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自动化与建筑交融:自动化生产混凝土构件地震开裂测试

    我国不少区域都属于地震带,有感地震发生较为频繁。地震不仅造成了人员的伤亡,同时还造成了大量建筑物的破坏。工程结构物在地震中的破坏是造成生命财产损失的主要原因,做好建筑物的抗震设计,是防止灾害的有效途径。

    在地震水平力的作用下,墙体是主要的抗侧力构件,当主拉应力超过极限应力时,墙体就会产生裂缝。分析结构物的在地震下的受力状态,通过构造上的措施来提高建筑物的抗震性能,有助于减少建筑物在地震中所受的损害。

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    测量需求

    国内某专注于工业智能解决方案的科技公司,通过自主研发的房屋建筑自动化生产设备,自动化生产钢筋混凝土结构墙体材料,将为建筑材料行业带来全新的智能化解决方案。为了有效控制地震作用下整体结构的损伤破坏,需要明确结构墙体构件各阶段的地震损伤状态。

    该科技公司拟采用新拓三维XTDIC非接触全场应变测量系统,观测混凝土结构墙体模拟地震过程墙体开裂情况,测量裂缝宽度以及墙体整体位移,墙体表面相对位移,优化被测试件测量的过程,让实验数据可追溯,测量裂缝演变过程更精确。

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    传统测量方式的局限性

    过去,该科技公司采用的是人工测量裂缝宽度,配以位移传感器测量试件表面位移。手工测量无法只能测试实验结果数据,无法动态观测裂缝演变过程;裂缝大小不规则,手工测量偏差大,同时数据无法实时计算和存储。

    另外,采用传统的位移传感器,属于接触式测量方法,存在以下局限:

    1、仪器线路布设繁琐,测量前准备工作复杂

    2、适用于点测量或者线测量,难以实现全场位移和全场应变测量

    3、仪器需要与墙体结构接触,不适用于将结构加载至破坏的试验

    非接触测量方案

    与传统的测量手段相比,新拓三维XTDIC三维光学应变测量系统技术(数字图像相关方法)更适用于大变形、裂纹演变、动态观测的试验,在验证力学理论和有限元分析应用上具有明显和独特的优势。

    本次试验按照横梁倾斜90度去采集图像。实验开始前,先给混凝土试样竖向的载荷,然后加左右来回的载荷,模拟地震的载荷情况,实时采集左右位移从开始到峰值时的图像。

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    数据分析

    分析被测混凝土构件点位移以及点点距,点的位置如下图示:

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    基准状态点位置示意图
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    蓝色区域为有数据区域

    位移峰值时候的墙体裂缝和应变图

    如图,选取某个点在30mm工况时最终的峰值状态数据,其X方向最大位移点为25mm,位移方向为左方向。

    在峰值状态时,选取一个位置的裂缝宽度进行测量,应变大的地方为裂缝产生区域。然后分析其应变大位置的点点距,点点距的变化量则为裂缝宽度。

    如图,其中六个点绘制裂缝宽度曲线,且裂缝宽度从试件上到下方裂缝越大,整个演变过程趋势如下图曲线所示。

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    从分析数据可看出,有一个点位移数值为4.77mm,通过调整色谱图后分析得出,其中间为两条裂缝,因此两条裂缝宽度总计4.77mm。

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    然后,通过分析试件左右两边的裂缝宽度,在给试件施加推力时,试件左右两边的裂缝宽度变化趋势相反。

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    裂缝宽度测量点位置,以及裂缝处应变值如下图所示。

    图为裂缝宽度测量位置图示

    随着试验加载的推进,底层数据出现有部分缺失情况,其原因为试件表面散斑点的脱落以及混凝土结构的垮塌,垮塌情况如下图所示。

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    数据总结

    针对XYZ三个方向位移量均可在软件中分析,以此来获取试样在水平以及竖向方向的位移量。色谱图有局部色谱有全局色谱以及自定义,可根据需求设置分析数据。试验全过程的三维数据均保存完整,便于数据追溯利用。

    在进行数据分析时,XTDIC系统软件支持点线面、点点距等元素创建,点线距等多种分析方式,可满足混凝土墙体裂缝宽度的测量需求。并生成XYZ三个方向合位移以及最大主应变视频,可查看整体实验过程。

    方案价值

    建筑材料结构刚度是结构变形能力的反映。结构在受地震作用后通过自身的变形来平衡和抵抗地震力的干扰和影响,而结构的地震反应随着结构刚度的改变而变化。本次试验,可以测量出混凝土试件在模拟地震加载过程的裂纹生长以及裂纹宽度,解决了传统测量方法的耗时以及数据不全,精度不高的问题,更精确分析结构的性能目标和地震损伤的对应关系,为混凝土材料的抗震设计和有限元分析验证提供数据支持。


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