СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЯ В РАБОЧЕЙ СТЕРЖНЕВОЙ АРМАТУРЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО СООРУЖЕНИЯ
METHOD OF MEASURING FORCE IN WORKING REINFORCEMENT BARS OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURE

Изобретение относится к области измерения усилий в рабочей арматуре эксплуатируемого железобетонного сооружения, в котором преобразователи силы в процессе его возведения не были установлены или были установлены, но в процессе эксплуатации вышли из строя и подлежат замене, и может быть использовано научными, проектно-конструкторскими и эксплуатирующими сооружение организациями для контроля его безопасности, в частности на действующих АЭС.
Известен традиционный способ измерения усилий в рабочей арматуре сооружения, заключающийся в установке в ней до бетонирования промышленно выпускаемых струнных арматурных преобразователей силы с последующим измерением усилий в процессе возведения и эксплуатации сооружения (см. А.А.Угинус, В.П.Бомбчинский. Контрольно-измерительная аппаратура гидротехнических сооружений. Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре. М., 1954, с.172-177).
Основным недостатком данного способа является отсутствие экспериментального определения усилий в местах, где преобразователи силы в процессе строительства установлены не были или были установлены, но в процессе эксплуатации вышли из строя и подлежат замене. Данный способ не предполагает установку (замену) арматурного преобразователя силы; на эксплуатируемом сооружении, особенно при наличии в рабочей арматуре существенных эксплуатационных усилий растяжения и сжатия
.
Известен также способ измерения текущего напряженного состояния арматуры эксплуатируемого железобетонного сооружения к моменту установки (замены) в ней преобразователя силы, заключающийся в том, что в зоне возникновения трещин образуют две штрабы, в одной из которых на обнаженную арматуру устанавливают тензорезисторы, а затем в другой штрабе перерезают арматуру, при этом штрабы располагают на расстоянии не менее длины аркеровки и осуществляют последовательное вскрытие бетонного слоя с обнажением арматуры между штрабами и измерение относительной деформации арматуры после вскрытия каждого участка, а окончательное измерение относительной деформации производят после соединения двух штраб в единую штрабу.
7
По определенной разности относительных деформаций арматуры, измеренных до ее перерезки и после того, как завершено образование единой штрабы, по закону Гука и сечению арматурного стержня определяют действующие до перерезки в арматуре усилия N (патент RU №2099676 С1, МПК G01L 1/00, 1/22, 20.12.1997).
Если при этом во вскрытую арматуру вваривается преобразователь силы, то его начальные показания (если вварка преобразователя не приведет к возникновению дополнительных усилий) равны нулю. Поэтому измеренные установленным преобразователем усилия каждый раз суммируют с найденным значением усилия N.
Недостатком вышеизложенного способа является низкая точность измерений, обусловленная искажением реальной картины напряженно-деформированного состояния железобетонной конструкции в месте установки преобразователя силы. Разгрузка стержня, в который устанавливается преобразователь, особенно на участке, где было нарушено его первоначальное сцепление с бетоном, в то время как происходит перераспределение его нагрузки на другие, рядом расположенные стержни, в которых начинают действовать усилия, как правило, превышающие усилия N. В перераспределении усилий между стержнями наблюдается неопределенность, что обусловливает существенные погрешности в результатах измерений.
