自制穿心式壓力傳感器在預應力橋梁工程中的應用

唐付林　張建民　張　碩　許鵬程

(東北林業大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱　150040)

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自制穿心式壓力傳感器在預應力橋梁工程中的應用

唐付林張建民張碩許鵬程

(東北林業大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱150040)

通過對自制穿心式壓力傳感器的工作原理、結構特點和穩定性測試三個方面的闡述，結合具體試驗項目，探索了自制穿心式壓力傳感器在橋梁工程中的應用價值，試驗結果表明：自制穿心式壓力傳感器數據穩定可靠、適應性強，可用于橋梁預應力結構的張拉應力控制，降低施工難度，節約了工程成本。

橋梁工程，壓力傳感器，預應力結構，張拉應力

隨著現代橋梁結構的發展，預應力發揮的作用越來越大，為橋梁結構向著更大跨度、更小截面、更高承載力等方面做出了巨大貢獻，具有不可替代的作用[1]。但是在實際施工過程中，橋梁箱梁中預應力筋張拉應力控制、橋梁懸索拉力控制等等往往較理論要求有一定差距，其結果直接對橋梁結構的施工質量和結構安全產生一定影響[2，3]。因此，采用一些精確儀器來準確測量預應力結構中的有效預應力，觀測其預應力隨時間的損失具有非常重要的意義。目前，測量預應力張拉應力的方法主要有電阻式壓力傳感器法、電阻應變片法、振弦式壓力傳感器法、光纖光柵應變式壓力傳感器法、振動頻率法、電磁測量法[4]。其中又以電阻式壓力傳感器法最為常用，它具有儀器內部結構相對簡單、較高的精度、良好的線性數據特性、抗干擾能力強等優點，廣泛應用于橋梁結構、建筑結構、船舶等等[5]。然而，在預應力橋梁結構的施工過程中，施工人員采用市場購買的成品電阻式壓力傳感器不一定能夠適應現有實際施工條件，其存在的主要問題有：1)市場上成品電阻式壓力傳感器或其他類型傳感器均為具有獨立知識產權產品，價格一般較高，在預應力橋梁結構施工現場需求量較大的情況下，外加與電阻式壓力傳感器相配套的設備，其成本往往較大。2)電阻式壓力傳感器，通常處于一個非常高壓力的狀態下，外加施工現場使用條件惡劣，因此，容易造成比較嚴重的損耗，一旦發生故障，往往需要郵寄回相應公司，再由他們進行檢測，調試，處理時間較長，費用高，不利于施工項目的進行。3)由于實際施工條件復雜，普通型號的壓力傳感器不一定能夠滿足工程需要，例如對跨度較大的T梁采用不常用的大直徑鋼絞線，或者對多股鋼絞線同時張拉等實際中常常出現的情況，普通穿心式傳感器的內徑就不一定能夠滿足要求。如何有效應對這些實際問題對橋梁設計、施工及安全維護等都有很大的指導與實用意義。而自制穿心式壓力傳感器能夠顯著的解決上述問題，基于自制的自由性，在預應力橋梁工程的施工過程中，可以依據實際現場條件如場地限制、荷載要求、傳感器內徑要求等來設計相應的壓力傳感器，還能夠節約工程成本，加快工程進度。因此，對自制穿心式壓力傳感器本身性能的測試以及在實際工程項目中的探索式應用具有非常重要的意義，為該項技術在實際工程項目中的服務提供應用素材或者理論基礎。

1　工作原理

自制穿心式壓力傳感器為在筒壁的縱向和橫向分別粘貼有電阻應變片制成，并采用惠斯登路橋進行全橋電路連接，見圖1。根據基爾霍夫定律，輸出電壓UBD與輸入電壓U的關系如下：

當R1=R2=R3=R4時，即四個橋臂電阻值相等時，稱為等臂電橋，此時輸出電壓UBD=0。

由此可見，橋路輸出公式中的符號變化將輸出信號放大了2(1+μ)ε倍，提高了測量靈敏度，溫度補償自動完成，并且能夠消除讀數中因為軸向偏心力引起的影響[6]。

2　傳感器的標定和穩定性測試

為驗證自制穿心式壓力傳感器的穩定性，試驗根據不同荷載大小設定了四組壓力傳感器，并分別在室溫20 ℃時進行了100次的標定，以CGQ-200傳感器為例，樣品外觀見圖2，自制穿心式壓力傳感器設計方案見表1，傳感器試驗結果見表2～表5。

