差動電阻式應(yīng)變計鑒定綜合評價方法研究

金國光，謝德清

(1.隨州市水利水電建筑設(shè)計院，湖北隨州441300；2.福建省金湖電力有限責(zé)任公司，福建將樂 353300)

差動電阻式應(yīng)變計是大壩、船閘、碼頭等混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測中常用的埋入式儀器之一，其原理是利用張緊在儀器內(nèi)部的兩根交叉的彈性鋼絲作為感應(yīng)元件，將儀器感受到的混凝土應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為模擬量。當(dāng)儀器感受到的混凝土應(yīng)變發(fā)生變化時，內(nèi)部兩根鋼絲的電阻值R1、R2將發(fā)生差動變化，采用水工比例電橋可測量出電阻比(R1/R2)的變化值，從而計算出相應(yīng)的混凝土應(yīng)變。

埋入式應(yīng)變計在長期運行后，儀器將逐漸老化，技術(shù)性能和工作狀態(tài)也會逐步下降，有時甚至出現(xiàn)錯誤的測值。為此，應(yīng)對埋入式應(yīng)變計監(jiān)測儀器定期進行鑒定，判斷應(yīng)變計技術(shù)狀態(tài)和工作狀態(tài)是否正常，測值是否反映混凝土應(yīng)變的實際狀態(tài)。

對已埋設(shè)的應(yīng)變計進行鑒定，既要對儀器的技術(shù)參數(shù)進行現(xiàn)場測試，以判斷儀器當(dāng)前性能是否滿足技術(shù)要求；又要對其長期觀測資料進行分析，以判斷儀器長期測值的可靠性、穩(wěn)定性和觀測精度。因此，應(yīng)變計儀器鑒定一般按下列步驟進行：首先在現(xiàn)場對所要鑒定的應(yīng)變計進行全面測試，然后對應(yīng)變計長期觀測資料進行分析，最后根據(jù)現(xiàn)場測試和資料分析結(jié)果，對應(yīng)變計性能作出綜合評價。

1 現(xiàn)場測試

1.1 現(xiàn)場測試內(nèi)容

以四芯電纜接入式應(yīng)變計為例，用率定合格的數(shù)字式電橋按四芯測法進行現(xiàn)場測試，共測試9個參數(shù)：應(yīng)變計的電阻比 Z，反測電阻比 Z'，總電阻 Rs(即 R黑白)，5 個分線電阻R黑紅、R黑綠、R紅綠、R紅白、R白綠以及芯線電阻r。各測試參數(shù)之間的關(guān)系如下：

電阻比：Z=(R1+r黑)/(R2+r白)

反測電阻比：Z'=1/Z=(R2+r白)/(R1+r黑)

總電阻：Rs=R1+R2+r黑+r白

分線電阻：R黑綠=R1+R2+r黑+r綠

由以上各測試參數(shù)，可進一步求得正反測電阻比之和(Z+Z')，儀器的分線電阻R1+r黑、R2+r白、計算電阻比Z計和電纜芯線電阻r白、r綠、r紅等，將它們與規(guī)定的質(zhì)量控制指標(biāo)和正常情況下的測值進行比較，即可判定儀器技術(shù)狀態(tài)是否正常，以及分析產(chǎn)生不正常變化的原因。

1.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 各單項指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述現(xiàn)場測試參數(shù)，按正反測電阻比誤差、芯線電阻變差以及絕緣度3個單項指標(biāo)作為評價指標(biāo)。各單項指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)正反測電阻比誤差。采用水工比例電橋?qū)λ男揪€應(yīng)變計進行測試時，正反測電阻比質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《混凝土壩安全監(jiān)技術(shù)測規(guī)范》(DL/T5178-2003)附錄E的規(guī)定，按下表控制，表中Z為正測電阻比，為反測電阻比。滿足表1指標(biāo)要求的應(yīng)變計電阻比為合格，反之為不合格。

表1 電阻比質(zhì)量控制表(×104)

