鋼筋計應(yīng)用中若干問題

儲華平，范光亞，趙 陽，周 楷，周克明

（1.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇南京，210012；2.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南京，210012；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京，210029）

1 概述

鋼筋計是巖土工程中常用的監(jiān)測儀器之一，常以焊接或螺紋連接方式與受力鋼筋或錨桿串接，用來測量鋼筋應(yīng)力。按照傳感器測量原理，鋼筋計有差動電阻式、振弦式、光纖光柵式等。鋼筋計安裝方便、成果直觀，在廠房、閘墩、輸水隧洞、基坑、邊坡等部位常常布置很多鋼筋計，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)受力情況。在鋼筋計工程應(yīng)用中，其標定設(shè)備、安裝方法、量程選擇、成果計算等，常常存在各種容易發(fā)生問題的環(huán)節(jié)，導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力計算成果不符合常理，誤導(dǎo)施工。結(jié)合多年工程應(yīng)用經(jīng)驗，結(jié)合現(xiàn)行的國家、行業(yè)標準，對上述內(nèi)容深入分析，提出相應(yīng)解決辦法。

2 鋼筋計應(yīng)用中的幾個問題

要獲取可靠的監(jiān)測成果，高質(zhì)量的鋼筋計是前提，正確安裝、選取基準值是保證，鋼筋應(yīng)力計算成果的合理分析是關(guān)鍵。鋼筋計及其檢驗、安裝，在相關(guān)的國家、行業(yè)標準中都有較全面的規(guī)定[1-5]。針對應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問題，分析并提出相應(yīng)的解決方法。

2.1 標定設(shè)備的問題

按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范[5]，鋼筋計自廠家發(fā)到現(xiàn)場后，需要進行檢驗測試，包括絕緣度、測量范圍、靜態(tài)特性等，以檢測鋼筋計在運輸途中是否出現(xiàn)問題。檢驗測試規(guī)程[3]中，鋼筋計的分辨力、非線性度、不重復(fù)度、滯后、綜合誤差等靜態(tài)特性都有明確的控制指標。

精度低于技術(shù)規(guī)范要求的材料試驗機不能用來檢驗鋼筋計，以免引起誤導(dǎo)，甚至損傷鋼筋計。相關(guān)國家標準與技術(shù)規(guī)范中，對材料試驗機精度要求及鋼筋計量程的規(guī)定如表1所示。鋼筋計靜態(tài)性能測試需要用到材料試驗機，且精度不低于1級[1-3]，該設(shè)備價格高、體積大，項目現(xiàn)場不一定會配備。在條件較好的實驗室、儀器研制廠家，一般采用電腦控制電液伺服萬能材料試驗機，基本能排除檢測過程中的人為因素影響。在工程第三方檢測實驗室中，用來檢測混凝土試塊抗壓強度、鋼筋屈服強度的材料試驗機，精度不一定滿足上述要求，由于往往采用手動液壓控制加載各檔，不同技術(shù)人員操作不可避免地存在偶然誤差。當采用后者進行鋼筋計靜態(tài)性能測試時，往往會因為加、卸載的誤差，導(dǎo)致合格鋼筋計的非線性、遲滯誤差不能滿足規(guī)范要求，引起誤導(dǎo)。