7
Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения усилия в рабочей стержневой арматуре железобетонного сооружения, заключающийся в том, что вдоль арматурного стержня на расстоянии не менее длины анкеровки образуют две штрабы, в одной из которых на обнаженную арматуру устанавливают датчики деформации и измеряют начальное значение относительной продольной деформации арматуры, затем в другой штрабе перерезают арматуру, последовательно вскрывают бетонный слой с обнажением арматуры между штрабами до образования единой штрабы и вторично измеряют значение относительной продольной деформации арматуры, по разности двух измеренных деформаций вычисляют действовавшее в арматуре до ее перерезания усилие, затем на место вырезанного отрезка обнаженного арматурного стержня устанавливают преобразователь силы и измеряют текущие значения усилий в арматуре железобетонного сооружения, при установке преобразователя силы последовательно с ним в тот же арматурный стержень устанавливают натяжное устройство для создания в месте установки преобразователя силы однородного напряженно-деформированного состояния железобетонной конструкции, соответствующего ее текущему состоянию к моменту перерезки арматурного стержня, затем с помощью натяжного устройства воспроизводят заданное значение усилия, которое контролируют преобразователем силы и/или датчиками деформации, после чего штрабу бетонируют (патент RU №2191990 С1, МПК G01L 1/00, 1/22, 1/00, 5/00, 12.07.2001). Кроме того, в качестве заданного значения усилия выбирают усилие, действовавшее в арматуре до ее перерезки. Дополнительно учитывают изменение показаний установленного преобразователя силы в процессе твердения бетона в штрабе путем внесения упомянутого изменения в виде поправки в текущие значения измеряемых усилий.
Данный способ, выбранный в качестве прототипа, имеет существенный недостаток: точность измерений усилий с помощью установленного преобразователя остается низкой. Преобразователь в процессе измерений продолжает находиться в частично недогруженной (по сравнению с тем, что имело место до перерезки стержня) зоне и одновременно окруженный с двух сторон областями концентрации напряжений, образовавшихся в результате перерезки арматурного стержня. Это состояние качественно сохраняется и при воспроизведении эксплуатационного усилия N. Способ не дает возможности даже оценить величину погрешности результата измерения усилия за счет указанного изменения напряженно-деформированного состояния в месте установки преобразователя усилия.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является повышение точности измерений усилий в рабочей стержневой арматуре эксплуатируемого железобетонного сооружения.
110
120
210
220
310
320
111
121
211
221
311
321
11
21
31
112
122
212
222
312
322
12
22
32
13
23
33
зад
13
зад
N
Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе измерения усилия в рабочей стержневой арматуре железобетонного сооружения, заключающемся в том, что вдоль арматурного стержня на расстоянии не менее длины анкеровки образуют две штрабы, в одной из которых на обнаженную арматуру устанавливают датчики деформации и измеряют начальное значение относительной продольной деформации арматуры, затем в другой штрабе перерезают арматуру, последовательно вскрывают бетонный слой с обнажением арматуры между штрабами до образования единой штрабы и вторично измеряют значение относительной продольной деформации арматуры, по разности двух измеренных деформаций вычисляют действовавшее в арматуре до ее перерезки усилие, затем на место вырезанного отрезка обнаженного арматурного стержня устанавливают преобразователь силы и измеряют текущие значения усилий в арматуре железобетонного сооружения, при установке преобразователя силы последовательно с ним в тот же арматурный стержень устанавливают натяжное устройство для создания в месте установки преобразователя силы однородного напряженно-деформированного состояния железобетонной конструкции, соответствующего ее текущему состоянию к моменту перерезки арматурного стержня, затем с помощью натяжного устройства воспроизводят заданное значение усилия, которое контролируют преобразователем силы и/или датчиками деформации, после чего штрабу бетонируют, при этом дополнительно первоначально образуют две штрабы на соседних стержнях по отношению к стержню, на котором устанавливают преобразователь силы, после чего образуют штрабу и на этом стержне, причем все три штрабы располагают по одной вертикали для арматуры, расположенной горизонтально, или на одной