埋入式振弦傳感器的埋設影響研究

呂文龍 許勇 沈仁良

本文引用格式：呂文龍，許勇，沈仁良.埋入式振弦傳感器的埋設影響研究[J].自動化與信息工程，2023，44（1）：15-21.

LYU Wenlong，?XU?Yong，?SHEN?Renliang. Research on the influence of embedded vibrating wire sensor[J]. Automation & Information Engineering， 2023，44（1）：15-21.

摘要：針對埋入安裝的振弦式傳感器設計傳感器變異性試驗，研究直接綁扎法、預制塊嵌入法、8字型扣件法、接長桿安裝法、焊接法5種混凝土應變計和鋼筋替換法、姐妹桿等效法2種鋼筋應力計埋設方法的埋入影響，并對比埋入安裝的振弦式混凝土應變計和振弦式鋼筋應力計的測量情況。結果表明：1）在5種振弦式混凝土應變計的埋設方法中，預制塊嵌入法埋設效果最好，單位荷載下的應變變異系數為4.97%；接長桿安裝法、焊接法埋設效果較好，單位荷載下的應變變異系數約為10%；直接綁扎法、8字形扣件法埋設效果相對較差，單位荷載下的應變變異系數在20%以內，可作為補充或相互驗證手段；2）2種振弦式鋼筋應力計埋設方法鋼筋替換法和姐妹桿等效法，單位荷載下的應力變異系數分別為-5.48%和-5.55%，埋設效果比較理想；3）振弦式混凝土應變計的預制塊嵌入法和振弦式鋼筋應力計的鋼筋替換法、姐妹桿等效法埋設效果最佳，但預制塊嵌入法操作繁瑣，在工程上難以廣泛應用，故振弦式鋼筋應力計更適用于樁身內力的測試。

關鍵詞：振弦式傳感器；變異系數；埋設方法；混凝土應變計；鋼筋應力計；變異性試驗

中圖分類號：TU67???????????文獻標志碼：A ????????????文章編號：1674-2605（2023）01-0003-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.01.003

Research on the Influence of Embedded Vibrating Wire Sensor

LYU Wenlong¹??XU?Yong²??SHEN?Renliang²

（1.Guangdong Provincial Academy of Building Research Group Co.，?Ltd.， Guangzhou 510000， China

2.?School of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510000，?China）

Abstract：?In view of the sensor variability test of the embedded vibrating wire sensor design， the paper studies the embedding effect of five concrete strain gauges， namely， the direct binding method， the prefabricated block embedding method， the 8-shaped fastener method， the extension bar installation method， the welding method， and the reinforcement replacement method， and the sister bar and other effective methods， and compares the measurement of the embedded vibrating wire concrete strain gauge and the vibrating wire reinforcement stress gauge. The results show that： 1） Among the five embedding methods of vibrating wire concrete strain gauge， the embedding method of prefabricated block has the best effect， and the strain variation coefficient under unit load is 4.97%; The installation method of extension rod and welding method have good embedding effect， and the strain variation coefficient under unit load is about 10%; The burying effect of the direct binding method and the 8-shaped fastener method is relatively poor， and the strain variation coefficient under unit load is within 20%， which can be used as a supplementary or mutual verification method; 2） Two kinds of vibrating wire reinforcement stress meter embedding methods， reinforcement replacement method and sister bar equivalent method， the stress variation coefficient under unit load is 5.48% and 5.55% respectively， and the embedding effect is relatively ideal; 3） The precast block embedding method of vibrating wire type concrete strain gauge， the reinforcement replacement method of vibrating wire type reinforcement stress gauge and the sister bar equivalent method have the best embedding effect， but the precast block embedding method is cumbersome and difficult to be widely used in engineering， so the vibrating wire type reinforcement stress gauge is more suitable for the test of pile internal force.

