钢筋计应用中若干问题

储华平，范光亚，赵 阳，周 楷，周克明

（1.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏南京，210012；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；3.南京水利科学研究院，江苏南京，210029）

1 概述

钢筋计是岩土工程中常用的监测仪器之一，常以焊接或螺纹连接方式与受力钢筋或锚杆串接，用来测量钢筋应力。按照传感器测量原理，钢筋计有差动电阻式、振弦式、光纤光栅式等。钢筋计安装方便、成果直观，在厂房、闸墩、输水隧洞、基坑、边坡等部位常常布置很多钢筋计，以监测结构受力情况。在钢筋计工程应用中，其标定设备、安装方法、量程选择、成果计算等，常常存在各种容易发生问题的环节，导致钢筋应力计算成果不符合常理，误导施工。结合多年工程应用经验，结合现行的国家、行业标准，对上述内容深入分析，提出相应解决办法。

2 钢筋计应用中的几个问题

要获取可靠的监测成果，高质量的钢筋计是前提，正确安装、选取基准值是保证，钢筋应力计算成果的合理分析是关键。钢筋计及其检验、安装，在相关的国家、行业标准中都有较全面的规定[1-5]。针对应用中容易出现的问题，分析并提出相应的解决方法。

2.1 标定设备的问题

按照相关技术规范[5]，钢筋计自厂家发到现场后，需要进行检验测试，包括绝缘度、测量范围、静态特性等，以检测钢筋计在运输途中是否出现问题。检验测试规程[3]中，钢筋计的分辨力、非线性度、不重复度、滞后、综合误差等静态特性都有明确的控制指标。

精度低于技术规范要求的材料试验机不能用来检验钢筋计，以免引起误导，甚至损伤钢筋计。相关国家标准与技术规范中，对材料试验机精度要求及钢筋计量程的规定如表1所示。钢筋计静态性能测试需要用到材料试验机，且精度不低于1级[1-3]，该设备价格高、体积大，项目现场不一定会配备。在条件较好的实验室、仪器研制厂家，一般采用电脑控制电液伺服万能材料试验机，基本能排除检测过程中的人为因素影响。在工程第三方检测实验室中，用来检测混凝土试块抗压强度、钢筋屈服强度的材料试验机，精度不一定满足上述要求，由于往往采用手动液压控制加载各档，不同技术人员操作不可避免地存在偶然误差。当采用后者进行钢筋计静态性能测试时，往往会因为加、卸载的误差，导致合格钢筋计的非线性、迟滞误差不能满足规范要求，引起误导。

2.2 稳定性

现场可以根据钢筋计自由状态下测值与出厂检验资料比较，初步判断其是否正常，可以不对钢筋计进行稳定性检测。钢筋计的稳定性包括高温稳定性、长期稳定性。检验测试规程[3]中，差动电阻式钢筋计高温稳定性检验方法是：将钢筋计在＋60℃下持续48 h、在环境温度下稳定24 h，其电阻、电阻比限值分别为±0.1 Ω、±2%FS；钢筋计长期稳定性检验方法是：将钢筋计加载至量程上限恒定8 h、卸载恒定8 h，循环7次，其电阻、电阻比误差限值分别为±0.1 Ω、±2%FS；振弦式钢筋计也有类似规定。该操作过程时间长、要求高，现场执行较为困难。钢筋计的稳定性试验为专项检验，仅在型式试验和有特定要求时进行检测测试[3]，因此项目现场一般可以不做。建议可以根据钢筋计自由状态读数，初步判断是否正常。对振弦式钢筋计，每支钢筋计出厂检验表给出了频率模数与钢筋应力的关系，同时也给出了钢筋计在零荷载时的频率模数，钢筋计运抵现场后自由状态下的读数与该频率模数比较，经过温度修正后，两者之差不应大于25 Hz2[6]。对差动电阻式钢筋计而言，电阻比读数相差超过10×0.01%时[7]，应查明原因，及时与厂家联系。

2.3 灵敏度与量程

钢筋计的量程决定于现场钢筋的屈服强度与直径，并非钢筋直径越大越好。300MPa和400MPa差动电阻式钢筋计在整个受拉量程内电阻比的变化量在500个电阻比（0.01%）左右，每个电阻比对应着钢筋应力的变化，即钢筋计的分辨力，因此钢筋计的量程越大，钢筋应力的绝对测量精度越低。

