淺談振弦式應變計及其在混凝土工程應用中的問題

左正 賈會朝

（1.國家電力投資集團有限公司 北京 100033 2.中國電能成套設備有限公司 北京 100080）

應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變計的量測原理及工程應用的介紹與討論，并結合相關的試驗研究，對振弦式應變計使用過程中可能產生的一些問題進行了討論。

1 量測原理

應變量測技術已成為水利、土木、機械、石油、船舶、宇航等各學科實驗研究的重要手段，目前針對混凝土材料的特點，應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變計和振弦式應變計。振弦式應變計于20世紀30年代發明[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／應變等物理量[1]。其主要優點是精度和穩定性較高，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，產生的感應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，加上電路的穩幅措施，使鋼弦達到電路所保持的等幅、連續的振動，然后輸出與鋼弦張力有關的頻率信號。

鋼弦具有一定的初始拉力T0，因而具有初始頻率f0，當應變計被埋入混凝土中后，應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變筒的應變大小。弦的張力與頻率關系如式（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、單位質量有關。弦的拉力變化用ΔT來表示，則有：

應變計的應變筒與其中的鋼弦變形協調，應變增量應相同，設應變增量為ε，則有：

式中：EA為鋼弦的軸向剛度。

在應變計出廠前，通過壓力機標定，可以給出頻率平方f2——應變ε數據點。在計算讀數應變前，常常將數據點按式（3）擬合成直線表達式，進而求得各讀數頻率下的應變值ε，如圖1所示。

圖1 頻率-應變數據擬合曲線示例

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的線性關系表達式，則可以得到對應的應變值εα。

2 混凝土試驗研究

本文基于埋入式振弦應變計，針對混凝土試件進行了試驗研究。

試驗的混凝土配合比設計如表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變計進行測量，具體的參數指標如表2所示。

表2 埋入式振弦應變計性能參數

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

圖2 試驗相關照片

3 問題與討論

通過對振弦式應變計的試驗研究，可以發現一些問題。

（1）應變計埋設問題。儀器埋設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變，無法準確得知。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備，如捆綁鋼筋、預澆混凝土試件、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備，則很難保證測量的是真實的混凝土工作性態。

本文認為，一種改進的方法是借助外界觀測儀器對內埋儀器的位置進行觀察，例如土木工程領域技術已較成熟的紅外成像法[5～7]，這種方法把目標產生的不可見的紅外輻射轉換成可見光圖像進行顯示，已廣泛應用于混凝土內部損傷探測。該技術經過一定的研究改進應該可以較準確地確定內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變值，對實際混凝土的工作形態能夠較透徹地了解。

圖3 實際工程中采用的外部式固定鋼架

（2）應變計的接線問題。這個問題在大多數監測儀器中都存在，如圖2所示，儀器的接線會影響局部混凝土的形態，在實際施工過程中，較多的接線也會對對工地現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、布線提前進行優化設計。

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

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

鋼弦的固定技術被認為是生產高品質傳感器的關鍵技術。經驗證明，采用傳統的機械夾持工藝難以保持預定的張力從而無法保證所有批量生產的傳感器具有相同的長期穩定性?，F代則采用特殊的焊接設備和工藝，可使弦及固端深層焊透而又不產生熱應力，并且焊接不使用填充料以避免腐蝕。

4 小結

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