一种钢支撑轴力测试装置及其测试方法与流程

本发明涉及地下工程钢支撑轴力测试技术领域，具体指一种基坑工程或其他地下工程施工的钢支撑轴力测试装置及其测试方法。

背景技术：

如所周知，钢支撑安装和拆除便捷、可重复性使用，且通过千斤顶施加轴力及时提供支撑力，被广泛应用于地下工程特别是基坑工程。钢支撑轴力测试是及时反映支撑轴力、基坑工程受力和变形的有效手段。随着基坑工程开挖深度越来越大，钢支撑受力越来越大，由于目前基坑工程常用的轴力计截面尺寸小，应力集中，这种轴力测试装置和测试方法已不能满足工程需要，且容易出现钢支撑端头板或基坑围护结构挡板变形扭曲，对支撑稳定造成不利。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种钢支撑轴力测试装置及其测试方法。从技术角度创新性提出钢支撑轴力计应力分散布置，解决钢支撑构件集中受力而造成的屈服变形和失稳。

一种钢支撑轴力测试装置，由钢支撑连接板及与其固定连接的轴力计支座、轴力计、箱体及墙体加强板构成。

其中，所述钢支撑连接板为一块完整的圆形钢板，以钢支撑连接板中心为均匀、对称设置不少于3个轴力计及支座，其与钢支撑连接板作焊接固定；钢支撑连接板与钢支撑经螺栓连接。

所述箱体由四块钢板组成，与钢支撑连接板作焊接固定；箱体正前方设置线缆孔，底部设置排水孔。箱体顶部盖板可开、闭。

所述轴力计支座上安装有同类型同规格的轴力计，与墙体或围檩加强板紧密接触。

本发明钢支撑轴力测试装置安装在基坑围护结构墙体或地下结构墙体的牛腿支架上。

一种钢支撑轴力测试装置的测试方法，由如下步骤：

步骤a.对每个轴力计进行标定和初始测试，获得各个轴力计的标定系数k和初始频率f0；

步骤b.将轴力计从箱体顶部放入轴力计支座中固定，轴力计测线从线缆孔引出；

步骤c.将测试装置与钢支撑连接，进行现场安装；

步骤d.在钢支撑受力状态下，读取各个轴力计的测试频率f；

步骤e.按下式计算各个轴力计的测试轴力

其中，f——轴力计测试轴力；

f——轴力计测试频率；

f0——轴力计初始频率；

k——轴力计标定系数。

各个轴力计的测试轴力之和为本发明装置测试的钢支撑轴力。

步骤f.钢支撑弯矩与偏心距计算。

如上所述，本发明提供一种钢支撑轴力和弯矩测试装置和方法，用于建筑工程、市政工程或交通建设工程领域。本方法能测试钢支撑的轴力、弯矩和偏心距，有利于钢支撑的整体稳定和局部稳定验算。本发明钢支撑轴力测试装置安装和拆除便捷、可重复使用，可广泛应用于基坑工程和其它地下工程。从技术角度创新性提出钢支撑轴力计均匀、对称分散布置，解决钢支撑轴力计部位集中受力而造成的屈服变形、以及轴力计刚度小而造成支撑失稳问题。同时，弯矩测试实现钢支撑整体受力稳定性核算，提高钢支撑的使用效益。

附图说明

图1为本发明一种钢支撑轴力测试装置结构示意图；

图2为本发明实施案例三个轴力计支座布置示意图；

图3为本发明测试方法流程图；

图4为本发明实施案例示意图；

图5为本发明实施案例计算案例示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述

一种钢支撑轴力测试装置(如附图1所示)，由钢支撑连接板1、轴力计2、箱体3及墙体加强板4构成。

其中，所述钢支撑连接板1为一块完整的圆形钢板，以钢支撑连接板1中心为对称中心均匀设置至少三个轴力计支座21，其与钢支撑连接板1作焊接固定；钢支撑连接板1与钢支撑经螺栓8连接。

所述箱体3由四块钢板组成与钢支撑连接板1作焊接固定；箱体3正前方设置线缆孔31，底部设置排水孔32，可开闭的顶部盖板33。

所述轴力计支座21上固定轴力计2，与墙体围檩加强板4接触。

其中，所述箱体3长度比轴力计2长度短20mm～50mm；所述排水孔32直径为50mm；所述轴力计2直径50mm～200mm，其边缘与钢支撑连接板1边净距不少于50mm(如附图2所示)。

本发明一种钢支撑轴力测试装置的测试方法(如附图3所示)，由如下步骤：

步骤a.对每个轴力计2进行标定和初始测试，获得各个轴力计21的标定系数k和初始频率f0；

步骤b.打开箱体顶部盖板33，将轴力计2放入轴力计支座21中固定，轴力计2测线从线缆孔31引出，关闭箱体顶部盖板33；

步骤c.将测试装置与钢支撑连接，进行现场安装；

步骤d.在钢支撑受力状态下，读取各个轴力计2的测试频率f；

步骤e.按下式计算单个轴力计2的测试轴力

其中，f——轴力计测试轴力；

f——轴力计测试频率；

f0——轴力计初始频率；

k——轴力计标定系数。

其中，本发明装置测试的钢支撑轴力计算如下：

n——钢支撑轴力值；

fi——第i个轴力计测试轴力；

n——钢支撑测试断面轴力计总数；

步骤f.钢支撑弯矩与偏心距计算

其中，钢支撑弯矩和偏心距计算通用公式：

轴力计承受压力作用，设第i个轴力计的计算轴力为fi，轴力计位置与断面重心o的坐标为xi,yi(如附图4所示)，则测试装置所测的弯矩为：

钢支撑的轴力偏心距为：

从而，

基于同类型同规格三个轴力计均匀、对称组成的测试装置，其钢支撑测试弯矩m和偏心距e的计算方法如下；

钢支撑轴力计分布断面：x轴为钢支撑横断面重心的水平轴，y轴为钢支撑横断面重心的竖直轴；若第一轴力计2-1与x轴的距离为y1，第二轴力计2-2和第三轴力计2-3与x轴的距离分别为y2、y3；第一轴力计2-1、第二轴力计2-2和第三轴力计2-3与y轴的距离分别为x1、x2和x3；第一轴力计2-1、第二轴力计2-2和第三轴力计2-3的测试轴力分别为f1、f2和f3；