горизонтали для арматуры, расположенной вертикально, и на обнаженные части арматуры в каждой из трех штраб устанавливают по два датчика деформаций, ориентированных симметрично относительно нейтральной оси арматурного стержня, и определяют деформации: ε, ε - на первом стержне, ε, ε - на втором стержне, ε, ε - на третьем стержне, затем на арматурном стержне, в который устанавливается преобразователь силы, на расстоянии от первой штрабы не менее длины анкеровки образуют четвертую штрабу, перерезают в ней арматуру и снова измеряют значения продольной относительной деформации и снова измеряют значения продольных относительных деформаций: ε, ε - на первом стержне, ε, ε - на втором стержне и ε, ε - на третьем стержне, в трех арматурных стержнях, по разностям двух измеренных продольных относительных деформаций в каждом из стержней вычисляют изменения действующих в них усилий ΔN, ΔN, ΔN, которые вызваны перерезом стержня, затем последовательно вскрывают бетонный слой с обнажением арматуры между первой и четвертой штрабами, после чего снова измеряют значения продольной относительной деформации ε, ε, ε, ε, ε, ε в трех арматурных стержнях, по разностям двух измеренных продольных относительных деформаций в каждом из стержней вычисляют изменения действующих в них усилий ΔN, ΔN, ΔN, которые вызваны только вскрытием бетонного слоя вдоль первого стержня, а также изменения действующих в них усилий ΔN, ΔN, ΔN, которые вызваны совместным влиянием как перерезом стержня, так и вскрытием бетонного слоя вдоль и для первого стержня в дальнейшем принимаемого за задаваемое значение усилия N=ΔN (т.е. за усилие, действовавшее в арматуре до начала проведения операций), затем вблизи первой штрабы перерезают его и на место вырезанного отрезка арматуры устанавливают преобразователь силы и последовательно с ним натяжное устройство, с помощью которого воспроизводят в рабочей арматуре задаваемое значение усилия N, контролируя это значение как датчиками деформации в первой штрабе (с пересчетом на усилия), так и установленным преобразователем силы и одновременно наблюдая за снижением показаний датчиков деформации во второй и третьей штрабах, и на основании полученных экспериментальных данных определяют математическое ожидание действовавшего усилия N и среднее квадратическое отклонение σ по формулам:
зад
где N - значение усилия, действовавшего в стержне, в котором устанавливается
преобразователь силы, определяемое методом разгрузки, кН;
23
33
зад
ΔN, ΔN - изменения значений действующих усилий соответственно в стержнях, соседних со стержнем, в котором устанавливается преобразователь силы, после воспроизведения в последнем с помощью натяжного устройства усилия N по сравнению с усилиями, зафиксированными в них после перерезания стержня, кН.
Заявленное изобретение представлено на чертеже в виде схемы, поясняющей сущность заявленного способа, где 1, 2, 3 - арматурные стержни. А, Б, В, Г - штрабы, I, II, III, IV - зоны последовательности оголения арматуры.
ijn
110
120
210
220
310
320
Первоначально образуют три штрабы (на чертеже заштрихованы): А - на арматурном стержне 1, в котором устанавливается преобразователь силы, а В и Г - соответственно в соседних с ним арматурных стержнях 2 и 3. Все три штрабы располагают по одной вертикали для арматуры, расположенной горизонтально, или на одной горизонтали для арматуры, расположенной вертикально. Размеры штраб должны позволять установить на обнаженные участки арматуры датчики деформаций (тензорезисторы или струнные преобразователи деформаций ПЛДС-ТС-150 М-В1 ТУ 4273-003-59003347-2003). При этом в каждой штрабе на обнаженную арматуру устанавливают 2 преобразователя ПЛДС-ТС-150 М-В1 (или наклеивают два тензорезистора), ориентированных симметрично относительно нейтральной оси арматурного стержня, с целью исключения при измерениях изгибных деформаций. В этой связи, на каждом из стержней 1, 2, 3 в начальном состоянии и после проведения каждой манипуляции проводится два измерения текущих значений продольной относительной деформации. Всего производится 6 измерений. При этом каждое измерение обозначается ε, где i=1, 2, 3 - соответствует номеру стержня, j=1, 2 - соответствует номер измерителя на каждом стержне, n=0, 1, 2, 3 - соответствует манипуляции, предшествующей измерению. Так, n=0 соответствует начальному состоянию (после установки датчиков деформации на стержне). Начальное состояние характеризуется шестью значениями измеренных деформаций: ε, ε - на первом стержне, ε, ε - на втором стержне, ε, ε - на третьем стержне.
