边坡预应力锚索索力检测方法的比较分析

何治辉福建省建筑科学研究院（350000）



边坡预应力锚索索力检测方法的比较分析

何治辉
福建省建筑科学研究院（350000）

摘要：边坡预应力锚索索力直接影响结构的安全性能，索力的完好是确保锚索有效的关键。这里对边坡预应力锚索索力检测的6种方法进行对比分析，主要有锚杆拉拔力检测法、光纤智能锚索法、压力传感法、锚索钢筋计检测法、弹性波测量法和磁通量传感器检测法，主要比较分析的内容包括其测量原理、应用中的优缺点。

关键词：预应力锚索索力；检测方法；对比分析

在新建边坡锚索过程中，必须认真研究锚索索力检测系统，才能为锚索防护的结构安全提供保障。索力检测的主要目的在于对设计假定进行验证，同时监控施工质量和服役安全情况，对已经使用的边坡锚索，要采用相对合适的索力检测方法，保障边坡结构的安全性、适用性、耐久性。当前，较为普遍的锚索索力检测方法包括：弹性波测量法、锚索轴向拉拔力检测法、磁通量传感器检测法、压力传感法、光纤智能锚索法、锚索钢筋计检测法，本文将对此六种检测法进行比较分析。

1　锚索轴向拉拔力检测法

《建筑边坡工程技术规范》是锚索轴向拉拔力检测法的重要参考依据。此检测法主要是对锚索的安装质量进行检测，对锚索的锚固能力进行评判，一般通过卧式油泵加压与穿心式千斤顶联合运用，然后凭借精密的压力表压力或压强转变成可视刻度，进而换算锚索索力值。这个检测法相对简单，使用起来比较方便，一般常用于对施工过程的控制以及调节锚索张拉。

这种检测法的缺点在于，压力表自身的指针偏转较快，容易产生偏位，尤其是在高压环境下，指针振动过于激烈，读数受人为主观因素影响较大，千斤顶的标定也同时存在一定误差。在部分锚固状态下，最大拉拔力和锚固力受到岩体-黏结剂、锚索-黏结剂的刚度影响较大。所以，这种方法并不适用于对运营期的锚索索力动态测量。

2　压力传感法

通过压力传感器测量锚索索力，首先要把圆环形弹性材料与应变传感材料构成穿式压力传感器，并把它设置在锚索的锚具与索孔垫板中间。在张力的影响下，锚具和索孔垫板之间产生压力，并作用于弹性材料，进而产生形变。借助应变传感材料把弹性材料的形变转变为能够测量的电信号和光信号，然后使用仪表进行二次处理，最终测量出索力。基于弹性材料能够和各种敏感元件进行组合，压力传感器的性能受敏感元件直接影响。

压力传感法缺点在于，零点漂移将对测量精度影响较大。促使零点产生漂移的主要原因在于弹性体的应力没有完全释放、材料变形，同时受外界磁场、结构振动的频率、环境温度等各种因素影响较大。此外，传感器和受力结构串接组成，传感器一旦受损，几乎不可能进行修复或更换，况且大吨位的传感器，其制造、标定较难，成本非常高。所以，压力传感法多用于实验室和施工监控阶段，较少运用于长效锚索索力检测。

3　弹性波测量法

频率法索力监测法延伸出了弹性测量法。基于埋入式锚索和空悬锚索的边界条件不同，埋入式锚索不可能对外部锚索的作用而产生振动，只有激励锚头和露出的锚索。所以，把锚头和垫板、垫板和其后的混凝土所接触的面模型化为弹簧支撑架构。试验发现，锚头激振的情况下，对埋入式锚索所形成的振动体系将随着锚固力的变化而变化，而不是一成不变。参与自由振动的质量与锚固力的大小成正比。其原理为：通过激振锤对锚头进行敲击，同时凭借粘贴在锚头上的传感器采集锚头的振动响应，并对锚索的现有张力进行快速而简单地测试，如图1所示。