(2)芯線電阻變差。一般地，四芯應(yīng)變計芯線電阻變化0.01 Ω，就會引起電阻比變化3個，即1:3的關(guān)系；此外，規(guī)范規(guī)定每100 m芯線電阻之間的差值應(yīng)≤0.05Ω。為統(tǒng)一控制標(biāo)準(zhǔn)，在實際儀器鑒定中設(shè)定不管電纜多長，r白-r綠芯線電阻值之差控制在±0.04 Ω，因此，芯線阻值變差的評價標(biāo)準(zhǔn)如下：

(3)絕緣度。用標(biāo)準(zhǔn)兆歐表對每支應(yīng)變計進行絕緣電阻測試，根據(jù)已有工程經(jīng)驗，絕緣電阻按以下評價標(biāo)準(zhǔn)。

R絕≥2 MΩ 優(yōu)秀

0.1 MΩ≤R絕＜2 MΩ 合格

R絕＜0.1 MΩ 不合格

1.2.2 綜合評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上3個單項指標(biāo)，對應(yīng)變計的技術(shù)狀態(tài)作出綜合評價，評價等級分為5類。

(1)A類——各單項評價指標(biāo)均達到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)(正反電阻比誤差達到合格即可)。

(2)B類——各單項評價指標(biāo)均應(yīng)達到合格標(biāo)準(zhǔn)。

(3)C類——有一項評價指標(biāo)不合格。

(4)D類——雖勉強可測，但測值不可信。有二項或二項以上的評價指標(biāo)不合格。

(5)E類——測不出或現(xiàn)場找不到的儀器，或無編號的儀器。

2 長期測值可靠性檢查分析

2.1 檢查分析項目

(1)計算方法檢查。應(yīng)變計實測混凝土總應(yīng)變按下式計算：

式中，εmi為觀測時刻 ti的實測總應(yīng)變(×10－6)；△Z 為 ti時刻應(yīng)變計實測電阻比Zi相對于基準(zhǔn)時刻t0實測電阻比Z0(基準(zhǔn)電阻比)的電阻比增量(0.01%)，即△Z=Zi-Z0；△T為ti時刻應(yīng)變計實測溫度Ti相對于基準(zhǔn)時刻t0實測溫度T0(基準(zhǔn)溫度)的溫度增量(℃)，即△T=Ti-T0；f為應(yīng)變計修正靈敏度系數(shù)(×10－6/0.01%)，b為應(yīng)變計溫度補償系數(shù)(×10－6/℃)，兩者可根據(jù)出廠資料查得或根據(jù)率定資料獲得。

根據(jù)式(1)，要計算總應(yīng)變 εmi，必須具有儀器參數(shù) f、b，必須確定基準(zhǔn)電阻比Z0和基準(zhǔn)溫度T0(基準(zhǔn)溫度T0由基準(zhǔn)電阻R0求的)。因此，在計算方法檢查時，因重點檢查儀器參數(shù)是否正確，基準(zhǔn)值是否合理。

(2)配套無應(yīng)力計檢查。應(yīng)變計實測效應(yīng)量為混凝土總應(yīng)變，包括應(yīng)力應(yīng)變εi和非應(yīng)力應(yīng)變ε0i，即：

通過應(yīng)變計測值，最終應(yīng)獲得混凝土應(yīng)力。而混凝土應(yīng)力是由應(yīng)力應(yīng)變εi進行計算的，因此，需要從總應(yīng)變εmi中分離出非應(yīng)力應(yīng)變ε0i。利用無應(yīng)力計可觀測非應(yīng)力應(yīng)變ε0i，因此，通常在應(yīng)變計(組)附近配套埋設(shè)1支無應(yīng)力計，進行配套計算，并結(jié)合混凝土徐變資料，求得混凝土應(yīng)力。

由此可見，當(dāng)應(yīng)變計附近沒有相應(yīng)的無應(yīng)力計時，應(yīng)變計測值無法計算出最終的混凝土應(yīng)力。

(3)測值的完整性檢查。利用應(yīng)變計實測資料計算混凝土應(yīng)變時，應(yīng)保證測值的連續(xù)性和完整性。當(dāng)測值測缺時段較長時，應(yīng)力計算成果的精度將受到明顯影響。

此外，還應(yīng)保證應(yīng)變計和配套無應(yīng)力計測值的對應(yīng)性。

(4)觀測成果規(guī)律性檢查。當(dāng)測值真實反映混凝土實際應(yīng)力時，觀測成果所描述的應(yīng)力變化過程、應(yīng)力分布狀態(tài)等規(guī)律性應(yīng)符合混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的一般性規(guī)律。

