差動電阻式應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計院，湖北隨州441300；2.福建省金湖電力有限責任公司，福建將樂 353300)

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

埋入式應變計在長期運行后，儀器將逐漸老化，技術性能和工作狀態也會逐步下降，有時甚至出現錯誤的測值。為此，應對埋入式應變計監測儀器定期進行鑒定，判斷應變計技術狀態和工作狀態是否正常，測值是否反映混凝土應變的實際狀態。

對已埋設的應變計進行鑒定，既要對儀器的技術參數進行現場測試，以判斷儀器當前性能是否滿足技術要求；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、穩定性和觀測精度。因此，應變計儀器鑒定一般按下列步驟進行：首先在現場對所要鑒定的應變計進行全面測試，然后對應變計長期觀測資料進行分析，最后根據現場測試和資料分析結果，對應變計性能作出綜合評價。

1 現場測試

1.1 現場測試內容

以四芯電纜接入式應變計為例，用率定合格的數字式電橋按四芯測法進行現場測試，共測試9個參數：應變計的電阻比 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。各測試參數之間的關系如下：

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，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，將它們與規定的質量控制指標和正常情況下的測值進行比較，即可判定儀器技術狀態是否正常，以及分析產生不正常變化的原因。

1.2 評價標準

1.2.1 各單項指標評價標準

根據上述現場測試參數，按正反測電阻比誤差、芯線電阻變差以及絕緣度3個單項指標作為評價指標。各單項指標評價標準如下：

(1)正反測電阻比誤差。采用水工比例電橋對四芯線應變計進行測試時，正反測電阻比質量控制標準根據《混凝土壩安全監技術測規范》(DL/T5178-2003)附錄E的規定，按下表控制，表中Z為正測電阻比，為反測電阻比。滿足表1指標要求的應變計電阻比為合格，反之為不合格。

表1 電阻比質量控制表(×104)

(2)芯線電阻變差。一般地，四芯應變計芯線電阻變化0.01 Ω，就會引起電阻比變化3個，即1:3的關系；此外，規范規定每100 m芯線電阻之間的差值應≤0.05Ω。為統一控制標準，在實際儀器鑒定中設定不管電纜多長，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準如下：

(3)絕緣度。用標準兆歐表對每支應變計進行絕緣電阻測試，根據已有工程經驗，絕緣電阻按以下評價標準。

R絕≥2 MΩ 優秀

0.1 MΩ≤R絕＜2 MΩ 合格

R絕＜0.1 MΩ 不合格

1.2.2 綜合評價標準

根據以上3個單項指標，對應變計的技術狀態作出綜合評價，評價等級分為5類。

(1)A類——各單項評價指標均達到優秀標準(正反電阻比誤差達到合格即可)。

(2)B類——各單項評價指標均應達到合格標準。

(3)C類——有一項評價指標不合格。

(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不合格。

(5)E類——測不出或現場找不到的儀器，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。應變計實測混凝土總應變按下式計算：

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

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

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

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

由此可見，當應變計附近沒有相應的無應力計時，應變計測值無法計算出最終的混凝土應力。

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

此外，還應保證應變計和配套無應力計測值的對應性。

(4)觀測成果規律性檢查。當測值真實反映混凝土實際應力時，觀測成果所描述的應力變化過程、應力分布狀態等規律性應符合混凝土結構應力變化的一般性規律。

測值規律性一般通過繪制實測應力變化過程線、分布圖及相關圖等方法進行分析。

2.2 評價標準

根據以上4個單項指標，對應變計的工作狀態作出綜合評價，評價等級也分為5類。其中儀器參數f、b以及配套無應力計為必備指標，即當應變計沒有計算參數f、b，或應變計附近沒有埋設配套無應力計時，該應變計工作狀態直接評定為E類。

(1)A類——計算方法正確，儀器參數完備，有配套無應力計，測值穩定、完整，監測成果規律性良好。

(2)B類——計算方法正確，儀器參數完備，有配套無應力計，測值基本穩定、完整，監測成果基本能反映混凝土應力的規律性。

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

(4)D類——計算方法正確，儀器參數完備，有配套無應力計，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，監測成果基本無規律性。

(5)E類——儀器參數不完備，或沒有配套無應力計，或監測成果明顯不合理甚至明顯異常，不符合基本物理力學規律。

3 應變計綜合評價

根據現場測試和長期觀測資料可靠性2個單項指標，對應變計作出最終的綜合評價。最終綜合評價等級也分為5類，各類評價標準如下。

(1)A類——測試參數優秀，技術狀態為A類；儀器測值穩定可靠，工作狀態為A類。此時，應變計監測資料可作為大壩安全分析和評價的引用依據。

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

(3)C類——技術狀態不低于C類，工作狀態不低于C類。此時，監測資料僅能作為分析和評價的參考。對C類儀器，在今后的觀測中應予以密切關注。

(4)D類——技術狀態不低于D類，工作狀態不低于D類。

(5)E類——技術狀態或工作狀態中，任何一個指標被評定為E類。

對D類和E類應變計，可作封存或報廢處理。

4 結束語

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

(2)現場測試時，應重點考察應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，應重點考察計算參數是否完備、是否具有配套無應力計、測值是否完整以及觀測成果是否合理。

(3)應變計現場測試的技術狀態評價、可靠性分析的長期工作狀態評價以及應變計最終評價結果可以根據相應的標準劃分為A、B、C、D、E五類。A、B類應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，C類應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，D、E類應變計宜作封存或報廢處理。

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