随着混凝土用钢的相关国家标准的修订，钢筋计的国家、行业标准中，量程也应相应调整，生产厂家应及时研制量程为500 MPa和600 MPa的钢筋计。根据2010年颁布的《混凝土结构设计规范》[8]，以300 MPa级光圆钢筋取代了235 MPa级钢筋，增加了屈服强度为500 MPa级带肋钢筋，该规范自2011年7月1日起实施。国发〔2009〕38号文《国务院批转发展改革委等部门关于抑制部分行业产能过剩和重复建设引导产业健康发展若干意见的通知》中提出，“尽快完善建筑用钢标准及设计规范，加快淘汰强度335 MPa以下钢筋，推广强度400 MPa及以上钢筋，促进建筑钢材升级换代”。因此主流牌号变成了HRB400和HRB500。2018年2月发布、2018年11月1日开始实施的《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》[9]，取消了335 MPa级钢筋，增加了600 MPa钢筋。钢筋计的量程决定于现场受力钢筋的屈服强度，并保持一致。在差动电阻式钢筋计、振弦式钢筋计的国家标准中[1-2]，尚无量程为500 MPa和600 MPa的钢筋计技术指标，应及时修订相关内容，指导工程设计、实施。

表1 相关标准、技术规范中对钢筋计标定设备要求Table 1 Requirements of calibration equipment for rebar strain meter in relevant standards and technical specifications

2.4 钢筋计直径方面的问题

按照差动电阻式钢筋计国家标准[1]，钢筋计的直径有16 mm、18 mm、20 mm、22 mm、25 mm、28 mm、32 mm、36 mm和40 mm，振弦式钢筋计国家标准[2]中，钢筋计的直径比前者增加了10 mm、12 mm、14 mm和30 mm，其中在《混凝土结构设计规范》[8]的附录A“钢筋的公称直径、公称截面积及理论重量表”中没有30 mm直径的钢筋，因此设计中不会有该直径的钢筋，标准[2]中应将该型号的钢筋计删除。钢筋计的直径取决于现场钢筋的直径，两者应尽量保持一致。此外，现场应用中，因为厂家供货、长途运输、设计变更等原因，都可能存在混凝土要施工但钢筋计尚未运抵现场的问题。

按照相关技术规范，钢筋计与钢筋的直径可以不一致，宜采用高一规格的钢筋计代替，此时应修正钢筋计的灵敏度及温度修正系数。《大坝安全监测仪器安装标准》[4]中规定：“当所选择的钢筋计连接杆的直径与钢筋直径差异过大时，应考虑截面积的换算”。《混凝土坝安全监测技术规范》[5]中规定：“尽量按照结构钢筋直径配置相同直径的钢筋计，如果直径不同，应尽量接近，两直径之差不宜大于钢筋直径的10%”。考虑到钢筋拉力极大值，不能用小直径的钢筋计代替大直径的钢筋计。按照文献[5]理解，若25 mm钢筋计缺货，需要用直径不大于25 mm×110%=27.5 mm的钢筋计替代，可按照标准[1]看，最接近的是直径28 mm的钢筋计，但又不满足“两直径之差不宜大于钢筋直径10%”的条件。其他直径的钢筋计也都有同样问题。因此，规范[5]中此项应修改为“宜采用直径大一档的钢筋计代替”。

按照钢筋计、钢筋受力相等的原则，以差动电阻式钢筋计为例，有：

将式（2）代入式（1），

钢筋计的最小读数、温度修正系数应按式（4）修正：

式中：f′、b′分别为修正后的钢筋计最小读数、温度修正系数；f、b分别为出厂钢筋计的最小读数、温度修正系数；△Z、△T分别为电阻比、温度变化量；S1、S分别为钢筋计、钢筋的截面积；σ1、σ分别为钢筋计、钢筋应力。

不同直径钢筋计替代使用时，钢筋计的最小读数、温度修正系数应同时修正。规范[5]规定了按照式（4）修正钢筋计的最小读数f，对温度修正系数b没有说明修正与否。钢筋计的温度修正系数一般为0.06 MPa/℃，按照温度变幅30℃计，此时温度对钢筋的应力影响为1.8 MPa。根据表2和表3，不同直径钢筋计替代的修正系数为1.21～1.65，此时钢筋应力的修正在2.2～3.0 MPa左右，按照钢筋计最小读数为0.7 MPa/0.01%，该部分误差相当于3～4个电阻比的影响，已超过差动电阻式仪器电阻比的测量精度要求。因此，不同直径钢筋计替代使用时，钢筋计的温度修正系数也要根据面积比修正。

