本發(fā)明屬于巖土工程應變測試領域，特別是一種基于八面體的三維應變花裝置及測試方法。

背景技術：

通常情況下，材料的應變狀態(tài)取決于材料的固有屬性和受力狀態(tài)。開展大型建筑在線安全監(jiān)測工作，往往需要根據建筑結構關鍵點和控制斷面的變形、應變以及結構的動力特性等模態(tài)參數，對結構的安全可靠性進行評估與檢查，以便及時發(fā)現工程問題，采取相應的技術措施，把工程上的財力與人力損失降低到最低限度，保證建筑安全可靠和長久耐用。因此，大型結構對應變長期、實時、在線的監(jiān)測工作，對實際工程具有十分重要的現實意義。

在土木工程、水利工程中，常規(guī)應變片可以測試受力體單一方向的應變。通常，我們將應變片或其他傳感器黏貼于受力體表面某一確定方向上，來獲取該方向上的力學參數。對于平面問題，當無法確定主應變方向時，可以在物體表面沿不同方向粘貼3個應變片，從而組成各種形式的應變花，進而由應變狀態(tài)理論轉換計算，便可獲得到該點的主應變狀態(tài)?；炷粱驇r土體內部的應變狀態(tài)比較復雜，難以簡化為一維或二維簡單情形。且對于三維應變的直接測試，尚無有效方法。

目前，工程中往往通過理論計算來獲取混凝土或者巖土體內部的三維應變狀態(tài)。由于材料的不均勻和易變形等性質，導致測試數據與真實值誤差較大。比如，在地鐵聯絡通道凍結法施工過程中，不同位置處土體的力學狀態(tài)狀態(tài)各不相同，且依賴于施工方式、天氣狀況等難以量化的影響因素^[9－10]。專利申請?zhí)?015109568005的應力測試方案，對此種問題中存在的應力測試繁瑣、數據失真等問題進一步提出了解決方法，但該專利尚未對復雜三維空間中的應變測試提供明確的技術操作方法，以至于在工程實況中無法更加精確的掌握工程構件的變形狀態(tài)和安全狀況，導致事故頻發(fā)。因此，對受力體內部三維應變狀態(tài)的測試與檢測，仍然是一個我們亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發(fā)明提供了一種基于八面體的三維應變花裝置及測試方法，目的是安全快速的了解材料內部的應變狀態(tài)，為材料三維應變狀態(tài)測試提供一種成熟可靠的思路，同時解決了以往應變測試領域實踐方面的欠缺以及數據失真等問題。相較于四面體式的應變花，該發(fā)明幾何性質穩(wěn)定，放置于待測體內部不易變形，測試數據更為精確。

為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是提供一種基于八面體的三維應變花裝置，其中：該裝置包括一個八面體基座、六個應變片固定桿、六個常規(guī)應變片、以及若干數據導線；所述八面體基座六個相互獨立面的法線方向上布置有六個應變片固定桿，六個應變片分別用防水膠體粘貼于應變片固定桿；六個應變片的數據導線分別穿過八面體基座六個面上設有的數據導線孔，經由基座底面設有的導線匯總孔穿出，將匯總穿出的導線與數據采集儀相連接。

同時提供一種基于八面體的三維應變花裝置的測試方法。

本發(fā)明的效果是安全快速的獲取材料內部一點的應變狀態(tài)，且該裝置具備原理簡明、構造穩(wěn)定、計算結果可靠等特點。計算得三個主應力的測試精度為1.0ρ，三個剪應力的測試精度為1.22ρ，平均測試精度為1.11ρ。精度的提高為工程的安全防護提供科學的參考價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明涉及的新型三維應變花總體效果圖；