2.2 穩(wěn)定性

現(xiàn)場可以根據(jù)鋼筋計自由狀態(tài)下測值與出廠檢驗資料比較，初步判斷其是否正常，可以不對鋼筋計進行穩(wěn)定性檢測。鋼筋計的穩(wěn)定性包括高溫穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性。檢驗測試規(guī)程[3]中，差動電阻式鋼筋計高溫穩(wěn)定性檢驗方法是：將鋼筋計在＋60℃下持續(xù)48 h、在環(huán)境溫度下穩(wěn)定24 h，其電阻、電阻比限值分別為±0.1 Ω、±2%FS；鋼筋計長期穩(wěn)定性檢驗方法是：將鋼筋計加載至量程上限恒定8 h、卸載恒定8 h，循環(huán)7次，其電阻、電阻比誤差限值分別為±0.1 Ω、±2%FS；振弦式鋼筋計也有類似規(guī)定。該操作過程時間長、要求高，現(xiàn)場執(zhí)行較為困難。鋼筋計的穩(wěn)定性試驗為專項檢驗，僅在型式試驗和有特定要求時進行檢測測試[3]，因此項目現(xiàn)場一般可以不做。建議可以根據(jù)鋼筋計自由狀態(tài)讀數(shù)，初步判斷是否正常。對振弦式鋼筋計，每支鋼筋計出廠檢驗表給出了頻率模數(shù)與鋼筋應(yīng)力的關(guān)系，同時也給出了鋼筋計在零荷載時的頻率模數(shù)，鋼筋計運抵現(xiàn)場后自由狀態(tài)下的讀數(shù)與該頻率模數(shù)比較，經(jīng)過溫度修正后，兩者之差不應(yīng)大于25 Hz2[6]。對差動電阻式鋼筋計而言，電阻比讀數(shù)相差超過10×0.01%時[7]，應(yīng)查明原因，及時與廠家聯(lián)系。

2.3 靈敏度與量程

鋼筋計的量程決定于現(xiàn)場鋼筋的屈服強度與直徑，并非鋼筋直徑越大越好。300MPa和400MPa差動電阻式鋼筋計在整個受拉量程內(nèi)電阻比的變化量在500個電阻比（0.01%）左右，每個電阻比對應(yīng)著鋼筋應(yīng)力的變化，即鋼筋計的分辨力，因此鋼筋計的量程越大，鋼筋應(yīng)力的絕對測量精度越低。

隨著混凝土用鋼的相關(guān)國家標準的修訂，鋼筋計的國家、行業(yè)標準中，量程也應(yīng)相應(yīng)調(diào)整，生產(chǎn)廠家應(yīng)及時研制量程為500 MPa和600 MPa的鋼筋計。根據(jù)2010年頒布的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[8]，以300 MPa級光圓鋼筋取代了235 MPa級鋼筋，增加了屈服強度為500 MPa級帶肋鋼筋，該規(guī)范自2011年7月1日起實施。國發(fā)〔2009〕38號文《國務(wù)院批轉(zhuǎn)發(fā)展改革委等部門關(guān)于抑制部分行業(yè)產(chǎn)能過剩和重復(fù)建設(shè)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展若干意見的通知》中提出，“盡快完善建筑用鋼標準及設(shè)計規(guī)范，加快淘汰強度335 MPa以下鋼筋，推廣強度400 MPa及以上鋼筋，促進建筑鋼材升級換代”。因此主流牌號變成了HRB400和HRB500。2018年2月發(fā)布、2018年11月1日開始實施的《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》[9]，取消了335 MPa級鋼筋，增加了600 MPa鋼筋。鋼筋計的量程決定于現(xiàn)場受力鋼筋的屈服強度，并保持一致。在差動電阻式鋼筋計、振弦式鋼筋計的國家標準中[1-2]，尚無量程為500 MPa和600 MPa的鋼筋計技術(shù)指標，應(yīng)及時修訂相關(guān)內(nèi)容，指導(dǎo)工程設(shè)計、實施。

表1 相關(guān)標準、技術(shù)規(guī)范中對鋼筋計標定設(shè)備要求Table 1 Requirements of calibration equipment for rebar strain meter in relevant standards and technical specifications

