左正 賈會朝

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應(yīng)變測量是大型土木工程施工與運行的重要組成部分，本文通過對振弦式應(yīng)變計的量測原理及工程應(yīng)用的介紹與討論，并結(jié)合相關(guān)的試驗研究，對振弦式應(yīng)變計使用過程中可能產(chǎn)生的一些問題進(jìn)行了討論。

1 量測原理

應(yīng)變量測技術(shù)已成為水利、土木、機(jī)械、石油、船舶、宇航等各學(xué)科實驗研究的重要手段，目前針對混凝土材料的特點，應(yīng)變量測主要采用埋入式方法，測量儀器較常采用差動電阻式應(yīng)變計和振弦式應(yīng)變計。振弦式應(yīng)變計于20世紀(jì)30年代發(fā)明[1～2]，通常包括固定在端塊或被測元件之間的鋼弦，通過測量張緊鋼弦的頻率變化來表征鋼弦的張力／應(yīng)變等物理量[1]。其主要優(yōu)點是精度和穩(wěn)定性較高，信號不易受干擾（振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號），便于長距離傳輸，耐震動，且壽命較長[3]，但成本較高。

振弦式應(yīng)變計工作時開啟電源，激振線圈帶電激勵鋼弦振動，鋼弦振動后在磁場中切割磁力線，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢由接收線圈送入放大器放大輸出，同時將輸出信號的一部分反饋到激振線圈，保持鋼弦的振動，這樣不斷地反饋循環(huán)，加上電路的穩(wěn)幅措施，使鋼弦達(dá)到電路所保持的等幅、連續(xù)的振動，然后輸出與鋼弦張力有關(guān)的頻率信號。

鋼弦具有一定的初始拉力T0，因而具有初始頻率f0，當(dāng)應(yīng)變計被埋入混凝土中后，應(yīng)變筒隨混凝土變形而變形，筒中弦的拉力隨變形而變化，利用弦的拉力變化可以表征出應(yīng)變筒的應(yīng)變大小。弦的張力與頻率關(guān)系如式（1）所示：

式中：T代表弦的張力，f代表弦的振動頻率，K與弦的長度、單位質(zhì)量有關(guān)。弦的拉力變化用ΔT來表示，則有：

應(yīng)變計的應(yīng)變筒與其中的鋼弦變形協(xié)調(diào)，應(yīng)變增量應(yīng)相同，設(shè)應(yīng)變增量為ε，則有：

式中：EA為鋼弦的軸向剛度。

在應(yīng)變計出廠前，通過壓力機(jī)標(biāo)定，可以給出頻率平方f2——應(yīng)變ε數(shù)據(jù)點。在計算讀數(shù)應(yīng)變前，常常將數(shù)據(jù)點按式（3）擬合成直線表達(dá)式，進(jìn)而求得各讀數(shù)頻率下的應(yīng)變值ε，如圖1所示。

圖1 頻率-應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合曲線示例

在實際測量中，可以測得該時刻的鋼弦頻率fα，通過的出廠率定f2～ε的線性關(guān)系表達(dá)式，則可以得到對應(yīng)的應(yīng)變值εα。

2 混凝土試驗研究

本文基于埋入式振弦應(yīng)變計，針對混凝土試件進(jìn)行了試驗研究。

試驗的混凝土配合比設(shè)計如表1所示，澆筑模具采用“骨頭”型專制模具，模具尺寸為 19×10×60cm。

表1 試驗混凝土配合比

試驗中采用埋入式振弦應(yīng)變計進(jìn)行測量，具體的參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 埋入式振弦應(yīng)變計性能參數(shù)

本次試驗在混凝土澆筑入模后、振搗之前埋入振弦式應(yīng)變計，埋入位置在試件中部，隨后開始對試驗數(shù)據(jù)的采集。試件拆模后的布置如圖2，試驗拆模后未設(shè)保養(yǎng)措施。

圖2 試驗相關(guān)照片

3 問題與討論

通過對振弦式應(yīng)變計的試驗研究，可以發(fā)現(xiàn)一些問題。

（1）應(yīng)變計埋設(shè)問題。儀器埋設(shè)位置無法保證在振搗過程中保持一致，最后的測值到底反映的是哪一方向的應(yīng)變，無法準(zhǔn)確得知。對于這個問題的解決方案，大部分施工單位采用的做法是借助固定設(shè)備，如捆綁鋼筋、預(yù)澆混凝土試件、鋼架固定等，圖3所示為實際工程中借助外部鋼架對橫縫計的固定[4]。但這種方法的缺點就是一旦借助外部固定設(shè)備，則很難保證測量的是真實的混凝土工作性態(tài)。

本文認(rèn)為，一種改進(jìn)的方法是借助外界觀測儀器對內(nèi)埋儀器的位置進(jìn)行觀察，例如土木工程領(lǐng)域技術(shù)已較成熟的紅外成像法[5～7]，這種方法把目標(biāo)產(chǎn)生的不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光圖像進(jìn)行顯示，已廣泛應(yīng)用于混凝土內(nèi)部損傷探測。該技術(shù)經(jīng)過一定的研究改進(jìn)應(yīng)該可以較準(zhǔn)確地確定內(nèi)部埋置儀器的位置與方向，這樣可以得到儀器真實布置方向上的量測應(yīng)變值，對實際混凝土的工作形態(tài)能夠較透徹地了解。

圖3 實際工程中采用的外部式固定鋼架

（2）應(yīng)變計的接線問題。這個問題在大多數(shù)監(jiān)測儀器中都存在，如圖2所示，儀器的接線會影響局部混凝土的形態(tài)，在實際施工過程中，較多的接線也會對對工地現(xiàn)場的施工組織與混凝土倉面秩序有一定影響，所以，在一些儀器布置較密集的工程部位需要，對接線、走線、布線提前進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

現(xiàn)階段也有部分對于無線式應(yīng)變計的研究，但仍存在著使用周期短，保證率不高，價格昂貴的問題，大規(guī)模的投入實際工程應(yīng)用還有一段距離。

（3）振弦式應(yīng)變計的長期穩(wěn)定問題。影響振弦式應(yīng)變計長期穩(wěn)定性的因素較多，包括鋼弦及其相關(guān)部件材料的選擇、鋼弦的固定技術(shù)、潛在的腐蝕及鋼弦的疲勞問題等。

鋼弦的固定技術(shù)被認(rèn)為是生產(chǎn)高品質(zhì)傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)驗證明，采用傳統(tǒng)的機(jī)械夾持工藝難以保持預(yù)定的張力從而無法保證所有批量生產(chǎn)的傳感器具有相同的長期穩(wěn)定性。現(xiàn)代則采用特殊的焊接設(shè)備和工藝，可使弦及固端深層焊透而又不產(chǎn)生熱應(yīng)力，并且焊接不使用填充料以避免腐蝕。

4 小結(jié)

本文對振弦式應(yīng)變計的工作原理及相關(guān)水利工程實例應(yīng)用進(jìn)行了一定的介紹，并通過較小規(guī)模的振弦式應(yīng)變計埋入混凝土試驗，就振弦式應(yīng)變計在混凝土工程中的應(yīng)用可能存在的幾個問題，如埋設(shè)問題、接線問題、長期穩(wěn)定問題等進(jìn)行了討論。