圖2為本發(fā)明涉及到的八面體基座；

圖3為本發(fā)明涉及到常規(guī)應變片方向余弦的計算；

圖4為本發(fā)明涉及到的八面體基座的N₇面圖。

圖中：

1.導線孔 2.應變片固定桿 3.八面體基座 4.常規(guī)應變片

5.數據導線 6.螺絲孔 7.防水膠體 8.導線匯總孔

具體實施方式

結合附圖對本發(fā)明的基于八面體的三維應變狀態(tài)測試裝置及測試方法加以說明。

如圖1、2所示，本發(fā)明的基于八面體的新型三維應變花裝置及其測試方法原理是：三維應變花需由六個常規(guī)應變片采用不同形式構成；六個常規(guī)應變片的軸線方向互不干擾。該裝置包括一個八面體基座3、六個應變片固定桿2、六個常規(guī)應變片4、以及若干數據導線5；所述八面體基座3六個相互獨立面的法線方向上布置有六個應變片固定桿2，六個應變片4分別用防水膠體7粘貼于應變片固定桿2；六個應變片4的數據導線5分別穿過八面體基座六個面上設有的數據導線孔1，經由基座底面設有的導線匯總孔8穿出，將匯總穿出的導線與數據采集儀相連接。八面體基座3的六個面的法線方向與坐標軸的夾角得到應變片的方向余弦，進而得到轉換矩陣及其逆矩陣。最后將數據采集儀得到的六個應變值與逆矩陣做乘積即得到待測材料內一點的應變狀態(tài)。

上述基于八面體的三維應變花裝置的應變片固定桿2是通過ppc塑料制造的管件，固定桿2的剛度大于待測材料剛度且小于八面體基座3的剛度。

本發(fā)明的基于八面體的三維應變測試裝置具體操作步驟如下：

第一：將六個應變片固定桿沿八面體基座六個相互獨立面的法線方向布置于基座3上，如N₁、N₂、N₃、N₄、N₅及N₆面，應變片用防水膠體粘貼于應變片固定桿2表面。如圖1所示。

第二：常規(guī)應變片的數據導線于N₇面的數據導線孔匯總穿出。即形成基于八面體的三維應變測試裝置。如圖1、圖4所示。

第三：將上述步驟(1)、(2)制作而成的三維應變花裝置連接于數據采集儀并放置于材料內部。

第四：由數據采集儀得到六個應變讀數，即ε₁、ε₂、ε₃、ε₄、ε₅、ε₆，表示為ε_θ＝{ε₁ ε₂ε₃ ε₄ ε₅ ε₆}^-1。

第五：根據基座法線方向向量與三維坐標軸夾角計算應變片方向余弦。如圖3中OM為單向應力計的測試方向，OM*為OM在xoy平面的投影，δ為應力計測試方向與z軸的夾角，為應力計測試方向代表直線在xoy平面上的投影與x軸的夾角。則方向余弦的具體表達式如下：

n＝cosδ (6)

第六：由應變片方向余弦得到轉換矩陣T及其逆矩陣T^-1。

第七：根據公式{ε_j}＝T^-1{ε_k}計算材料內部常規(guī)應變狀態(tài)。

式中：ε_j＝{ε_c ε_y ε_z ε_xy ε_yz ε_xz}^-1，ε_x、ε_y、ε_z、ε_xy、ε_yz、ε_zx分別表示被測點的常規(guī)應變狀態(tài)的三個正應變分量和三個剪應變分量。

假定已知某點的應變狀態(tài)，則三維空間中任一方向的線應變可用下式表示：

ε_k＝ε_xl²|ε_ym²|ε_zn²|ε_xylm|ε_yzmn|ε_xzln (7)

其中，k＝1、2、3、4、5、6。則常規(guī)應變狀態(tài)與所測讀數之間的代數關系式如下：

{ε_j}＝T^-1{ε_k} (8)

其中j＝x、y、z、xy、yz、zx。

由圖3可得本裝置中各應變片的方向余弦，見表1：

表1常規(guī)應變片的的方向余弦

由式(9)及表1可確定矩陣T逆矩陣T^-1，即

針對以上推導過程，通過實施例來進一步闡述該測試裝置以及測試方法。假設數據采集系統(tǒng)所采集到的基坑內一點六個應變讀數為：1.25、0.86、1.37、1.10、1.00、0.94。即

ε_θ＝{ε₁ ε₂ ε₃ ε₄ ε₅ ε₆}^-1＝{1.25 0.86 1.37 1.10 1.00 0.94}^-1

由所測的三維數值和上述公式(1)(2)(3)(4)得到：

其中

經計算，該基坑中的三維應變狀態(tài)為：

本發(fā)明的基于八面體的三維應變花裝置為直接科學的獲取材料應變狀態(tài)提供了理論依據，并為相關工程中受力體的應變測試提供參考價值。

以上所述內容僅為結合本次制作過程進行說明，并不局限于此裝置。對于本領域的技術人員來說，本裝置以及操作方法可進行諸多更改。如可改變坐標系的建立方式從而求得不同的轉換矩陣；凡在本發(fā)明技術方案范圍內所作的任何改進、等同替換等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。