用直径大一档的相同量程钢筋计替代，实际钢筋计的精度将有所降低，应尽量避免直径大两档的钢筋计替代。钢筋计的最小读数体现了其测量精度，对于差动电阻式钢筋计，最小读数表示1个电阻比对应的钢筋应力，最小读数越大表明该钢筋计测量精度越低。采用直径高一规格的钢筋计替代时，其最小读数需要进行修正，从表2可以看出修正系数一般在1.21～1.31之间，均值为1.26；当用直径高两档的钢筋计替代时，从表3可以看出其最小读数的修正系数一般在1.49～1.65之间，均值为1.58。对于差动电阻式钢筋计来说，200 MPa和300 MPa的钢筋计最小读数一般分别在0.7 MPa/0.01%和1.0 MPa/0.01%左右，规范中要求该值应小于1.0 MPa/0.01%和1.3 MPa/0.01%[1]，经过上述直径高一档修正系数修正后为0.882 MPa/0.01%和1.26 MPa/0.01%，满足规范要求，高两档的修正系数修正后为1.11 MPa/0.01%和1.58 MPa/0.01%，已经超过规范要求，因此这种情况应避免。

表2 钢筋计与钢筋不同直径的系数修正（一）Table 2 Coefficient correction for diameter difference between rebar strain meter and rebar(I)

表3 钢筋计与钢筋不同直径的系数修正（二）Table 3 Coefficient correction for diameter difference between rebar strain meter and rebar(II)

表4 钢筋计修正后的最小读数（单位：MPa/0.01%）Table 4 Minimum reading of rebar strain meter after correction(unit:MPa/0.01%)

另外，用量程低一档、直径大一档钢筋计替代，用量程高一档、直径小一档钢筋计替代，都应进行以上分析，修正钢筋计的计算参数。采用量程高一档、直径相同的钢筋计替代时，钢筋应力的测量精度将明显降低。

2.5 安装方式

钢筋计采用对接焊、坡口焊、螺纹等方式与受力钢筋连接，现行技术规范中没有提到绑条焊。钢筋计安装的关键是必须将钢筋计和钢筋的中心线保持在同一轴线上。对接焊需要现场配置对焊机，且适用钢筋直径宜小于25 mm。坡口焊要将钢筋计的连接杆、钢筋相应端部加工成45°～60°坡口，需要在钢筋厂现场加工。螺纹连接需要钢筋计生产厂家在钢筋计的连接杆上加工阳螺纹、并配套阴螺纹的连接套筒，钢筋端部现场加工阳螺纹，这种方式不需要电焊机、钢筋计温度不会升高，对保护钢筋计有利。

在混凝土没有出现裂缝时，钢筋计与混凝土处于等应变状态，两者之间不会有相对位移，因此钢筋计采用绑条焊方式与受力钢筋连接是可行的。绑条焊无需专门设备、焊接方便，钢筋计安装时往往采用这种方式。储海宁认为[7]钢筋计和钢筋连接处较为粗大，应用布条或塑料包裹，外涂沥青，使接头处有微小位移的可能，以便受力钢筋将拉力传递到钢筋计上。

2.6 基准值对量程的影响

对于钢筋计的初始值、基准值，水利行业标准比电力行业标准解释得更全面，工程项目中可以参照执行。在电力行业标准《混凝土坝安全监测技术规范》[5]中，钢筋计基准值是安装好后、混凝土浇筑前的稳定测值。水利行业标准《大坝安全监测仪器安装标准》[4]中，定义了监测仪器的起始值、初始值、基准值，起始值指监测仪器在现场零荷载下的测值；初始值指仪器安装后，在既定荷载下，安装影响消除后的测值；基准值指相对于荷载条件的计算起点的测值。钢筋计的初始值取埋设12～24 h后的测值，基准值可以为混凝土初凝后的基准值、下闸蓄水前的基准值、除险加固前的基准值等。

按照现行规范，钢筋计量程为200MPa和300MPa时，表示相对于室内率定时的零值，其受拉量程为200 MPa和300 MPa，实际具备120%的超量程。钢筋计受压量程为100 MPa，按照规范，受压量程在钢筋计的率定过程中不需检验。钢筋计的量程是相对于自由状态下厂家标定时的零值，此时的电阻比或频率模数可以在其率定资料中找到。在钢筋计的工程应用中，安装过程中外界影响、基准值的取值方式、运输途中震动，有可能导致计算成果超过其量程。如图1中，钢筋计的基准值设置在其零值右侧距离a处，这种情况下，钢筋计具备了更多的受压量程，其应力计算值在受压100+a也没有超过量程，钢筋也不会受压破坏。同样，若基准值取在零值的左侧距离a处，钢筋计将具有更多的受拉量程，其应力计算值在受拉300+a时，仍没有超过量程。

图1 钢筋计量程与基准值关系Fig.1 Relationship between range of rebar strain meter and benchmark value

2.7 钢筋计应力成果分析

根据厂家提供的公式计算的钢筋应力，包括钢筋的荷载应力与非荷载应力之和，在资料分析中要克服非荷载应力存在难度。一般认为，在混凝土不出现裂缝时，在外荷载作用下，钢筋混凝土内钢筋与混凝土同步变形，即等应变法：

