鋼筋計(jì)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測中的應(yīng)用

李國祥 彭浩 張賀 王凱

摘要：在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋上安裝鋼筋計(jì)來監(jiān)測鋼筋應(yīng)力是目前廣泛采用的方法之一，但設(shè)計(jì)認(rèn)識不足或施工質(zhì)量缺陷會導(dǎo)致監(jiān)測成果不理想。對目前普遍采用的差阻式、振弦式和光纖光柵式等3種類型鋼筋計(jì)的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，依托貴州省夾巖水利樞紐工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中已使用的這3種鋼筋計(jì)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了這3種類型鋼筋計(jì)在其量程范圍內(nèi)的特性，并探討了通過鋼筋計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算混凝土應(yīng)力的方法，得到不同結(jié)構(gòu)形式中采用鋼筋計(jì)的最佳類型，為鋼筋計(jì)的工程應(yīng)用提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：鋼筋應(yīng)力;鋼筋計(jì);應(yīng)力監(jiān)測;應(yīng)力計(jì)算;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號：TV698.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.021

Abstract：At present， monitoring the stress of reinforced concrete structures by installing steel bar meters is a widely used method. The shortage of knowledge in design and deficient construction quality will cause adverse effect on the monitoring results. After summarization on the working principle and advantages and disadvantages of the differential resistance steel bar meter， vibrating wire steel bar meter， fiber bragg grating steel bar meter and based on the tensile test data of the three kinds of steel bar meters used in the reinforced concrete structure of Jiayan Hydro-complex Project in Guizhou province， the characteristics of the steel bar meters in their metering range are studied and the calculating method of concrete stress by the metered data of steel bar meter is discussed. The optimal type of steel bar meter in different concrete structures is obtained and the results can provide a new thought train for the engineering application of steel bar meter.

Key words：steel stress;steel bar meter; stress monitoring; stress calculation;Jiayan Hydro-complex Project; Guizhou Province

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[1]是土木工程中最為常見的基本構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)性能或承載能力是否滿足工程安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求，通常通過在其內(nèi)部埋設(shè)鋼筋計(jì)長期監(jiān)測構(gòu)件應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)的。

目前鋼筋計(jì)應(yīng)用最為廣泛的類型主要包括差阻式、振弦式和光纖光柵式。差阻式儀器[2]利用電阻絲變形與電阻比成正比的原理制成，具有密封性能好、長期運(yùn)行穩(wěn)定性佳和可靠度高等優(yōu)點(diǎn)，適宜在水工環(huán)境及高水壓下使用，但儀器的分辨率及精度較低，自身笨重，雖采用五芯連接電纜可消除電纜電阻和芯線電阻變差對測量結(jié)果的影響，但遙測距離限制在2 km以內(nèi)。振弦式儀器[3]利用鋼弦振動(dòng)頻率隨鋼絲應(yīng)力變化原理制成，具有精度高、分辨率高、量程大、受環(huán)境影響小、可長距離傳輸及自身體積小等優(yōu)點(diǎn)，但防水能力較脆弱，絕緣度降低時(shí)儀器即報(bào)廢，對制造水平要求高。光纖光柵式儀器[4]通過檢測布拉格反射峰值波長漂移，解調(diào)返回波長信息獲取傳感器所在環(huán)境溫度、應(yīng)變的變化，具有精度高、體積小、損耗低和可長距離輸送信息等優(yōu)點(diǎn)。

然而，由于設(shè)計(jì)認(rèn)識不足選型不當(dāng)或因施工質(zhì)量缺陷而造成儀器損壞的情況時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致鋼筋計(jì)埋設(shè)后無法獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。魯布革電站和松子坑水庫的振弦式儀器[2-3]大量失效，正是儀器及電纜進(jìn)水所致，如果在儀器選型階段就做好相應(yīng)的調(diào)查和比選工作，掌握不同類型儀器的工作特性，就可有效避免此類情況的發(fā)生。由于計(jì)算方法的選取不當(dāng)，導(dǎo)致分析結(jié)構(gòu)物應(yīng)力時(shí)，出現(xiàn)較大的誤差而判斷錯(cuò)誤。采用簡易的彈模比法[5]計(jì)算，得出的結(jié)果是混凝土拉應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，實(shí)際情況是混凝土并未開裂，而采用邊界變形零法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符，可見正確選取計(jì)算方法非常重要。