表1　自制穿心式壓力傳感器設計方案

由表2～表5可知，本次自制四種荷載形式的穿心式壓力傳感器在第100次加載的情況下，穩定性非常好，變異誤差不大于5%，且傳感器數據變異情況均有隨著荷載的增大減小的趨勢。因此，自制穿心式壓力傳感器的穩定性是可靠的，可應用于實際工程。

表2　CGQ-50壓力傳感器試驗結果

試驗次數擬合公式擬合度指標R220kN30kN40kN50kNN20y=0.1272x+0.20641155.610234.226312.843391.459N40y=0.1276x+0.22320.9999154.990233.360311.730390.100N60y=0.1281x+0.19711154.589232.653310.717388.781N80y=0.1283x-0.32920.9999158.450232.189310.131388.073N100y=0.1283x+0.21020.9996154.246232.188310.131388.073δ——0.0110.0070.0050.005注:NXX表示為第XX次試驗;δ為變異系數,反映同一荷載下,不同試驗次數時,傳感器的數據突變情況

表3　CGQ-100壓力傳感器試驗結果

表4　CGQ-150壓力傳感器試驗結果

表5　CGQ-200壓力傳感器試驗結果

3　應用實例

本次試驗制作了9根預應力橫梁，由于采用了大直徑鋼絞線，對于傳感器內部孔徑要求提高，采用市場上普通的傳感器，如長沙金碼公司的JMZX-3XXX智能弦式數碼壓力計并不能滿足要

求，因此在端部安裝上自制的壓力傳感器，既能滿足內徑要求，又能夠實時控制張拉控制應力，監測預應力損失，以便準確達到設計要求，如圖3所示。

通過對自制壓力傳感器的數據采集，對9根預應力橫梁的預應力筋的應力進行監測，得到了其在張拉完成時的應力以及連續72 h的應力損失，其結果見表6。

表6　自制穿心式傳感器數據采集和分析

由表6可知，自制穿心式壓力傳感器能夠穩定、及時的反映出張拉預應力筋情況，預應力損失，對于預應力橋梁結構的實際施工，具有重要的指導意義。

4　結語

自制穿心式壓力傳感器在多次循環標定過程中，數據具備良好的穩定性，并隨著荷載的增加，其穩定性也有所增加，并基于試驗情況，驗證了其應用于工程上的可行性，并且能夠根據需求適應不同現場條件，為預應力橋梁結構按設計施工增加了保障。

[1]柴金燕.橋梁預應力混凝土現狀與發展[J].交通世界,2008(4):160-161.

[2]周云平.現澆箱梁后張預應力控制技術分析與應用[J].中外建筑,2011(6):158-160.

[3]Zhang Yang,Shao Xudong,Li Bin.Study of the vertical prestress loss in box girder webs with twice-tension strand[J].Journal of Hunan University Natural Sciences,2012,6(39):13-18.

[4]姜建山,唐德東,周建庭.橋梁索力測量方法與發展趨勢[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2008,27(3):379-382.

[5]李炳生,李斌曹,文清.電阻應變式傳感器在結構試驗中的應用新技術[J].結構工程師,2011,27(sup):254-259.

[6]楊德健,馬芹永.建筑結構試驗[M].武漢：武漢理工大學出版社,2011.

Application of self-made bushing type pressure sensor in prestressed bridge engineering

Tang FulinZhang JianminZhang ShuoXu Pengcheng

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

By the elaboration of working principle, structural features and testing stability of self-made bushing type pressure sensor, exploring the application value of self-made bushing type pressure sensor in prestressed bridge engineering combined with the specific project. The results show that: self-made bushing type pressure sensor is stable, reliable and strong adaptable. It can be used for the tensile stress control, releasing the difficulty of construction, saving the cost of the project.

bridge engineering， pressure sensor， prestressed structure， tension stress

1009-6825(2016)08-0189-02

2016-01-09

唐付林(1989- )，男，在讀碩士

U445.47

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