式中：σS、ES分别为钢筋的应力、弹模；σC、EC分别为混凝土的应力、弹模。

此时，钢筋与混凝土的荷载应力大小与弹模之比成线性关系，且符号相同。但由于钢筋与混凝土的物理特性不同，结构内部常常出现非荷载应力，且两者应力的大小与弹模无关，方向相反。钢筋计的非荷载应力可以由混凝土的热胀冷缩、干缩湿涨、徐变、自生体积变形等原因产生，非荷载应力对钢筋与混凝土的应力影响的特点是两者符号相反，即一个受拉则另一个受压，或反之。

混凝土浇筑后产生水化热，一般2～3 d到最高温度，然后开始降温，此时，混凝土弹模已经较大。温度降低导致钢筋与混凝土都收缩，由于钢筋热膨胀系数要大于混凝土热膨胀系数，正常来说钢筋的收缩量要大于混凝土，按照等应变原理，此时混凝土将阻止钢筋收缩，因此钢筋表现为受拉，混凝土表现为受压。如图2所示，当混凝土后期受环境温度升高影响时，钢筋受热膨胀εs，混凝土受热膨胀εc，两者相互作用下，钢筋混凝土结构最终变形为ε，此时钢筋与混凝土内力平衡，此时钢筋表现为受压，混凝土表现为受拉。温度降低时情况相反。

图2 温度升高时钢筋、混凝土变形关系Fig.2 Relationship between deformations of rebar and concrete when temperature rises

钢筋混凝土构件在浇筑完成的初期，混凝土的干缩是不可避免的，但钢筋没有干缩的特性，因此，钢筋将阻碍混凝土的干缩变形，表现为钢筋受压、混凝土受拉的应力状态，因此浇水养护有利于降低低龄期混凝土内拉应力。大坝蓄水后高程较低部位混凝土发生湿涨，表现钢筋为受拉、混凝土受压的应力状态，改善了混凝土应力情况。

混凝土的徐变、自生体积变形也都影响着钢筋的应力。混凝土的徐变是指在既定持续荷载作用下，其体积逐渐变小的趋势，这种变形不会导致混凝土内产生应力，但钢筋的存在将阻止混凝土自生体积变形，此时钢筋产生压应力、混凝土内产生拉应力。混凝土的自生体积变形一般由埋设在混凝土内的无应力计测得，显示混凝土不受外界荷载的变形情况，一般有收缩型或膨胀型规律，收缩型变形对钢筋应力的影响与混凝土徐变一样，膨胀型则相反。

混凝土的热胀冷缩、干缩湿涨、徐变、自生体积变形等对钢筋应力的影响如表5所列，混凝土的干缩、温度升高、徐变、收缩型自生体积变形是钢筋安装初期非荷载应力导致钢筋计出现压应力的主要原因。

表5 钢筋及混凝土应力的非荷载应力Table 5 Non-load stress of rebar and concrete

为研究混凝土温度、干缩湿涨、自生体积变形和徐变对钢筋计引起的非荷载应力，邵乃辰[10]在直径20 cm、长80 cm的150号混凝土试块内埋设一支ϕ20 mm钢筋计，成型3 d后置于恒温（20℃）、恒湿（相对湿度60%）环境中进行干缩试验，在开始60 d内钢筋计应力增加很快，半年后基本稳定，钢筋计应力达-70 MPa（压应力）。干缩一年后，再放入同温度的水中，混凝土吸水膨胀，钢筋应力迅速下降，半年后剩下-14 MPa。结果表明，实测钢筋计的非荷载应力受混凝土干缩、湿涨影响很大。

3 结语

钢筋计是岩土工程安全监测中常用的一种仪器，在应用过程中应注意以下几点：

（1）钢筋计在标定时，按照国家标准的要求，应采用不低于1级精度的材料试验机，避免检测数据异常，引起误导或损坏钢筋计，工程现场一般可以通过自由状态时钢筋计的测值简单判断其是否异常。

（2）随着国家对混凝土用钢的升级换代，现行钢筋计的国家、行业标准应及时完善，增加量程为500 MPa和600 MPa的钢筋计的技术指标，生产厂家应及时研制这类大量程钢筋计，以适应工程项目的需要。

（3）当钢筋计与受力钢筋直径不一致时，应同时修正钢筋计的最小读数与温度修正系数。为满足规范灵敏度的要求，应避免采用直径高两档的钢筋计替代。

（4）埋设在混凝土内的钢筋计实测成果包括非荷载应力与荷载应力，非荷载应力是钢筋计出现压应力的一个重要原因。