2.4 鋼筋計直徑方面的問題

按照差動電阻式鋼筋計國家標準[1]，鋼筋計的直徑有16 mm、18 mm、20 mm、22 mm、25 mm、28 mm、32 mm、36 mm和40 mm，振弦式鋼筋計國家標準[2]中，鋼筋計的直徑比前者增加了10 mm、12 mm、14 mm和30 mm，其中在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[8]的附錄A“鋼筋的公稱直徑、公稱截面積及理論重量表”中沒有30 mm直徑的鋼筋，因此設(shè)計中不會有該直徑的鋼筋，標準[2]中應(yīng)將該型號的鋼筋計刪除。鋼筋計的直徑取決于現(xiàn)場鋼筋的直徑，兩者應(yīng)盡量保持一致。此外，現(xiàn)場應(yīng)用中，因為廠家供貨、長途運輸、設(shè)計變更等原因，都可能存在混凝土要施工但鋼筋計尚未運抵現(xiàn)場的問題。

按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范，鋼筋計與鋼筋的直徑可以不一致，宜采用高一規(guī)格的鋼筋計代替，此時應(yīng)修正鋼筋計的靈敏度及溫度修正系數(shù)。《大壩安全監(jiān)測儀器安裝標準》[4]中規(guī)定：“當所選擇的鋼筋計連接桿的直徑與鋼筋直徑差異過大時，應(yīng)考慮截面積的換算”?！痘炷翂伟踩O(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[5]中規(guī)定：“盡量按照結(jié)構(gòu)鋼筋直徑配置相同直徑的鋼筋計，如果直徑不同，應(yīng)盡量接近，兩直徑之差不宜大于鋼筋直徑的10%”?？紤]到鋼筋拉力極大值，不能用小直徑的鋼筋計代替大直徑的鋼筋計。按照文獻[5]理解，若25 mm鋼筋計缺貨，需要用直徑不大于25 mm×110%=27.5 mm的鋼筋計替代，可按照標準[1]看，最接近的是直徑28 mm的鋼筋計，但又不滿足“兩直徑之差不宜大于鋼筋直徑10%”的條件。其他直徑的鋼筋計也都有同樣問題。因此，規(guī)范[5]中此項應(yīng)修改為“宜采用直徑大一檔的鋼筋計代替”。

按照鋼筋計、鋼筋受力相等的原則，以差動電阻式鋼筋計為例，有：

將式（2）代入式（1），

鋼筋計的最小讀數(shù)、溫度修正系數(shù)應(yīng)按式（4）修正：

式中：f′、b′分別為修正后的鋼筋計最小讀數(shù)、溫度修正系數(shù)；f、b分別為出廠鋼筋計的最小讀數(shù)、溫度修正系數(shù)；△Z、△T分別為電阻比、溫度變化量；S1、S分別為鋼筋計、鋼筋的截面積；σ1、σ分別為鋼筋計、鋼筋應(yīng)力。

不同直徑鋼筋計替代使用時，鋼筋計的最小讀數(shù)、溫度修正系數(shù)應(yīng)同時修正。規(guī)范[5]規(guī)定了按照式（4）修正鋼筋計的最小讀數(shù)f，對溫度修正系數(shù)b沒有說明修正與否。鋼筋計的溫度修正系數(shù)一般為0.06 MPa/℃，按照溫度變幅30℃計，此時溫度對鋼筋的應(yīng)力影響為1.8 MPa。根據(jù)表2和表3，不同直徑鋼筋計替代的修正系數(shù)為1.21～1.65，此時鋼筋應(yīng)力的修正在2.2～3.0 MPa左右，按照鋼筋計最小讀數(shù)為0.7 MPa/0.01%，該部分誤差相當于3～4個電阻比的影響，已超過差動電阻式儀器電阻比的測量精度要求。因此，不同直徑鋼筋計替代使用時，鋼筋計的溫度修正系數(shù)也要根據(jù)面積比修正。

