振弦傳感器極限拉伸室內試驗研究*

陳潔金， 鄭 斌， 李守雷

(1.長沙理工大學 土木與建筑學院，湖南 長沙 410004；2.中國水電顧問集團 中南勘測設計研究院，湖南 長沙 410075)

0 引 言

某水電站是我國“西部大開發(fā)”的標志性工程和“西電東送”的龍頭項目，工程以發(fā)電為主兼有防洪、航運等綜合效益。地下廠房跨度大、洞室多、開挖支護工程量大，為使高邊墻在施工期和運行期保持安全穩(wěn)定，整個地下洞室群采用了大量的錨桿和預應力錨索進行錨固支護。在安全監(jiān)測過程中發(fā)現錨桿應力計超量程現象時有發(fā)生。據統(tǒng)計主廠房共有31組錨桿應力計43個測點讀數超量程，占主廠房錨桿應力計總數的31.96 %；巖錨梁共有6支錨桿應力計6個測點讀數超量程，占巖錨梁錨桿應力計總數的15.00 %；主變室共有8支錨桿應力計9個測點讀數超量程，占主變室錨桿應力計總數的34.78 %；尾水調壓井共有 14支錨桿應力計17個測點讀數超量程，占尾水調壓井錨桿應力計總數的12.17 %。為了了解錨桿應力計在極限應力下的工作狀態(tài)和超量程后讀數的可靠性，分別對量程為210,310,400 MPa三種振弦式錨桿應力計進行了極限拉伸室內試驗。對錨桿應力計在荷載作用下測值的變化規(guī)律和超量程后的變化趨勢進行了研究，為該電站錨桿應力計超量程讀數的應用提供了試驗依據。

1 試驗設備和試件

該水電站監(jiān)測中使用的錨桿應力計均為基康公司生產的BGK4911系列振弦式錨桿應力計(鋼筋計)，元件兩端為高強圓鋼，沿其中心軸線鉆孔，在鉆孔內安裝一只微型振弦式應變計，兩端分別焊接連接鋼棒構成，電纜通過壓緊接頭從剛體中引出，使用基康提供的便攜式讀數儀或數據采集系統(tǒng)可遠程讀取鋼筋或錨桿的荷載或應力讀數。錨桿應力計結構見圖1。

圖1 BGK—4911型錨桿應力計結構圖

這種振弦式錨桿應力計有耐用、可靠、易于安裝和讀數并不受潮濕、電纜長度和接觸電阻變化影響以及長期穩(wěn)定性好的特點。

試驗元件采用BGK4911系列直徑為Ф28,Ф32 mm，量程為210,310,400 MPa的6種型號的錨桿應力計。

試驗設備采用最大負荷為1 000 kN的微機控制電液伺服萬能試驗機，試驗機施加的荷載和錨桿應力計的伸長量數據由微機自動采集，錨桿應力計的讀數采用基康提供的便攜式讀數儀采集。試驗按逐級加載直到元件達到極限荷載破壞為止，遞增荷載值為32 MPa,試驗裝置如圖2所示,元件破壞現象如圖3，錨桿應力計在破壞過程中沒有明顯的頸縮現象，斷口整齊，破斷的位置均在保護鋼筋焊接處。

圖2 錨桿應力計拉伸試驗儀器和設備圖

圖3 錨桿應力計破壞狀態(tài)圖

2 測試結果與分析

試驗總共獲得了14組數據，根據試驗荷載與位移曲線的形態(tài)可以分為三類：

1)Ф28(400 MPa)和Ф32(400 MPa)型號的錨桿應力計標定曲線(萬能試驗機獲得)與測量曲線(便攜式讀數儀測量)吻合良好，在整個加載過程中荷載—位移曲線始終呈線性增加直至儀器破壞，如圖4(a),(b)。施加應力值和測量值基本符合，說明儀器在整個受力過程中，測量值均可真實反映實際施加應力值。沒有明顯屈服極限，破壞荷載分別為630，631 MPa，為儀器量程的1.6倍。

2)Ф32(210 MPa)和Ф32(310 MPa)型號的錨桿應力計標定曲線與測量曲線吻合良好，有明顯屈服極限，在錨桿應力計達到其屈服強度之前的施加應力值和測量值基本吻合，基本呈線性增加，如圖4(e),(f)隨應力的進一步施加，Ф32(210 MPa)在490 MPa內施加應力值和測量值之差小于5%。屈服荷載分別為365，369 MPa，為儀器量程的1.8倍。破壞荷載分別為514，530 MPa。

3)Ф28(210 MPa)和Ф28(310 MPa) 型號的錨桿應力計標定曲線和測量曲線具有明顯屈服荷載，在屈服荷載前段吻合良好，施加應力值和測量值基本符合，屈服強度為其量程的1.8倍，在屈服荷載到破壞階段曲線發(fā)生了分離,如圖4(e)，(f)。Ф28(210 MPa)型號的應力值在430 MPa以內時，其施加應力值和測量值的差值在5 %以內；Ф28(310 MPa)型號誤差值控制在5%以內的最大應力525 MPa，超過此值誤差迅速增大，測量數據已不真實,具體數值見表1。

圖4 不同型號的錨桿應力計荷載—位移曲線

3 應 用

根據試驗結論，該水電站錨桿應力計讀數可靠的最大極限值見表1。

表1 可靠讀數的最大極限值

根據可靠讀數的最大限值對地下洞室超量程錨桿應力計進行分類統(tǒng)計，在限值內的超量程錨桿應力計的讀數是可靠的，超過限值的讀數可根據試驗曲線進行擬合，然后進行修正，如圖5所示。

圖5 錨桿應力計荷載—位移擬合曲線

4 結 論

1)根據錨桿應力計荷載—位移曲線的形態(tài)，將極限荷載下的錨桿應力計分為三類。

2)根據誤差的相對誤差控制在5 %以內的條件，提出了讀數可靠性的劃分標準，對超過最大極限值的讀數，建議根據試驗曲線進行修正。

3)為該電站錨桿應力計超量程讀數的應用提供了試驗依據。

4)建議錨桿應力計生產廠家在產品使用說明書中標明錨桿應力特殊情況下讀數的修正公式。

參考文獻:

[1] 羅俊軍，張孝松.龍灘水電站地下廠房主要洞室圍巖錨噴支護設計[J].水利發(fā)電，2003，29(10)：44-46.

[2] 鄭 斌.地下洞室支護錨桿應力狀態(tài)特性試驗研究[D].長沙：中南大學,2010.

[3] 鄭 斌.陡傾角巖體地下洞室的位移和錨桿應力特性[J].山西建筑，2009(26)：79-80.

[4] 程良奎，胡建林.土層錨桿的幾個力學問題[C]∥巖土工程的錨固技術,北京：人民交通出版社，1996.

[5] 尤春安.全長粘結式錨桿的受力分析[J].巖石力學與工程學報,2000,19(3)：334-338.

[6] 周 群.錨筋與砂漿的粘結機理及巖石錨桿基礎的試驗研究[C]∥巖土錨固工程技術的應用與發(fā)展——國際巖土錨固技術研討會論文集,北京：萬國學術出版社,1996:260-264.

[7] 張四平,候 慶.壓力分散型錨桿剪應力分布與現場試驗研究[J].重慶建筑大學學報,2004,26(2):41-47.