差动电阻式应变计鉴定综合评价方法研究

金国光，谢德清

(1.随州市水利水电建筑设计院，湖北随州441300；2.福建省金湖电力有限责任公司，福建将乐 353300)

差动电阻式应变计是大坝、船闸、码头等混凝土结构应力应变监测中常用的埋入式仪器之一，其原理是利用张紧在仪器内部的两根交叉的弹性钢丝作为感应元件，将仪器感受到的混凝土应变量转换为模拟量。当仪器感受到的混凝土应变发生变化时，内部两根钢丝的电阻值R1、R2将发生差动变化，采用水工比例电桥可测量出电阻比(R1/R2)的变化值，从而计算出相应的混凝土应变。

埋入式应变计在长期运行后，仪器将逐渐老化，技术性能和工作状态也会逐步下降，有时甚至出现错误的测值。为此，应对埋入式应变计监测仪器定期进行鉴定，判断应变计技术状态和工作状态是否正常，测值是否反映混凝土应变的实际状态。

对已埋设的应变计进行鉴定，既要对仪器的技术参数进行现场测试，以判断仪器当前性能是否满足技术要求；又要对其长期观测资料进行分析，以判断仪器长期测值的可靠性、稳定性和观测精度。因此，应变计仪器鉴定一般按下列步骤进行：首先在现场对所要鉴定的应变计进行全面测试，然后对应变计长期观测资料进行分析，最后根据现场测试和资料分析结果，对应变计性能作出综合评价。

1 现场测试

1.1 现场测试内容

以四芯电缆接入式应变计为例，用率定合格的数字式电桥按四芯测法进行现场测试，共测试9个参数：应变计的电阻比 Z，反测电阻比 Z'，总电阻 Rs(即 R黑白)，5 个分线电阻R黑红、R黑绿、R红绿、R红白、R白绿以及芯线电阻r。各测试参数之间的关系如下：

电阻比：Z=(R1+r黑)/(R2+r白)

反测电阻比：Z'=1/Z=(R2+r白)/(R1+r黑)

总电阻：Rs=R1+R2+r黑+r白

分线电阻：R黑绿=R1+R2+r黑+r绿

由以上各测试参数，可进一步求得正反测电阻比之和(Z+Z')，仪器的分线电阻R1+r黑、R2+r白、计算电阻比Z计和电缆芯线电阻r白、r绿、r红等，将它们与规定的质量控制指标和正常情况下的测值进行比较，即可判定仪器技术状态是否正常，以及分析产生不正常变化的原因。

1.2 评价标准

1.2.1 各单项指标评价标准

根据上述现场测试参数，按正反测电阻比误差、芯线电阻变差以及绝缘度3个单项指标作为评价指标。各单项指标评价标准如下：

(1)正反测电阻比误差。采用水工比例电桥对四芯线应变计进行测试时，正反测电阻比质量控制标准根据《混凝土坝安全监技术测规范》(DL/T5178-2003)附录E的规定，按下表控制，表中Z为正测电阻比，为反测电阻比。满足表1指标要求的应变计电阻比为合格，反之为不合格。

表1 电阻比质量控制表(×104)

(2)芯线电阻变差。一般地，四芯应变计芯线电阻变化0.01 Ω，就会引起电阻比变化3个，即1:3的关系；此外，规范规定每100 m芯线电阻之间的差值应≤0.05Ω。为统一控制标准，在实际仪器鉴定中设定不管电缆多长，r白-r绿芯线电阻值之差控制在±0.04 Ω，因此，芯线阻值变差的评价标准如下：

(3)绝缘度。用标准兆欧表对每支应变计进行绝缘电阻测试，根据已有工程经验，绝缘电阻按以下评价标准。

R绝≥2 MΩ 优秀

0.1 MΩ≤R绝＜2 MΩ 合格

R绝＜0.1 MΩ 不合格

1.2.2 综合评价标准

根据以上3个单项指标，对应变计的技术状态作出综合评价，评价等级分为5类。

(1)A类——各单项评价指标均达到优秀标准(正反电阻比误差达到合格即可)。

(2)B类——各单项评价指标均应达到合格标准。

(3)C类——有一项评价指标不合格。

(4)D类——虽勉强可测，但测值不可信。有二项或二项以上的评价指标不合格。

(5)E类——测不出或现场找不到的仪器，或无编号的仪器。

2 长期测值可靠性检查分析

2.1 检查分析项目

(1)计算方法检查。应变计实测混凝土总应变按下式计算：

式中，εmi为观测时刻 ti的实测总应变(×10－6)；△Z 为 ti时刻应变计实测电阻比Zi相对于基准时刻t0实测电阻比Z0(基准电阻比)的电阻比增量(0.01%)，即△Z=Zi-Z0；△T为ti时刻应变计实测温度Ti相对于基准时刻t0实测温度T0(基准温度)的温度增量(℃)，即△T=Ti-T0；f为应变计修正灵敏度系数(×10－6/0.01%)，b为应变计温度补偿系数(×10－6/℃)，两者可根据出厂资料查得或根据率定资料获得。