Keywords： vibrating wire sensor; coefficient of variation; embedding method;?concrete strain gauge; steel bar stress meter; variability test

0 ?引言

埋入安裝的振弦式傳感器具有穩定性好、精度高、抗干擾能力強等特點，被廣泛應用于檢測等領域。目前，其在樁身內力測試中的應用是較為熱門的研究方向，研究手段主要有模型試驗、數值模擬、工程試驗等。楊文生等^[1]通過工程實例總結性地介紹了電阻應變式傳感器、振弦式傳感器、光纖光柵傳感器在樁身內力測試中的適用性及數據分析過程。范玉明等^[2]通過在樁身全長范圍內布置振弦式鋼筋應力計，對2根抗拔試驗樁進行了內力測試，結果顯示2根試驗樁的數據具有較好的一致性。吳躍東等^[3]基于某試驗樁測試工程，從保護鋼筋應力計不受成樁過程破壞的角度出發，介紹一套適用于預應力管樁成樁過程中鋼筋應力計的安裝工藝。張松等^[4]使用鋼筋應力計測量樁基內力，列舉可能產生誤差的因素，并通過消除引入的物理常量、估測孔徑和設置應力計位置等方法，對試驗結果誤差進行分析和適當修正，得出較為客觀、準確的樁身內力圖。以往文獻對振弦式傳感器在樁身內力測試中的應用研究較多^[5-7]，但在傳感器選用及埋設安裝方面^[8]，仍缺乏深入討論。

本文針對埋入安裝的振弦式混凝土應變計和鋼筋應力計設計傳感器變異性試驗，研究不同振弦式傳感器多種埋設安裝方法的測量效果。

1 ?傳感器埋設方法

常用的振弦式傳感器有混凝土應變計和鋼筋應力計。其中，混凝土應變計常用的埋設方法有直接綁扎法、預制塊嵌入法、8字型扣件法、接長桿安裝法、焊接法等；鋼筋應力計常用的埋設方法有鋼筋替換法和姐妹桿等效法等。

1.1 ?振弦式混凝土應變計埋設方法

1.1.1 ?直接綁扎法

直接綁扎法將振弦式混凝土應變計用扎帶或細扎絲捆綁在結構鋼筋上，如圖1所示。扎帶或細扎絲捆綁在應變計兩端，切勿捆綁在應變計套管上；捆綁力度宜適中，勿使用蠻力。

1.1.2 ?預制塊嵌入法

預制塊嵌入法將振弦式混凝土應變計提前澆筑在合適尺寸的混凝土中，制成預制塊，并固定在待測位置。在制作預制塊時，設好定位鋼筋，以便準確固定預制塊，如圖2所示。

1.1.3 ?8字型扣件法

8字型扣件法在振弦式混凝土應變計的埋設位置，將應變計和受力主筋用扣件直接固定，扣件固定的位置用一層自硫化橡膠帶纏繞包裹，用于緩沖懸掛系統的振動，如圖3所示。

1.1.4 ?接長桿安裝法

接長桿安裝法在振弦式混凝土應變計兩端焊接一段鋼筋作為接長桿，埋設時直接將接長桿固定即可，如圖4所示。這種安裝方法適用于比較復雜的工程狀況，如在待測位置附近沒有能夠固定應變計的物體時，接長桿能接觸到更遠位置的固定物。

1.1.5 ?焊接法

為避免焊接時高溫損壞傳感器，首先，將特制的安裝模管兩端平齊地裝入安裝座；然后，將帶有模管的安裝座焊接到待測部位；最后，焊接冷卻后，拆下模管，裝上振弦式混凝土應變計。此外，模管的安裝長度與傳感器的標距相同，以便較好地定位2個安裝座之間的距離，防止距離不合適導致振弦式混凝土應變計無法安裝的情況，如圖5所示。

1.2 ?振弦式鋼筋應力計埋設方法

1.2.1 ?鋼筋替換法

鋼筋替換法是將受力主筋部分截斷，采用焊接的方法把振弦式鋼筋應力計替換上去，如圖6所示。

1.2.2 ?姐妹桿等效法

姐妹桿等效法在鋼筋應力計兩端用一小段鋼筋作為墊塊，先將墊塊焊接在主筋上；再將鋼筋墊塊與鋼筋應力計焊接，如圖7所示。

2 ?試驗方法

本試驗采用C30混凝土和HRB335鋼筋制備7個300?mm×300?mm×900?mm的鋼筋混凝土試件，鋼筋彈性模量為200?GPa。分別采用上述埋設方法，在試件中間截面均勻布置4個振弦式傳感器。試驗裝置如圖8所示。

