建設工程用檢查井蓋殘留變形試驗裝置的研制與應用

莫俊聰

（廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司；廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司）

0 引言

隨著我國經濟的日漸繁榮，道路交通、市政工程等基礎設施得到了快速發展；同時其施工過程、后期維護中也暴露出一系列問題，導致道路質量安全事故不斷增多，給人民的生命財產安全帶來較大風險。檢查井是為道路、市政設施地下基礎設施的安裝、維修方便而設置的，其中檢查井蓋的質量好壞對檢查井有重要影響；我國每年新增數量和更換數量在幾百萬套以上,市場需求較大。檢查井蓋被碾壓以致破損情況時有發生，造成道路及設施安全性下降；而表征檢查井蓋的使用功能、質量好壞的指標是其承載能力。承載能力指標包括試驗荷載、殘留變形，其中，殘留變形表征抵抗外部荷載導致變形的能力，對工程應用有著重要意義[1]。

檢查井蓋相關國家標準、行業標準中，對于其承載能力指標中的殘留變形只有簡單的試驗步驟敘述，并無專門的儀器設備；由于井蓋樣品的特殊性，該參數不宜用游標卡尺、鋼直尺等直接測量，市面上也無對應儀器可供購買。檢測單位多是采用在井蓋樣品兩側各放置一墊塊，其上放一鋼直尺，然后用游標卡尺檢測殘留變形數據，存在無法保證水平、鋼直尺撓度影響、樣品幾何中心定位不準、人為誤差大等諸多不利因素影響。因此有必要研制一種可適用不同規格樣品的殘留變形測量裝置。

1 現行標準要求

現行檢查井蓋標準主要有《檢查井蓋》GB/T 23858-2009、《球墨鑄鐵復合樹脂檢查井蓋》CJ/T 327-2010、《聚合物基復合材料檢查井蓋》CJ/T 211-2005、《鑄鐵檢查井蓋》CJ/T 511-2017、《再生樹脂復合材料檢查井蓋》CJ/T 121—2000 等。

不同標準中關于殘留變形的試驗步驟基本相同。以常用的標準GB/T23858-2009《檢查井蓋》為例進行說明。該標準第7.2.3 條款規定[2]：檢查井蓋的承載能力通過加載系統進行試驗，檢測墊片應當放在被測的井蓋上，豎軸垂直于其表面，并與其井蓋的幾何中心重合。加載前，記錄井蓋幾何中心位置的初始值，測量精度為0.1mm。以1～5kN/s 的速率施加荷載，直至達到2/3 檢測荷載，然后卸載。此過程重復5 次，最后記錄幾何中心的最終值。根據初始值和第5 次卸載后最終值的差別計算殘留變形值。

從以上規定可知，關于殘留變形檢測只有簡單的試驗步驟敘述，并無專門的儀器。由于檢查井蓋表面不平整的特殊性，比如表面有凸凹的防滑花紋、通風孔等，且凸凹部分面積占整個井蓋面積的10%～70%，通風孔約占5%，并且井蓋表面常鑄有性能等級、執行標準等字樣，存在難以定位幾何中心、試驗過程人為誤差大等情況，影響試驗結果的準確性。見圖1、圖2。

圖1 道路工程中的檢查井蓋

圖2 傳統的殘留變形測量方法

2 自主研制的殘留變形試驗裝置

針對試驗過程中存在的問題與不足，進行了技術攻關，研制出一種殘留變形試驗裝置，能夠滿足不同種類、不同規格尺寸的檢查井蓋樣品殘留變形試驗需要，并且數據準確，試驗效率高。

2.1 主要思路

主要思路是要解決以下3 個難點：

⑴檢查井蓋表面不平整，有凸凹的防滑花紋、通風孔等，難以定位樣品幾何中心，宜采用頂針準確定位。另外，加載過程中，井蓋會發生一定變形，加載完畢后，測量幾何中心數據時，如何保證量具垂直于井蓋表面以確保測量數據準確。

⑵檢查井蓋材質、規格尺寸較多，常見的井蓋直徑500～1100mm 不等，如何將諸多規格尺寸的井蓋集成在一個殘留變形試驗裝置上。

⑶檢查井蓋殘留變形試驗裝置橫桿、跨距標尺要處于水平狀態，如何確保水平、如何表征水平。

2.2 試驗裝置的構造

試驗裝置的構造包括：橫桿、跨距標尺、數顯測量系統、水平儀、兩點支撐定位系統、單點支撐定位系統等組成部分。主要組成部分見圖3。

圖3 自主研制的檢查井蓋殘留變形試驗裝置

其中數顯測量系統在橫桿上中心處固定，兩點支撐定位系統、單點支撐定位系統可在橫桿上沿滑槽自由移動。在橫桿中心處外側鑲嵌水平儀，以氣泡在水平儀正中間位置表征整個裝置水平。跨距標尺通過鉚釘固定在橫桿上表面。