本文根據(jù)夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡稱“夾巖工程”）不同結(jié)構(gòu)物布置的差阻式、振弦式和光纖光柵式3種鋼筋計(jì)現(xiàn)場埋設(shè)成功經(jīng)驗(yàn)和已獲取的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)上述3種儀器的優(yōu)缺點(diǎn)。依據(jù)現(xiàn)場拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了其在自身量程范圍內(nèi)的特性，同時(shí)根據(jù)已獲取的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比通過鋼筋計(jì)測值計(jì)算混凝土應(yīng)力的方法，分析其最佳選型方法和布置方式，可為類似工程提供借鑒。

1 不同類型鋼筋計(jì)特性

1.1 靜態(tài)力學(xué)性能

根據(jù)SL 530-2012《大壩安全監(jiān)測儀器檢驗(yàn)測試規(guī)程》[6]可知，監(jiān)測儀器的靜態(tài)力學(xué)特性現(xiàn)場檢驗(yàn)項(xiàng)目主要為分辨力、非線性度、不重復(fù)度、滯后和綜合誤差。其中，分辨力指在工作范圍內(nèi)，傳感器所能產(chǎn)生可測量的最小輸出量變化量;非線性度指傳感器平均校準(zhǔn)曲線和工作直線間的不一致程度;不重復(fù)度指傳感器在不變的工作狀態(tài)下，重復(fù)給定的某個(gè)相同輸入值時(shí)輸出值的分散程度;滯后指傳感器在輸入量增加和減少過程中，在同一輸入量時(shí)輸出值的差別;綜合誤差指傳感器平均校準(zhǔn)曲線和回程平均校準(zhǔn)曲線中與工作特性曲線的最大偏差。

現(xiàn)場采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)、差阻式儀器讀數(shù)儀、振弦式儀器讀數(shù)儀、光纖調(diào)制解調(diào)儀以及配套專用接口，對差阻式、振弦式和光纖光柵式鋼筋計(jì)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲取力學(xué)性能檢驗(yàn)成果，詳見表1。

由表1可知，在鋼筋計(jì)量程范圍內(nèi)，不同類型鋼筋計(jì)的力學(xué)性能均能夠滿足規(guī)范要求，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，鋼筋計(jì)分辨力最高的為振弦式，且與光纖光柵式差距不大，最低的為差阻式，表明差阻式鋼筋計(jì)的靈敏度不高;非線性度最差的為差阻式，振弦式和光纖光柵式相當(dāng)，表明差阻式鋼筋計(jì)的精度不高;不重復(fù)度最大的為振弦式，光纖光柵式最小，表明振弦式鋼筋計(jì)的短期穩(wěn)定性較差;滯后最低的為振弦式，最高的為差阻式，表明振弦式儀器在進(jìn)程和回程中的同一性較好;綜合誤差最低為光纖光柵式，表明光纖光柵式鋼筋計(jì)的綜合性能最優(yōu)。

1.2 長期工作性能

現(xiàn)場檢驗(yàn)僅能夠反映鋼筋計(jì)自身的短期性能，工程中更為關(guān)注的是其長期工作的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和耐久性，因此需要通過工程現(xiàn)場埋設(shè)安裝后的長期觀測數(shù)據(jù)來判斷各類型鋼筋計(jì)的實(shí)際應(yīng)用效果。

夾巖工程中考慮到不同建筑物的功能和環(huán)境條件，為監(jiān)測鋼筋計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力，選擇的鋼筋計(jì)類型如下：①水源區(qū)泄洪洞、放空洞等洞線不長的洞段襯砌內(nèi)埋設(shè)差阻式鋼筋計(jì);②干渠水打橋隧洞等洞線超長（最長達(dá)20km）的洞段襯砌內(nèi)埋設(shè)光纖光柵式鋼筋計(jì);③在邊坡抗滑樁內(nèi)部布置振弦式鋼筋計(jì)。不同類型鋼筋計(jì)歷史測值變化過程線和變化幅度對比分別見圖1和圖2。

從圖1可知，雖然3種類型的鋼筋計(jì)埋設(shè)部位和結(jié)構(gòu)物不同，但歷史測值過程線均平順光滑，測值規(guī)律性較好，表明這3種類型的鋼筋計(jì)長期穩(wěn)定性均較好。

從圖2可知，差值式和光纖光柵式鋼筋計(jì)歷史測值的變化幅度差異較小，其長期穩(wěn)定性較優(yōu);振弦式鋼筋計(jì)歷史測值的變幅較為明顯，也體現(xiàn)了正弦式鋼筋計(jì)靈敏度較高特點(diǎn)，與工程施工工況的吻合度高。