其中，弯矩值计算

x1＝0

x2＝x3＝0.866y1

y2＝y3＝0.5y1

由上述弯矩计算通用公式，根据第一轴力计2-1、第二轴力计2-2和第三轴力计2-3的测试轴力，

x轴的弯矩值计算如下：

mx＝f1·y1-(f2+f3)·y2＝[f1-0.5(f2+f3)]·y1

y轴的弯矩值计算如下：

my＝(f2-f3)·x2＝0.866(f2-f3)·y1

断面的总弯矩计算值为：

其中，偏心距计算

由上述偏心距计算通用公式，根据钢支撑的弯矩mx、my和m，钢支撑轴力n的偏心距计算值为

其中，轴力测试装置的刚度计算：

轴力计受力面为圆形，若单个轴力计的主轴惯性矩为i0，截面抵抗矩为w0，回转半径为i0，受压面积a0，单个轴力计受力面直径为d

i0＝0.049d⁴

w0＝0.098d³

i0＝0.25d

a0＝0.785d²

三个轴力计2组成的轴力测试装置的x轴和y轴惯性矩i、截面抵抗矩w、回转半径i和受压面积a分别为：

a＝3a0＝2.355d²。

测试装置适用于直径为609mm、800mm及以上的钢支撑，或其他型式钢支撑。根据所选轴力计的量程，钢支撑轴力测试范围500kn～5000kn。

轴力计直径50mm～200mm，类型和规格相同，数量在3个或3个以上，以钢支撑断面重心为中心均匀、对称布置；轴力计边与钢支撑端头板边净距不少于50mm。

与单个轴力计相比，本发明由三个轴力计组成的钢支撑轴力测试装置的刚度和受压面积有如下关系

a/a0＝3

以直径为800mm钢支撑由3个轴力计组成的轴力测试装置为例。钢支撑连接板1为尺寸为900mm直径的圆板，由3个轴力计(轴力计2-1、2-2、2-3)组成，轴力计位置(如附图5所示)，y1＝325mm，单个轴力计直径为d＝150mm。

轴力计采用振弦式反力计。轴力计2-1、2-2、2-3出厂提供的参数如下：

标定系数：k1＝2.03×10^-3kn/hz²，f0,1＝1875hz

k2＝2.05×10^-3kn/hz²，f0,1＝1874hz

k3＝2.00×10^-3kn/hz²，f0,1＝1863hz

现场钢支撑这轴力测试装置安装完成，并施加钢支撑预加力后，测试每个轴力计的频率值，分别为：

f1＝2013hz，f2＝1975hz，f3＝1988hz

则钢支撑的轴力测试值为：

钢支撑重点轴力测试值为：

n＝f1+f2+f3＝2849kn

mx＝67.925kn·m，my＝46.729kn·m

m＝82.44kn·m

e＝0.0289m＝28.9mm

单个轴力计的受压面积和惯性矩为

a0＝0.01767m²

i0＝2.485×10^-5m⁴

本发明测试装置的受压面积和惯性矩为

a＝0.05301m²

i＝2.875×10^-3m⁴

对于本发明的测试装置，轴力计接触面的承压板(钢支撑连接板和墙体加强板)所承受的应力σ

若仅以一个轴力计对该钢支撑进行测试，则

在偏心轴力作用下产生弯矩，当仅有一个轴力计测试轴力时，轴力计与承压板发生局部屈服破坏(对ⅱ级型钢，其屈服强度fy＝335mpa)和脱空现象(出现了拉应力)，导致钢支撑失稳。而对于由3个轴力计组成的本发明测试装置，承压板和轴力计受力合理，确保钢支撑稳定。

综上所述，本发明提出的至少由三个轴力计组成的测试装置与一般钢支撑单个轴力计测试相比：

首先，钢支撑端面板和墙体端加强钢板的轴力受压面积增加了2倍，可以承受的轴力是单个轴力计的3倍。

其次，若轴力计的直径d＝150mm，对于直径609mm和800mm的钢支撑，本发明的轴力测试装置的x轴和y轴惯性矩是单个轴力计惯性矩的35.7～83.7倍；回转半径是单个轴力计回转半径的3.45～5.28倍。

再次，钢支撑属于典型的压杆受力构件，钢支撑受到的弯矩或偏心荷载作用容易引起支撑失稳，是基坑工程控制的重点。

本发明装置和测试方法可以得到钢支撑的轴力、弯矩和偏心距，能及时反映支撑轴力、基坑工程受力和变形情况。有利于控制钢支撑失稳风险。本方法能测试钢支撑的轴力、弯矩和偏心距，有利于钢支撑的整体稳定和局部稳定。本发明装置的钢支撑安装和拆除便捷、可重复性使用，可被广泛应用于地下工程特别是基坑工程，为建筑工程、市政工程或交通建设工程领域提供坚实的技术物质基础。