用直徑大一檔的相同量程鋼筋計替代，實際鋼筋計的精度將有所降低，應(yīng)盡量避免直徑大兩檔的鋼筋計替代。鋼筋計的最小讀數(shù)體現(xiàn)了其測量精度，對于差動電阻式鋼筋計，最小讀數(shù)表示1個電阻比對應(yīng)的鋼筋應(yīng)力，最小讀數(shù)越大表明該鋼筋計測量精度越低。采用直徑高一規(guī)格的鋼筋計替代時，其最小讀數(shù)需要進行修正，從表2可以看出修正系數(shù)一般在1.21～1.31之間，均值為1.26；當用直徑高兩檔的鋼筋計替代時，從表3可以看出其最小讀數(shù)的修正系數(shù)一般在1.49～1.65之間，均值為1.58。對于差動電阻式鋼筋計來說，200 MPa和300 MPa的鋼筋計最小讀數(shù)一般分別在0.7 MPa/0.01%和1.0 MPa/0.01%左右，規(guī)范中要求該值應(yīng)小于1.0 MPa/0.01%和1.3 MPa/0.01%[1]，經(jīng)過上述直徑高一檔修正系數(shù)修正后為0.882 MPa/0.01%和1.26 MPa/0.01%，滿足規(guī)范要求，高兩檔的修正系數(shù)修正后為1.11 MPa/0.01%和1.58 MPa/0.01%，已經(jīng)超過規(guī)范要求，因此這種情況應(yīng)避免。

表2 鋼筋計與鋼筋不同直徑的系數(shù)修正（一）Table 2 Coefficient correction for diameter difference between rebar strain meter and rebar(I)

表3 鋼筋計與鋼筋不同直徑的系數(shù)修正（二）Table 3 Coefficient correction for diameter difference between rebar strain meter and rebar(II)

表4 鋼筋計修正后的最小讀數(shù)（單位：MPa/0.01%）Table 4 Minimum reading of rebar strain meter after correction(unit:MPa/0.01%)

另外，用量程低一檔、直徑大一檔鋼筋計替代，用量程高一檔、直徑小一檔鋼筋計替代，都應(yīng)進行以上分析，修正鋼筋計的計算參數(shù)。采用量程高一檔、直徑相同的鋼筋計替代時，鋼筋應(yīng)力的測量精度將明顯降低。

2.5 安裝方式

鋼筋計采用對接焊、坡口焊、螺紋等方式與受力鋼筋連接，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范中沒有提到綁條焊。鋼筋計安裝的關(guān)鍵是必須將鋼筋計和鋼筋的中心線保持在同一軸線上。對接焊需要現(xiàn)場配置對焊機，且適用鋼筋直徑宜小于25 mm。坡口焊要將鋼筋計的連接桿、鋼筋相應(yīng)端部加工成45°～60°坡口，需要在鋼筋廠現(xiàn)場加工。螺紋連接需要鋼筋計生產(chǎn)廠家在鋼筋計的連接桿上加工陽螺紋、并配套陰螺紋的連接套筒，鋼筋端部現(xiàn)場加工陽螺紋，這種方式不需要電焊機、鋼筋計溫度不會升高，對保護鋼筋計有利。

在混凝土沒有出現(xiàn)裂縫時，鋼筋計與混凝土處于等應(yīng)變狀態(tài)，兩者之間不會有相對位移，因此鋼筋計采用綁條焊方式與受力鋼筋連接是可行的。綁條焊無需專門設(shè)備、焊接方便，鋼筋計安裝時往往采用這種方式。儲海寧認為[7]鋼筋計和鋼筋連接處較為粗大，應(yīng)用布條或塑料包裹，外涂瀝青，使接頭處有微小位移的可能，以便受力鋼筋將拉力傳遞到鋼筋計上。

2.6 基準值對量程的影響

對于鋼筋計的初始值、基準值，水利行業(yè)標準比電力行業(yè)標準解釋得更全面，工程項目中可以參照執(zhí)行。在電力行業(yè)標準《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[5]中，鋼筋計基準值是安裝好后、混凝土澆筑前的穩(wěn)定測值。水利行業(yè)標準《大壩安全監(jiān)測儀器安裝標準》[4]中，定義了監(jiān)測儀器的起始值、初始值、基準值，起始值指監(jiān)測儀器在現(xiàn)場零荷載下的測值；初始值指儀器安裝后，在既定荷載下，安裝影響消除后的測值；基準值指相對于荷載條件的計算起點的測值。鋼筋計的初始值取埋設(shè)12～24 h后的測值，基準值可以為混凝土初凝后的基準值、下閘蓄水前的基準值、除險加固前的基準值等。