2 鋼筋應(yīng)力計(jì)算混凝土應(yīng)力方法

2.1 常規(guī)計(jì)算方法

用鋼筋計(jì)實(shí)測鋼筋應(yīng)力換算混凝土應(yīng)力的常規(guī)方法主要有彈模比法、協(xié)同變形法和邊界零變形法。

從圖3可知：彈模比法、協(xié)同變形法和邊界零法計(jì)算的混凝土應(yīng)力值均遠(yuǎn)超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，測值偏大，嚴(yán)重失真;采用綜合疊加計(jì)算法計(jì)算的混凝土應(yīng)力與真實(shí)情況更為接近，由于混凝土彈模、徐變等參數(shù)參照類似工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，因此計(jì)算值也超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，但與現(xiàn)場查看情況基本相符，在該儀器監(jiān)測斷面的襯砌表面發(fā)現(xiàn)數(shù)條微裂縫。

3 結(jié) 論

（1）通過差阻式、振弦式、光纖光柵式鋼筋計(jì)的力學(xué)特性和長期穩(wěn)定性分析可知：振弦式和光纖光柵式鋼筋計(jì)適用于高精度、高靈敏度監(jiān)測;差值式和光纖光柵式鋼筋計(jì)適用于對儀器長期穩(wěn)定性要求較高的結(jié)構(gòu)物應(yīng)力監(jiān)測。

（2）利用鋼筋計(jì)聯(lián)合配套布置的應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)觀測數(shù)據(jù)，采用綜合疊加計(jì)算法可計(jì)算混凝土應(yīng)力，計(jì)算成果更接近工程實(shí)際，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的彈模比法、協(xié)同變形法和邊界零法等計(jì)算方法成果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高鵬，田穩(wěn)苓，卿龍邦. 鋼筋計(jì)在研究鋼筋混凝土板受力狀態(tài)中的應(yīng)用[J]. 施工技術(shù)，2014，43（S2）：358-361.

[2] 儲海寧. 大壩和巖土工程中埋設(shè)儀器選型問題的探討[J]. 水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2006（1）：39-44.

[3] 譚愷炎. ?我國大壩安全監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與展望[C]//中國水利學(xué)會青年科技工作委員會. 中國水利學(xué)會第三屆青年科技論壇論文集. 北京：中國水利學(xué)會，2007：6.

[4] 周鋒，李永倩，王劭龍. 光纖布喇格光柵傳感器及其封裝研究進(jìn)展[J]. 光通信技術(shù)，2017，41（11）：8-11.

[5] 黃家然. 碧口電站溢洪道鋼筋混凝土應(yīng)力分析[J]. 人民黃河，1988（5）：50-53.

[6] SL 530-2012 大壩安全監(jiān)測儀器檢驗(yàn)測試規(guī)程[S].

[7] 趙志仁，朱化廣. 水工混凝土自生變形對應(yīng)力影響的分析研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，1990（3）：52-58.

[8] 田宇. ?鋼筋計(jì)在大型水工結(jié)構(gòu)中對鋼筋和混凝土應(yīng)力的監(jiān)測研究[C]//第十四屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集. 天津：全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會，2014：4.

[9] 王法西. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)測應(yīng)力分析計(jì)算[J]. 觀測技術(shù)，1988（2）：24-27.

[10] 趙志仁. 大壩應(yīng)變及應(yīng)力的原型觀測研究[J]. 人民長江，1991，22（4）：28-40.

[11] 趙志仁，朱化廣. 水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)測鋼筋應(yīng)力的分析與計(jì)算[J]. 水利學(xué)報(bào)，1992（1）：73-79.

[12] 葉元騫. 葛洲壩工程大體積混凝土溫度應(yīng)力幾個(gè)問題[J]. 人民長江，1982，13（6）：1-11.

[13] 楊文海，陳守開. 早齡期混凝土熱力學(xué)性能差異對應(yīng)力的影響研究[J]. 人民長江，2012，43（23）：96-100.

[14] 程大鵬. 混凝土濕度場及干縮應(yīng)力的差分算法研究[J]. 人民長江，2014，45（11）：78-81.

[15] 肖漢江，李祖民. 考慮自生體積變形計(jì)算混凝土的溫度應(yīng)力[J]. 人民長江，1998，29（2）：5-7，49.

（編輯：唐湘茜）