鋼筋計在鋼筋混凝土結構應力監測中的應用

李國祥 彭浩 張賀 王凱

摘要：在鋼筋混凝土結構鋼筋上安裝鋼筋計來監測鋼筋應力是目前廣泛采用的方法之一，但設計認識不足或施工質量缺陷會導致監測成果不理想。對目前普遍采用的差阻式、振弦式和光纖光柵式等3種類型鋼筋計的工作原理、優缺點進行歸納總結，依托貴州省夾巖水利樞紐工程鋼筋混凝土結構中已使用的這3種鋼筋計拉伸試驗數據，研究了這3種類型鋼筋計在其量程范圍內的特性，并探討了通過鋼筋計數據計算混凝土應力的方法，得到不同結構形式中采用鋼筋計的最佳類型，為鋼筋計的工程應用提供了新的思路。

關鍵詞：鋼筋應力;鋼筋計;應力監測;應力計算;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號：TV698.1文獻標志碼：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

鋼筋混凝土結構[1]是土木工程中最為常見的基本構件，其結構性能或承載能力是否滿足工程安全穩定運行的需求，通常通過在其內部埋設鋼筋計長期監測構件應力來實現的。

目前鋼筋計應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、長期運行穩定性佳和可靠度高等優點，適宜在水工環境及高水壓下使用，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果的影響，但遙測距離限制在2 km以內。振弦式儀器[3]利用鋼弦振動頻率隨鋼絲應力變化原理制成，具有精度高、分辨率高、量程大、受環境影響小、可長距離傳輸及自身體積小等優點，但防水能力較脆弱，絕緣度降低時儀器即報廢，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，解調返回波長信息獲取傳感器所在環境溫度、應變的變化，具有精度高、體積小、損耗低和可長距離輸送信息等優點。

然而，由于設計認識不足選型不當或因施工質量缺陷而造成儀器損壞的情況時有發生，導致鋼筋計埋設后無法獲取監測數據。魯布革電站和松子坑水庫的振弦式儀器[2-3]大量失效，正是儀器及電纜進水所致，如果在儀器選型階段就做好相應的調查和比選工作，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生。由于計算方法的選取不當，導致分析結構物應力時，出現較大的誤差而判斷錯誤。采用簡易的彈模比法[5]計算，得出的結果是混凝土拉應力已經遠大于其抗拉強度，實際情況是混凝土并未開裂，而采用邊界變形零法計算結果與實際情況相符，可見正確選取計算方法非常重要。

本文根據夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡稱“夾巖工程”）不同結構物布置的差阻式、振弦式和光纖光柵式3種鋼筋計現場埋設成功經驗和已獲取的大量監測數據，總結上述3種儀器的優缺點。依據現場拉伸試驗數據，研究了其在自身量程范圍內的特性，同時根據已獲取的大量監測數據，對比通過鋼筋計測值計算混凝土應力的方法，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 不同類型鋼筋計特性

1.1 靜態力學性能

根據SL 530-2012《大壩安全監測儀器檢驗測試規程》[6]可知，監測儀器的靜態力學特性現場檢驗項目主要為分辨力、非線性度、不重復度、滯后和綜合誤差。其中，分辨力指在工作范圍內，傳感器所能產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曲線和工作直線間的不一致程度;不重復度指傳感器在不變的工作狀態下，重復給定的某個相同輸入值時輸出值的分散程度;滯后指傳感器在輸入量增加和減少過程中，在同一輸入量時輸出值的差別;綜合誤差指傳感器平均校準曲線和回程平均校準曲線中與工作特性曲線的最大偏差。

現場采用萬能材料試驗機、差阻式儀器讀數儀、振弦式儀器讀數儀、光纖調制解調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進行拉伸試驗，獲取力學性能檢驗成果，詳見表1。

由表1可知，在鋼筋計量程范圍內，不同類型鋼筋計的力學性能均能夠滿足規范要求，但各有優缺點。其中，鋼筋計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，表明差阻式鋼筋計的精度不高;不重復度最大的為振弦式，光纖光柵式最小，表明振弦式鋼筋計的短期穩定性較差;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的綜合性能最優。

1.2 長期工作性能

現場檢驗僅能夠反映鋼筋計自身的短期性能，工程中更為關注的是其長期工作的穩定性、準確性和耐久性，因此需要通過工程現場埋設安裝后的長期觀測數據來判斷各類型鋼筋計的實際應用效果。

夾巖工程中考慮到不同建筑物的功能和環境條件，為監測鋼筋計混凝土結構應力，選擇的鋼筋計類型如下：①水源區泄洪洞、放空洞等洞線不長的洞段襯砌內埋設差阻式鋼筋計;②干渠水打橋隧洞等洞線超長（最長達20km）的洞段襯砌內埋設光纖光柵式鋼筋計;③在邊坡抗滑樁內部布置振弦式鋼筋計。不同類型鋼筋計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種類型的鋼筋計埋設部位和結構物不同，但歷史測值過程線均平順光滑，測值規律性較好，表明這3種類型的鋼筋計長期穩定性均較好。

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

2 鋼筋應力計算混凝土應力方法

2.1 常規計算方法

用鋼筋計實測鋼筋應力換算混凝土應力的常規方法主要有彈模比法、協同變形法和邊界零變形法。

從圖3可知：彈模比法、協同變形法和邊界零法計算的混凝土應力值均遠超過混凝土的抗拉強度，測值偏大，嚴重失真;采用綜合疊加計算法計算的混凝土應力與真實情況更為接近，由于混凝土彈模、徐變等參數參照類似工程實驗數據計算，因此計算值也超過混凝土的抗拉強度，但與現場查看情況基本相符，在該儀器監測斷面的襯砌表面發現數條微裂縫。

3 結 論

（1）通過差阻式、振弦式、光纖光柵式鋼筋計的力學特性和長期穩定性分析可知：振弦式和光纖光柵式鋼筋計適用于高精度、高靈敏度監測;差值式和光纖光柵式鋼筋計適用于對儀器長期穩定性要求較高的結構物應力監測。

（2）利用鋼筋計聯合配套布置的應變計、無應力計觀測數據，采用綜合疊加計算法可計算混凝土應力，計算成果更接近工程實際，明顯優于傳統的彈模比法、協同變形法和邊界零法等計算方法成果。

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（編輯：唐湘茜）