按照現(xiàn)行規(guī)范，鋼筋計量程為200MPa和300MPa時，表示相對于室內(nèi)率定時的零值，其受拉量程為200 MPa和300 MPa，實際具備120%的超量程。鋼筋計受壓量程為100 MPa，按照規(guī)范，受壓量程在鋼筋計的率定過程中不需檢驗。鋼筋計的量程是相對于自由狀態(tài)下廠家標定時的零值，此時的電阻比或頻率模數(shù)可以在其率定資料中找到。在鋼筋計的工程應(yīng)用中，安裝過程中外界影響、基準值的取值方式、運輸途中震動，有可能導(dǎo)致計算成果超過其量程。如圖1中，鋼筋計的基準值設(shè)置在其零值右側(cè)距離a處，這種情況下，鋼筋計具備了更多的受壓量程，其應(yīng)力計算值在受壓100+a也沒有超過量程，鋼筋也不會受壓破壞。同樣，若基準值取在零值的左側(cè)距離a處，鋼筋計將具有更多的受拉量程，其應(yīng)力計算值在受拉300+a時，仍沒有超過量程。

圖1 鋼筋計量程與基準值關(guān)系Fig.1 Relationship between range of rebar strain meter and benchmark value

2.7 鋼筋計應(yīng)力成果分析

根據(jù)廠家提供的公式計算的鋼筋應(yīng)力，包括鋼筋的荷載應(yīng)力與非荷載應(yīng)力之和，在資料分析中要克服非荷載應(yīng)力存在難度。一般認為，在混凝土不出現(xiàn)裂縫時，在外荷載作用下，鋼筋混凝土內(nèi)鋼筋與混凝土同步變形，即等應(yīng)變法：

式中：σS、ES分別為鋼筋的應(yīng)力、彈模；σC、EC分別為混凝土的應(yīng)力、彈模。

此時，鋼筋與混凝土的荷載應(yīng)力大小與彈模之比成線性關(guān)系，且符號相同。但由于鋼筋與混凝土的物理特性不同，結(jié)構(gòu)內(nèi)部常常出現(xiàn)非荷載應(yīng)力，且兩者應(yīng)力的大小與彈模無關(guān)，方向相反。鋼筋計的非荷載應(yīng)力可以由混凝土的熱脹冷縮、干縮濕漲、徐變、自生體積變形等原因產(chǎn)生，非荷載應(yīng)力對鋼筋與混凝土的應(yīng)力影響的特點是兩者符號相反，即一個受拉則另一個受壓，或反之。

混凝土澆筑后產(chǎn)生水化熱，一般2～3 d到最高溫度，然后開始降溫，此時，混凝土彈模已經(jīng)較大。溫度降低導(dǎo)致鋼筋與混凝土都收縮，由于鋼筋熱膨脹系數(shù)要大于混凝土熱膨脹系數(shù)，正常來說鋼筋的收縮量要大于混凝土，按照等應(yīng)變原理，此時混凝土將阻止鋼筋收縮，因此鋼筋表現(xiàn)為受拉，混凝土表現(xiàn)為受壓。如圖2所示，當混凝土后期受環(huán)境溫度升高影響時，鋼筋受熱膨脹εs，混凝土受熱膨脹εc，兩者相互作用下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最終變形為ε，此時鋼筋與混凝土內(nèi)力平衡，此時鋼筋表現(xiàn)為受壓，混凝土表現(xiàn)為受拉。溫度降低時情況相反。

圖2 溫度升高時鋼筋、混凝土變形關(guān)系Fig.2 Relationship between deformations of rebar and concrete when temperature rises

