分布可使結構的剛度下降同時降低其空間的承載能力[2]；另一方面結構暴露在惡劣的環境中工作應力加上極端的溫度變化，結構超載，化學腐蝕將會造成結構耐久性的損失[3]，應力腐蝕，以及蠕變開裂[4]。大量的工程事故的災難都是因為工作應力過大而引發。因此對已建結構工作應力的測量非常重要，是準確掌握結構受力狀況，評估結構承載力及使用性能，結構安全監測的重要手段之一[5]。

2 混凝土工作應力測試

目前，在土木工程中，工作應力測試主要還是在鋼結構檢測中應用，由于鋼結構中鋼材在組織結構上細密，均勻，宏觀上表現為受力均勻，各項同性的特點，其測量結果比較準確可靠。因此，近年來在實際工程中就有學者利用工作應力檢測方法來測試鋼結構的工作應力。由于混凝土材料本身的特性，組成材料的離散性較大，并存在大量的微裂縫和空隙，在宏觀上，如何準確測量出混凝土的工作應力一直是實際工程中比較棘手的問題，雖然這方面的研究成果層出不窮，構件應力狀態的測試基本也有了一個思路，但該領域還是有很大的發展空。

到目前為止已有許多學者在混凝土工作應力測試方面做了許多研究，下面列舉幾種主要方法，并提出一種簡單易行的工作應力測試方法的分析思路。

2.1 盲孔法

盲孔法[6]是量測殘余應力的一種方法。盲孔法作為量測殘余應力的一種方法發展較成熟，近年來相關工作者對其作了大量研究，從理論分析、到實際操作中的各種工藝因素、誤差來源等進行了深入的研究，使其日超完善，目前已成為工程上最常用的殘余應力測量方法。

2.2 環孔法

環孔法[7]，也可以叫刻槽法，其工作原理是依據局部應力解除法的力學原理。為了測試工程構件中某一點的應力而完全截斷構件是沒有必要的，實際上只用開一定深度的槽在測點周圍，解除測點附近的約束使之產生彈性恢復變形從而導致構件的應力重新分布，如果槽深達到一定高度時，即可使局部測點處工作應力全部釋放，通過釋放測點應變量測，就可以求出該點的工作應力。

2.3 開矩形槽法

文獻[8]對環孔法做出改進，提出對凝土柱如果單向受壓，僅需要在測點周圍割一個邊長為10cm，深度為3.4cm的正方形槽，就可以將位于該正方形中心的測點的應力釋放出來，然后通過應變片的變形算出其應力。

2.4 條形槽法

文獻[8]結合已有的混凝土應力測試方法的分析與討論，機械的開槽方式工序都比較繁雜，為了減少開槽的次數提出開矩形圓底條形槽的開槽方式進行應力的釋放的方式進行應力釋放。為開槽過程中盡量的減少應力的擾動[9]選擇開槽的間距為10cm，槽長10cm。研究其開槽深度為多少時能夠將其應

完全釋放進而測量其工作應力。用 ANSYS近似模擬長寬高分別為60*60*30cm。在其中間對稱位置上切2條槽，研究不同深度應力的釋放量。

開條形槽時由于只釋放了兩側的約束另外兩側的約束依舊存在，因此在2條形槽的中垂線上應力不是均勻分布的有從兩邊向中間逐漸遞減的趨勢。因此為了尋找在不同的深度應力釋放后在2條形槽的中垂線上應力的分布曲線，發現其是否有什么內在的規律可以指導實踐。在開槽深度為 32mm時中垂線上的應力分布如圖1，從中可以看出中垂線上應力的分布以及其中的分布特點。

圖-1

圖中的平緩段的長度在15mm，這樣的結果很有指導意義。但并不是所有的深度都會出現這樣的一個平穩段，在開槽深度為34mm時的應力釋放曲線如圖2。其殘余應力為0.35MPa，但不存在平穩段曲線，但也可以選取在其中間10mm布置應變片測量其工作應力。

圖-2

3 小結

從有限元的模擬分析可以看出平行矩形雙槽口的深度不同，其中垂線上應力釋放曲線也各不相同。有限元模擬模擬矩形槽是相當理想的情況，并沒有外界的任何干擾的影響，但有限元的計算得到的應力釋放曲線作為下一步實驗分析和工程運的理論基礎，具有重要的指導意義。

本文詳細介紹了各種工作應力的測試法及其特點，并提出開雙矩形槽的方式獲得應力釋放曲線，來指導實踐工作。

（Reference）

[1]Prevéy P. Residual stress in design, process & material selection [J]. ASM, Metals Park, OH, 1987: 11-19.

[2]Kim K S, Hahn H T. Residual stress development during processing graphite/epoxy composites[J]. Composites Science and Technology, 1989, 36(2): 121-132.

[3]Torres M A S, Voorwald H J C. An evaluation of shot peening, residual stress and stress relaxation on the fatigue life of AISI 4340 steel [J]. International Journal of Fatigue, 2002, 24(8): 877-886.

[4]Jiang W, Gong J, Chen H, et al. The effect of filler metal thickness on residual stress and creep for stainless-steel plate–fin structure [J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2008, 85(8): 569-574.

[5]謝海龍. 淺談橋梁結構應力測試方法及特點[J]. 山西交通科技,2010,(1).

[6]侯海量, 朱錫, 劉潤泉. 盲孔法測量焊接殘余應力應變釋放系數的有限元分析[J]. 機械強度, 2004, 25(6): 632-636.

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[8]王柏生, 沈旭凱, 林湘祁. 開槽法測試混凝土工作應力的試驗研究[J]. 浙江大學學報：工學版, 2010(9): 1754-1759.

[9]林湘祁. 混凝土工作應力測試的若干問題的研究[D]. 浙江大學建筑系, 2008.

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