图1　锚索现有张力测试

弹簧架构的刚性K和张力（也就是有效预应力）关系为正比。此时，通过锚头激振诱发的架构基础，其自振频率f将表示为：

公式中，假设M为常量，则根据测试的基频f，就能够比较容易测出张拉力。

这种方法的缺点在于，测试精度受激振的实际影响较大。虽然安装较为简单且实用，但受太多干扰因素的影响，测量精度较低，所以在实际的工程中运用得相对少。

4　光纤智能锚索检测法

采用FRP-OFBG筋将普通钢绞线的中心进行替换，从而获取光纤光栅智能钢绞线。替换出来的钢绞线和其他普通钢绞线混合使用，形成智能钢绞线锚索，通过等变形的原理检测。为确保FRPOFBG筋和钢圈的黏结能力，确保同步变形，可以在智能筋的表层喷涂环氧树脂或其他黏结剂。

这种方法缺点在于，光纤光栅传感器元件本身没那么坚固，封装时很容易受损，所以，在实际运用中较少采用光纤智能锚索检测法。

5　振弦钢筋计检测法

振弦式钢筋计一般设置在锚索上，当钢筋受到作用力时，则发生变形，促使钢筋上仪器内的钢弦产生变形，从而产生应力变化，最终钢弦的振动频率发生变化。通过电磁线圈激励钢弦，然后对其振动频率进行测量，频率信号借助电缆传输到频率读数设备或数据采集系统，进行换算后获得钢筋的应力变化量。与此同时，钢筋计里的热敏电阻将对埋设点的温度值进行同步测量。

由于振弦式感应部件、热敏电阻、连接杆、钢套、电缆和密封组件等构成钢筋计，振弦式应变计是钢筋计的感应部件［1］。所以这种方法对焊接工艺具有非常高的要求，焊接质量将对测量精度有着直接影响。假如焊接温度过高，将对仪器造成损坏。

6　磁通量传感器测量法

磁通量传感器的制作原理是，外力作用于铁磁材料，致使其内部出现机械应力或应变，然后测定磁导率的变化，进而反映出应力变化情况。在一定温度下，铁磁材料内磁导率和应力的变化为直线关系，通过铁磁材料的磁导率应力关系曲线，能够对铁磁材料的内力进行直接测量，这就是磁通量传感器的测量原理。磁通量传感器由激励和测量两层线圈构成。当脉冲电流通入激磁线圈，将铁磁材料进行磁化，在钢芯试件纵向将产生脉冲磁场。通过相互感应，感应电压就会出现在测量线圈中，感应电压和所施加的磁通量成正比。对于同一种铁磁材料，通过实验室对多组应力和温度环境下进行实验，建起磁导率变化、结构应力以及温度的关系，便可对该种材料制作而成的构件内力进行测定。

这种方法几乎没有任何过于明显的缺点，且结实耐用是磁通量传感器测量法的最大亮点。而且，其制造器材不容易损坏，为非接触测量方法，里面设置有温度传感器，能够随时补偿温度，从而确保测量的精准度，对预应力锚索的长期检测非常有效。

7　结语

在对锚索索力的6种检测方法进行比较分析后发现，锚索轴向拉拔力检测法较为简便，且直观，不过必须有足够的空间和平台，测量精度不太高。压力传感法在较短的时间内测量得出的精度较有保障，而长时间内并不大适用，因为受到弹性体材料的形变和敏感元件零点漂移的影响较大，测量的精度难以得到保障。弹性波检测法是一种相对简便的检测方法，但容易受到太多因素的干扰，对测量精度的影响较大，精度也难以保障，导致在实际工程测量中运用较少。光纤智能锚索检测法耐腐蚀，传感精度高，抗干扰能力较强，但是温度补偿方法局限性较大，直接影响了光纤智能锚索检测法实际工程中的应用范围。锚索钢筋计检测法安装较为复杂，容易造成锚索本身结构的损坏，随着时间的变迁，测量精度也容易受材料形变的影响，进而逐步减低。磁通量传感器测量法精度高，耐久性好，寿命长，不容易受损，是没有进行直接接触的测量方法，可以对边坡锚索的安全寿命周期进行长期有效的监测，其应用前景非常可观。

参考文献：

［1］张永安，李峰.边坡锚索预应力长期监测成果分析［J］.工程勘察，2010，（03）：11- 14.