工作应力的测量方法

冯 伟

（重庆交通大学 土木工程学院）

工作应力的测量方法

冯 伟

（重庆交通大学 土木工程学院）

工程结构实际的工作应力是评价结构安全性和可靠性非常重要的参数，这也是很多学者的研究方向。本文回顾了几种主要的机械释放工作应力的方法测量残余应力，以及他们最新的发展状况。结合已有的应力释放方法，本文主要探讨了开矩形圆底槽应力释放方法。

工作应力；机械释放应力；开槽

1 绪论

工作应力是指材料中的应力与构件在周围的各种因素作用下相平衡的作用应力。这些应力主产生于结构的建造过程，构件链接方式，周围温度场作用及化学作用[1]。这些应力是结构产生非均匀的弹性或弹塑性变形。

工作应力对构件的工作寿命以及材料的变形性能是至关重要的，过大的工作应力作用在结构上时减小了材料的安全储备，一方面增大了结构的变形,由于应力过大会造成工作重分布可使结构的刚度下降同时降低其空间的承载能力[2]；另一方面结构暴露在恶劣的环境中工作应力加上极端的温度变化，结构超载，化学腐蚀将会造成结构耐久性的损失[3]，应力腐蚀，以及蠕变开裂[4]。大量的工程事故的灾难都是因为工作应力过大而引发。因此对已建结构工作应力的测量非常重要，是准确掌握结构受力状况，评估结构承载力及使用性能，结构安全监测的重要手段之一[5]。

2 混凝土工作应力测试

目前，在土木工程中，工作应力测试主要还是在钢结构检测中应用，由于钢结构中钢材在组织结构上细密，均匀，宏观上表现为受力均匀，各项同性的特点，其测量结果比较准确可靠。因此，近年来在实际工程中就有学者利用工作应力检测方法来测试钢结构的工作应力。由于混凝土材料本身的特性，组成材料的离散性较大，并存在大量的微裂缝和空隙，在宏观上，如何准确测量出混凝土的工作应力一直是实际工程中比较棘手的问题，虽然这方面的研究成果层出不穷，构件应力状态的测试基本也有了一个思路，但该领域还是有很大的发展空。

到目前为止已有许多学者在混凝土工作应力测试方面做了许多研究，下面列举几种主要方法，并提出一种简单易行的工作应力测试方法的分析思路。

2.1 盲孔法

盲孔法[6]是量测残余应力的一种方法。盲孔法作为量测残余应力的一种方法发展较成熟，近年来相关工作者对其作了大量研究，从理论分析、到实际操作中的各种工艺因素、误差来源等进行了深入的研究，使其日超完善，目前已成为工程上最常用的残余应力测量方法。

2.2 环孔法

环孔法[7]，也可以叫刻槽法，其工作原理是依据局部应力解除法的力学原理。为了测试工程构件中某一点的应力而完全截断构件是没有必要的，实际上只用开一定深度的槽在测点周围，解除测点附近的约束使之产生弹性恢复变形从而导致构件的应力重新分布，如果槽深达到一定高度时，即可使局部测点处工作应力全部释放，通过释放测点应变量测，就可以求出该点的工作应力。

2.3 开矩形槽法

文献[8]对环孔法做出改进，提出对凝土柱如果单向受压，仅需要在测点周围割一个边长为10cm，深度为3.4cm的正方形槽，就可以将位于该正方形中心的测点的应力释放出来，然后通过应变片的变形算出其应力。

2.4 条形槽法

文献[8]结合已有的混凝土应力测试方法的分析与讨论，机械的开槽方式工序都比较繁杂，为了减少开槽的次数提出开矩形圆底条形槽的开槽方式进行应力的释放的方式进行应力释放。为开槽过程中尽量的减少应力的扰动[9]选择开槽的间距为10cm，槽长10cm。研究其开槽深度为多少时能够将其应

完全释放进而测量其工作应力。用 ANSYS近似模拟长宽高分别为60*60*30cm。在其中间对称位置上切2条槽，研究不同深度应力的释放量。

开条形槽时由于只释放了两侧的约束另外两侧的约束依旧存在，因此在2条形槽的中垂线上应力不是均匀分布的有从两边向中间逐渐递减的趋势。因此为了寻找在不同的深度应力释放后在2条形槽的中垂线上应力的分布曲线，发现其是否有什么内在的规律可以指导实践。在开槽深度为 32mm时中垂线上的应力分布如图1，从中可以看出中垂线上应力的分布以及其中的分布特点。

图-1

图中的平缓段的长度在15mm，这样的结果很有指导意义。但并不是所有的深度都会出现这样的一个平稳段，在开槽深度为34mm时的应力释放曲线如图2。其残余应力为0.35MPa，但不存在平稳段曲线，但也可以选取在其中间10mm布置应变片测量其工作应力。

图-2

3 小结

从有限元的模拟分析可以看出平行矩形双槽口的深度不同，其中垂线上应力释放曲线也各不相同。有限元模拟模拟矩形槽是相当理想的情况，并没有外界的任何干扰的影响，但有限元的计算得到的应力释放曲线作为下一步实验分析和工程运的理论基础，具有重要的指导意义。

本文详细介绍了各种工作应力的测试法及其特点，并提出开双矩形槽的方式获得应力释放曲线，来指导实践工作。

（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.

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[5]谢海龙. 浅谈桥梁结构应力测试方法及特点[J]. 山西交通科技,2010,(1).

[6]侯海量, 朱锡, 刘润泉. 盲孔法测量焊接残余应力应变释放系数的有限元分析[J]. 机械强度, 2004, 25(6): 632-636.

[7]刘永淼. 环孔法测试混凝土工作应力试验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2006.

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[9]林湘祁. 混凝土工作应力测试的若干问题的研究[D]. 浙江大学建筑系, 2008.

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