試驗在廣州大學抗震中心進行，采用200噸液壓伺服加載裝置對試件進行軸心受壓試驗，試驗分級加載。為減小混凝土剛度變化對試驗結果的影響，試驗最大壓應力控制在抗壓強度的0.5倍以內。本試驗的最大荷載為1 120?kN＜0.5×30×10³×0.3×0.3?kN?=?1?350?kN。考慮到傳感器量程的前10%部分誤差較大，對試驗前兩級荷載分級進行一定地調整，最終荷載分級為280、560、700、840、980、1?120?kN。

試驗開始，首先，對試件進行預壓，儀器調零，讀取初始讀數；然后，按設計荷載加載，每級需維持荷載至試件5?min不發生變形且不少于30?min；最后，讀取并記錄傳感器數據。

為驗證混凝土試件的材料屬性，制作3個尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的標準混凝土棱柱體試件進行混凝土彈性模量試驗，如圖9所示。

本試驗混凝土的彈性模量值，取試驗測得的3個混凝土棱柱體彈性模量的平均值，結果如表1所示。本次試驗的混凝土材料彈性模量取值為30.3?GPa。

3 ?試驗結果及數據分析

取每級試驗4個振弦式傳感器測量數據的平均值為本級讀數，以消除試件受壓時因偏心產生的偶然誤差。根據公式（1）、（2），計算混凝土理論應變和鋼筋理論應力，試驗數據如表2、表3所示，試驗數據折線圖如圖10、圖11所示。

試驗荷載相鄰兩級間的差值有280?kN和140?kN兩種情況。為方便數據處理，將表2、表3中數據進行換算。根據公式（3）計算其單位荷載下（kN）的應變/應力值，結果如表4、表5所示。

將表4、表5中的數據按公式（4）、（5）處理后，得到7種埋設方法的振弦式混凝土應變計和振弦式鋼筋應力計在單位荷載作用下的相對偏差及變異系數，如表6、表7所示，試驗結果匯總如圖12所示。

由圖12可以看出：預制塊嵌入法埋設的振弦式傳感器測量效果最好，其單位荷載下的應變相對偏差為1.25%，變異系數為4.97%，但由于其操作繁瑣，在工程上難以廣泛應用；接長桿安裝法和焊接法單位荷載下的應變相對偏差和變異系數約為10%，其安裝方便，能較好地應用于樁身內力測試；直接綁扎法和8字形扣件法單位荷載下的應變變異系數相對較大，但也在20%以內，滿足工程應用允許的誤差，可作為補充或相互驗證手段；振弦式鋼筋應力計2種埋設方式單位荷載下的應力相對偏差和變異系數約為5%，埋設效果比較理想。與振弦式混凝土應變計相比，振弦式鋼筋應力計整體受埋設方式的影響較小，具有更高的穩定性。

4??結論

1） 從試驗結果來看，5種振弦式混凝土應變計埋設方法的變異性較大，受埋設方法的影響較為顯著。使用時可根據實際需要選擇合適的埋設方法。

2） 2種振弦式鋼筋應力計受埋設方法的影響較小，鋼筋替換法和姐妹桿等效法的變異系數與振弦式混凝土應變計埋設效果最好的預制塊嵌入法相接近，約為5%，效果較為理想。

3） 綜合考慮各方面因素，相比于振弦式混凝土應變計，振弦式鋼筋應力計整體具有較好的埋設效果和較為簡單的埋設操作，更適用于工程上的樁身內力測試。

參考文獻

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作者簡介：

呂文龍，男，1981年生，博士，教授級高級工程師，一級注冊結構工程師，注冊巖土工程師，主要研究方向：地基基礎方面檢測的研究。E-mail： midworm@163.com