浅谈振弦式应变计及其在混凝土工程应用中的问题

2019-01-24左正贾会朝

建材与装饰 2018年49期

左正贾会朝

（1.国家电力投资集团有限公司北京 100033 2.中国电能成套设备有限公司北京 100080）

应变测量是大型土木工程施工与运行的重要组成部分，本文通过对振弦式应变计的量测原理及工程应用的介绍与讨论，并结合相关的试验研究，对振弦式应变计使用过程中可能产生的一些问题进行了讨论。

1 量测原理

应变量测技术已成为水利、土木、机械、石油、船舶、宇航等各学科实验研究的重要手段，目前针对混凝土材料的特点，应变量测主要采用埋入式方法，测量仪器较常采用差动电阻式应变计和振弦式应变计。振弦式应变计于20世纪30年代发明[1～2]，通常包括固定在端块或被测元件之间的钢弦，通过测量张紧钢弦的频率变化来表征钢弦的张力／应变等物理量[1]。其主要优点是精度和稳定性较高，信号不易受干扰（振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号），便于长距离传输，耐震动，且寿命较长[3]，但成本较高。

振弦式应变计工作时开启电源，激振线圈带电激励钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，产生的感应电动势由接收线圈送入放大器放大输出，同时将输出信号的一部分反馈到激振线圈，保持钢弦的振动，这样不断地反馈循环，加上电路的稳幅措施，使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，然后输出与钢弦张力有关的频率信号。

钢弦具有一定的初始拉力T0，因而具有初始频率f0，当应变计被埋入混凝土中后，应变筒随混凝土变形而变形，筒中弦的拉力随变形而变化，利用弦的拉力变化可以表征出应变筒的应变大小。弦的张力与频率关系如式（1）所示：

式中：T代表弦的张力，f代表弦的振动频率，K与弦的长度、单位质量有关。弦的拉力变化用ΔT来表示，则有：

应变计的应变筒与其中的钢弦变形协调，应变增量应相同，设应变增量为ε，则有：

式中：EA为钢弦的轴向刚度。

在应变计出厂前，通过压力机标定，可以给出频率平方f2——应变ε数据点。在计算读数应变前，常常将数据点按式（3）拟合成直线表达式，进而求得各读数频率下的应变值ε，如图1所示。

图1 频率-应变数据拟合曲线示例

在实际测量中，可以测得该时刻的钢弦频率fα，通过的出厂率定f2～ε的线性关系表达式，则可以得到对应的应变值εα。

2 混凝土试验研究

本文基于埋入式振弦应变计，针对混凝土试件进行了试验研究。

试验的混凝土配合比设计如表1所示，浇筑模具采用“骨头”型专制模具，模具尺寸为 19×10×60cm。

表1 试验混凝土配合比

试验中采用埋入式振弦应变计进行测量，具体的参数指标如表2所示。

表2 埋入式振弦应变计性能参数

本次试验在混凝土浇筑入模后、振捣之前埋入振弦式应变计，埋入位置在试件中部，随后开始对试验数据的采集。试件拆模后的布置如图2，试验拆模后未设保养措施。

图2 试验相关照片

3 问题与讨论

通过对振弦式应变计的试验研究，可以发现一些问题。

（1）应变计埋设问题。仪器埋设位置无法保证在振捣过程中保持一致，最后的测值到底反映的是哪一方向的应变，无法准确得知。对于这个问题的解决方案，大部分施工单位采用的做法是借助固定设备，如捆绑钢筋、预浇混凝土试件、钢架固定等，图3所示为实际工程中借助外部钢架对横缝计的固定[4]。但这种方法的缺点就是一旦借助外部固定设备，则很难保证测量的是真实的混凝土工作性态。

本文认为，一种改进的方法是借助外界观测仪器对内埋仪器的位置进行观察，例如土木工程领域技术已较成熟的红外成像法[5～7]，这种方法把目标产生的不可见的红外辐射转换成可见光图像进行显示，已广泛应用于混凝土内部损伤探测。该技术经过一定的研究改进应该可以较准确地确定内部埋置仪器的位置与方向，这样可以得到仪器真实布置方向上的量测应变值，对实际混凝土的工作形态能够较透彻地了解。