測值規(guī)律性一般通過繪制實測應(yīng)力變化過程線、分布圖及相關(guān)圖等方法進行分析。

2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上4個單項指標(biāo)，對應(yīng)變計的工作狀態(tài)作出綜合評價，評價等級也分為5類。其中儀器參數(shù)f、b以及配套無應(yīng)力計為必備指標(biāo)，即當(dāng)應(yīng)變計沒有計算參數(shù)f、b，或應(yīng)變計附近沒有埋設(shè)配套無應(yīng)力計時，該應(yīng)變計工作狀態(tài)直接評定為E類。

(1)A類——計算方法正確，儀器參數(shù)完備，有配套無應(yīng)力計，測值穩(wěn)定、完整，監(jiān)測成果規(guī)律性良好。

(2)B類——計算方法正確，儀器參數(shù)完備，有配套無應(yīng)力計，測值基本穩(wěn)定、完整，監(jiān)測成果基本能反映混凝土應(yīng)力的規(guī)律性。

(3)C類——計算方法正確，儀器參數(shù)完備，有配套無應(yīng)力計，測值存在較多的尖點或突變，測值序列存在短期缺測，監(jiān)測成果規(guī)律性不強。

(4)D類——計算方法正確，儀器參數(shù)完備，有配套無應(yīng)力計，但測值存在大量的鋸齒、尖點或突變，測值序列存在多個較長時段的缺測，監(jiān)測成果基本無規(guī)律性。

(5)E類——儀器參數(shù)不完備，或沒有配套無應(yīng)力計，或監(jiān)測成果明顯不合理甚至明顯異常，不符合基本物理力學(xué)規(guī)律。

3 應(yīng)變計綜合評價

根據(jù)現(xiàn)場測試和長期觀測資料可靠性2個單項指標(biāo)，對應(yīng)變計作出最終的綜合評價。最終綜合評價等級也分為5類，各類評價標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)A類——測試參數(shù)優(yōu)秀，技術(shù)狀態(tài)為A類；儀器測值穩(wěn)定可靠，工作狀態(tài)為A類。此時，應(yīng)變計監(jiān)測資料可作為大壩安全分析和評價的引用依據(jù)。

(2)B類——技術(shù)狀態(tài)不低于B類，工作狀態(tài)不低于B類。此時，監(jiān)測資料基本可作為分析和評價的引用依據(jù)。

(3)C類——技術(shù)狀態(tài)不低于C類，工作狀態(tài)不低于C類。此時，監(jiān)測資料僅能作為分析和評價的參考。對C類儀器，在今后的觀測中應(yīng)予以密切關(guān)注。

(4)D類——技術(shù)狀態(tài)不低于D類，工作狀態(tài)不低于D類。

(5)E類——技術(shù)狀態(tài)或工作狀態(tài)中，任何一個指標(biāo)被評定為E類。

對D類和E類應(yīng)變計，可作封存或報廢處理。

4 結(jié)束語

(1)對已埋設(shè)的應(yīng)變計進行鑒定，應(yīng)通過現(xiàn)場測試確定儀器的技術(shù)狀態(tài)，通過長期測值可靠性分析確定儀器的工作狀態(tài)，然后進行綜合評價。

(2)現(xiàn)場測試時，應(yīng)重點考察應(yīng)變計的正反測電阻比誤差、芯線電阻變差和絕緣度；長期測值可靠性評價時，應(yīng)重點考察計算參數(shù)是否完備、是否具有配套無應(yīng)力計、測值是否完整以及觀測成果是否合理。

(3)應(yīng)變計現(xiàn)場測試的技術(shù)狀態(tài)評價、可靠性分析的長期工作狀態(tài)評價以及應(yīng)變計最終評價結(jié)果可以根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)劃分為A、B、C、D、E五類。A、B類應(yīng)變計的觀測成果可作為或基本可作為大壩安全分析和評價的引用依據(jù)，C類應(yīng)變計的觀測成果只能作為大壩安全分析和評價的參考依據(jù)，D、E類應(yīng)變計宜作封存或報廢處理。

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