鋼筋混凝土構(gòu)件在澆筑完成的初期，混凝土的干縮是不可避免的，但鋼筋沒有干縮的特性，因此，鋼筋將阻礙混凝土的干縮變形，表現(xiàn)為鋼筋受壓、混凝土受拉的應(yīng)力狀態(tài)，因此澆水養(yǎng)護有利于降低低齡期混凝土內(nèi)拉應(yīng)力。大壩蓄水后高程較低部位混凝土發(fā)生濕漲，表現(xiàn)鋼筋為受拉、混凝土受壓的應(yīng)力狀態(tài)，改善了混凝土應(yīng)力情況。

混凝土的徐變、自生體積變形也都影響著鋼筋的應(yīng)力?；炷恋男熳兪侵冈诩榷ǔ掷m(xù)荷載作用下，其體積逐漸變小的趨勢，這種變形不會導(dǎo)致混凝土內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，但鋼筋的存在將阻止混凝土自生體積變形，此時鋼筋產(chǎn)生壓應(yīng)力、混凝土內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。混凝土的自生體積變形一般由埋設(shè)在混凝土內(nèi)的無應(yīng)力計測得，顯示混凝土不受外界荷載的變形情況，一般有收縮型或膨脹型規(guī)律，收縮型變形對鋼筋應(yīng)力的影響與混凝土徐變一樣，膨脹型則相反。

混凝土的熱脹冷縮、干縮濕漲、徐變、自生體積變形等對鋼筋應(yīng)力的影響如表5所列，混凝土的干縮、溫度升高、徐變、收縮型自生體積變形是鋼筋安裝初期非荷載應(yīng)力導(dǎo)致鋼筋計出現(xiàn)壓應(yīng)力的主要原因。

表5 鋼筋及混凝土應(yīng)力的非荷載應(yīng)力Table 5 Non-load stress of rebar and concrete

為研究混凝土溫度、干縮濕漲、自生體積變形和徐變對鋼筋計引起的非荷載應(yīng)力，邵乃辰[10]在直徑20 cm、長80 cm的150號混凝土試塊內(nèi)埋設(shè)一支?20 mm鋼筋計，成型3 d后置于恒溫（20℃）、恒濕（相對濕度60%）環(huán)境中進行干縮試驗，在開始60 d內(nèi)鋼筋計應(yīng)力增加很快，半年后基本穩(wěn)定，鋼筋計應(yīng)力達-70 MPa（壓應(yīng)力）。干縮一年后，再放入同溫度的水中，混凝土吸水膨脹，鋼筋應(yīng)力迅速下降，半年后剩下-14 MPa。結(jié)果表明，實測鋼筋計的非荷載應(yīng)力受混凝土干縮、濕漲影響很大。

3 結(jié)語

鋼筋計是巖土工程安全監(jiān)測中常用的一種儀器，在應(yīng)用過程中應(yīng)注意以下幾點：

（1）鋼筋計在標定時，按照國家標準的要求，應(yīng)采用不低于1級精度的材料試驗機，避免檢測數(shù)據(jù)異常，引起誤導(dǎo)或損壞鋼筋計，工程現(xiàn)場一般可以通過自由狀態(tài)時鋼筋計的測值簡單判斷其是否異常。

（2）隨著國家對混凝土用鋼的升級換代，現(xiàn)行鋼筋計的國家、行業(yè)標準應(yīng)及時完善，增加量程為500 MPa和600 MPa的鋼筋計的技術(shù)指標，生產(chǎn)廠家應(yīng)及時研制這類大量程鋼筋計，以適應(yīng)工程項目的需要。

（3）當鋼筋計與受力鋼筋直徑不一致時，應(yīng)同時修正鋼筋計的最小讀數(shù)與溫度修正系數(shù)。為滿足規(guī)范靈敏度的要求，應(yīng)避免采用直徑高兩檔的鋼筋計替代。

（4）埋設(shè)在混凝土內(nèi)的鋼筋計實測成果包括非荷載應(yīng)力與荷載應(yīng)力，非荷載應(yīng)力是鋼筋計出現(xiàn)壓應(yīng)力的一個重要原因。