根据式(1)，要计算总应变 εmi，必须具有仪器参数 f、b，必须确定基准电阻比Z0和基准温度T0(基准温度T0由基准电阻R0求的)。因此，在计算方法检查时，因重点检查仪器参数是否正确，基准值是否合理。

(2)配套无应力计检查。应变计实测效应量为混凝土总应变，包括应力应变εi和非应力应变ε0i，即：

通过应变计测值，最终应获得混凝土应力。而混凝土应力是由应力应变εi进行计算的，因此，需要从总应变εmi中分离出非应力应变ε0i。利用无应力计可观测非应力应变ε0i，因此，通常在应变计(组)附近配套埋设1支无应力计，进行配套计算，并结合混凝土徐变资料，求得混凝土应力。

由此可见，当应变计附近没有相应的无应力计时，应变计测值无法计算出最终的混凝土应力。

(3)测值的完整性检查。利用应变计实测资料计算混凝土应变时，应保证测值的连续性和完整性。当测值测缺时段较长时，应力计算成果的精度将受到明显影响。

此外，还应保证应变计和配套无应力计测值的对应性。

(4)观测成果规律性检查。当测值真实反映混凝土实际应力时，观测成果所描述的应力变化过程、应力分布状态等规律性应符合混凝土结构应力变化的一般性规律。

测值规律性一般通过绘制实测应力变化过程线、分布图及相关图等方法进行分析。

2.2 评价标准

根据以上4个单项指标，对应变计的工作状态作出综合评价，评价等级也分为5类。其中仪器参数f、b以及配套无应力计为必备指标，即当应变计没有计算参数f、b，或应变计附近没有埋设配套无应力计时，该应变计工作状态直接评定为E类。

(1)A类——计算方法正确，仪器参数完备，有配套无应力计，测值稳定、完整，监测成果规律性良好。

(2)B类——计算方法正确，仪器参数完备，有配套无应力计，测值基本稳定、完整，监测成果基本能反映混凝土应力的规律性。

(3)C类——计算方法正确，仪器参数完备，有配套无应力计，测值存在较多的尖点或突变，测值序列存在短期缺测，监测成果规律性不强。

(4)D类——计算方法正确，仪器参数完备，有配套无应力计，但测值存在大量的锯齿、尖点或突变，测值序列存在多个较长时段的缺测，监测成果基本无规律性。

(5)E类——仪器参数不完备，或没有配套无应力计，或监测成果明显不合理甚至明显异常，不符合基本物理力学规律。

3 应变计综合评价

根据现场测试和长期观测资料可靠性2个单项指标，对应变计作出最终的综合评价。最终综合评价等级也分为5类，各类评价标准如下。

(1)A类——测试参数优秀，技术状态为A类；仪器测值稳定可靠，工作状态为A类。此时，应变计监测资料可作为大坝安全分析和评价的引用依据。

(2)B类——技术状态不低于B类，工作状态不低于B类。此时，监测资料基本可作为分析和评价的引用依据。

(3)C类——技术状态不低于C类，工作状态不低于C类。此时，监测资料仅能作为分析和评价的参考。对C类仪器，在今后的观测中应予以密切关注。

(4)D类——技术状态不低于D类，工作状态不低于D类。

(5)E类——技术状态或工作状态中，任何一个指标被评定为E类。

对D类和E类应变计，可作封存或报废处理。

4 结束语

(1)对已埋设的应变计进行鉴定，应通过现场测试确定仪器的技术状态，通过长期测值可靠性分析确定仪器的工作状态，然后进行综合评价。

(2)现场测试时，应重点考察应变计的正反测电阻比误差、芯线电阻变差和绝缘度；长期测值可靠性评价时，应重点考察计算参数是否完备、是否具有配套无应力计、测值是否完整以及观测成果是否合理。

(3)应变计现场测试的技术状态评价、可靠性分析的长期工作状态评价以及应变计最终评价结果可以根据相应的标准划分为A、B、C、D、E五类。A、B类应变计的观测成果可作为或基本可作为大坝安全分析和评价的引用依据，C类应变计的观测成果只能作为大坝安全分析和评价的参考依据，D、E类应变计宜作封存或报废处理。

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