111
121
211
221
311
321
Затем на арматурном стержне 1 на расстоянии от штрабы А не менее длины анкеровки образуют штрабу Б, перерезают в ней арматуру (манипуляция 1) и снова измеряют значения продольных относительных деформаций: ε, ε - на первом стержне, ε, ε - на втором стержне и ε, ε - на третьем стержне. Тогда изменения относительной продольной деформации при частичной разгрузке за счет перерезки 1-го стержня составляет:
Для первого стержня после манипуляции 1
Для второго стержня после манипуляции 1
Для третьего стержня после манипуляции 1
i1
i1
По полученным Δε вычисляют изменения действующих в стержнях 1, 2, 3 усилий (N) по формулам
s
2
где A - площадь поперечного сечения арматурного стержня, см;
s
2
E - модуль упругости арматурной стали, кН/см.
112
122
212
222
312
322
Манипуляция 2 заключается в том, что вскрывают бетонный слой между штрабами Б и А с обнажением арматурного стержня 1 на глубину защитного слоя плюс двух диаметров арматуры последовательно в зонах I, II, III и IV (см. чертеж) до образования единой штрабы. После этого снова измеряют текущие значения продольных деформаций ε, ε, ε, ε, ε, ε.
Тогда изменения относительной продольной деформации при частичной разгрузке, вызванной устранением сил сцепления стержня 1 с бетоном, составят
Для первого стержня после манипуляции 2
Для второго стержня после манипуляции 2
Для третьего стержня после манипуляции 2
i2
i2
Соответственно по полученным Δε вычисляют изменения действующих в стержнях усилий (N)
i1
i2
зад
После этого, складывая соответствующие значения ΔN и ΔN, получают значение усилия, действовавшее в стержне 1 до начала проведения операции и обозначаемое как N
а также изменения значений действующих усилий в стержнях 2 и 3
Выполнение штраб на расстоянии не менее длины анкеровки исключает продергивание разрезаемой арматуры, при этом арматура не претерпевает динамического сброса напряжений из-за резкой потери влияния сцепления с бетоном с арматурным стержнем сразу по всей длине обнажения, что исключает возможное повреждение установленных на стержнях датчиков деформаций.
7
зад
23
33
зад
Далее вырезают отрезок обнаженного арматурного стержня необходимой длины и на его место устанавливают преобразователь силы арматурный струнный ПСАС-ТС-Т-2* ТУ 4273-002-2639155-2002 соответствующего диаметра. Последовательно с ним устанавливают натяжное устройство в одной из модификаций, приведенных в описании патента RU №2191990 С1, МПК G01L 1/00, 1/22, 5/00, 12/07/2001. С помощью натяжного устройства воспроизводят в стержне 1 усилие N, контролируя его как датчиками деформации в штрабе А (с пересчетом на усилия), так и установленным преобразователем силы. Одновременно наблюдают за изменением текущих показаний усилий в стержнях 2 и 3 и фиксируют их окончательные показания ΔN и ΔN при достижении в стержне 1 значения усилия N.
Математическое ожидание действующего в стержне 1 усилия определяется по формуле
N
Среднее квадратическое отклонение σ определяют по формуле:
зад
где N - значение усилия, действовавшего в стержне, в котором устанавливается преобразователь силы, определяемое методом разгрузки, кН;
23
33
зад
ΔN, ΔN - изменения значений действующих усилий соответственно в стержнях, соседних со стержнем, в котором устанавливается преобразователь силы, после воспроизведения в последнем с помощью натяжного устройства усилия N по сравнению с усилиями, зафиксированными в них после перерезки стержня, кН.
зад
Разность N-N рассматривается как абсолютная систематическая погрешность, присущая заявляемому способу измерений. В дальнейшем эксплуатационные усилия в арматуре измеряют установленным преобразователем ПСАС-ТС-Т-2*, прибавляя к результату измерения указанную систематическую погрешность.
зад
113
123
213
223
313
333
112
122
212
222
312
322
N
После воспроизведения натяжным устройством усилия N бетонируют штрабу и в последний раз измеряют текущие значения деформаций ε, ε, ε, ε, ε, ε и, если они существенно отличаются от ε, ε, ε, ε, ε, ε, то вновь пересчитывают значения N и σ по формулам (16) и (17).