跨距標尺沿橫桿的長度方向設于其上表面，兩點支撐定位系統和單點支撐定位系統分別滑動安裝在橫桿上，數顯測量系統固定在橫桿的中部，數顯測量系統具有可上下移動且用于接觸樣品以定位樣品幾何中心的頂針。

3 殘留變形試驗裝置的應用

3.1 主要試驗步驟

⑴標記試驗樣品的幾何中心，根據樣品的規格尺寸，確定跨距長度；調整兩點支撐定位系統、單點支撐定位系統至計算好的跨距處，擰緊定位螺母，調整后的跨距應兩側對稱。

⑵利用三點確定一個平面的原理，通過調整兩點支撐定位系統上的調平螺母使橫桿水平，以觀察水平儀中的氣泡在中間位置為準。

⑶數顯測量系統的數顯屏清零，松開數顯測量系統的擰緊螺母，輕輕按壓尺柄，使頂針下移至頂針與樣品緊密接觸，數顯屏示值即為樣品幾何中心的初始值X1。

⑷擰緊擰緊螺母，在兩點支撐定位系統、單點支撐定位系統與樣品接觸的三個點做標記，然后取下本檢測裝置。

⑸進行承載能力試驗；按標準規定速率施加荷載，直至達到2/3 檢測荷載（不同等級的檢查井蓋，其檢測荷載不同，例如等級為D400 的檢查井蓋，檢測荷載為400kN），然后卸載，此過程重復5 次。

⑹將本檢測裝置放置在標記好的三個點處，松開數顯測量系統的擰緊螺母，輕輕按壓尺柄，使頂針下移，至頂針與樣品緊密接觸，數顯屏示值即為樣品幾何中心的最終值X2。

⑺X2-X1，即為試驗樣品的殘留變形值。

3.2 實施效果

3.2.1 數據準確性

對同一批井蓋，用傳統測量方法與自主研制的的殘留變形試驗裝置各自測量10 次，數據統計見表1。

由表1 可知，采用自主研制的殘留變形試驗裝置時，檢查井蓋殘余變形測量平均值偏大，比傳統測量方法的數據約大10%。這主要是由于傳統方法鋼尺剛度不夠，中間產生撓度，造成測量數據偏小；而采用自主研制的殘留變形試驗裝置時，整個裝置處于同一水平面，數據更為準確。

表1 傳統測量方法與自主研制的殘留變形試驗裝置數據對比

標準差方面，自主研發的試驗裝置較小，表征數據更加穩定準確，二者相比，自主研發的試驗裝置標準差只有傳統方法的40%。

3.2.2 試驗效率

經大量井蓋殘留變形試驗耗時測算，傳統方法每個井蓋耗時約4 分鐘，采用自主研制的殘留變形試驗裝置后，耗時約2 分鐘。試驗效率提升1 倍，大幅節約試驗時間。

圖4 樹脂復合材料井蓋殘留變形試驗

圖5 鑄鐵井蓋殘留變形試驗

4 主要創新點

與傳統試驗方法相比，該測試裝置的主要技術優勢、創新點如下：

⑴采用兩點支撐定位機構和單點支撐定位機構與橫桿滑動配合，跨距調整方便，在一定范圍內可調整任意大小的跨距，最大跨距可達1200mm，因此，可適用于不同規格尺寸的井蓋殘留變形檢測。

⑵橫桿剛性強，在橫桿上設有水平儀，方便調節為水平狀態，操作簡單方便。

⑶數顯測量系統具有可上下移動的頂針，樣品幾何中心定位準確。

⑷操作快捷，數據準確；經測算，試驗效率提升1倍，大幅節約試驗時間。

⑸試驗裝置結構簡單，成本低，耐用性好，已通過計量校準，滿足試驗要求，試驗結果精確，穩定耐用。

⑹適用范圍廣，滿足GB/T 23858-2009、CJ/T 327-2010、CJ/T 211-2005、CJ/T 511-2017、CJ/T 121-2 000 等多本標準，節省了試驗場地，方便儀器管理。

5 結論

檢查井蓋是路面工程、市政設施用檢查井的主要組成部分，其承載能力合格與否對檢查井乃至整個工程有重要影響。殘留變形表征井蓋抵抗外部荷載導致變形的能力，對保障工程質量安全有重要意義。

本研究針對試驗過程中存在的問題與不足，研制了一種殘留變形試驗裝置，能夠滿足不同種類、不同規格尺寸的檢查井蓋樣品殘留變形試驗檢測需要，數據準確、試驗效率高，對檢查井蓋的質量檢測、驗收、設施維護等提供有益參考，對保障工程質量、人民生命財產安全具有良好的社會效益。