钢筋计在钢筋混凝土结构应力监测中的应用

李国祥 彭浩 张贺 王凯

摘要：在钢筋混凝土结构钢筋上安装钢筋计来监测钢筋应力是目前广泛采用的方法之一，但设计认识不足或施工质量缺陷会导致监测成果不理想。对目前普遍采用的差阻式、振弦式和光纤光栅式等3种类型钢筋计的工作原理、优缺点进行归纳总结，依托贵州省夹岩水利枢纽工程钢筋混凝土结构中已使用的这3种钢筋计拉伸试验数据，研究了这3种类型钢筋计在其量程范围内的特性，并探讨了通过钢筋计数据计算混凝土应力的方法，得到不同结构形式中采用钢筋计的最佳类型，为钢筋计的工程应用提供了新的思路。

关键词：钢筋应力;钢筋计;应力监测;应力计算;夹岩水利枢纽工程;贵州省

中图法分类号：TV698.1文献标志码：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

鋼筋混凝土结构[1]是土木工程中最为常见的基本构件，其结构性能或承载能力是否满足工程安全稳定运行的需求，通常通过在其内部埋设钢筋计长期监测构件应力来实现的。

目前钢筋计应用最为广泛的类型主要包括差阻式、振弦式和光纤光栅式。差阻式仪器[2]利用电阻丝变形与电阻比成正比的原理制成，具有密封性能好、长期运行稳定性佳和可靠度高等优点，适宜在水工环境及高水压下使用，但仪器的分辨率及精度较低，自身笨重，虽采用五芯连接电缆可消除电缆电阻和芯线电阻变差对测量结果的影响，但遥测距离限制在2 km以内。振弦式仪器[3]利用钢弦振动频率随钢丝应力变化原理制成，具有精度高、分辨率高、量程大、受环境影响小、可长距离传输及自身体积小等优点，但防水能力较脆弱，绝缘度降低时仪器即报废，对制造水平要求高。光纤光栅式仪器[4]通过检测布拉格反射峰值波长漂移，解调返回波长信息获取传感器所在环境温度、应变的变化，具有精度高、体积小、损耗低和可长距离输送信息等优点。

然而，由于设计认识不足选型不当或因施工质量缺陷而造成仪器损坏的情况时有发生，导致钢筋计埋设后无法获取监测数据。鲁布革电站和松子坑水库的振弦式仪器[2-3]大量失效，正是仪器及电缆进水所致，如果在仪器选型阶段就做好相应的调查和比选工作，掌握不同类型仪器的工作特性，就可有效避免此类情况的发生。由于计算方法的选取不当，导致分析结构物应力时，出现较大的误差而判断错误。采用简易的弹模比法[5]计算，得出的结果是混凝土拉应力已经远大于其抗拉强度，实际情况是混凝土并未开裂，而采用边界变形零法计算结果与实际情况相符，可见正确选取计算方法非常重要。

本文根据夹岩水利枢纽及黔西北供水工程（以下简称“夹岩工程”）不同结构物布置的差阻式、振弦式和光纤光栅式3种钢筋计现场埋设成功经验和已获取的大量监测数据，总结上述3种仪器的优缺点。依据现场拉伸试验数据，研究了其在自身量程范围内的特性，同时根据已获取的大量监测数据，对比通过钢筋计测值计算混凝土应力的方法，分析其最佳选型方法和布置方式，可为类似工程提供借鉴。

1 不同类型钢筋计特性

1.1 静态力学性能

根据SL 530-2012《大坝安全监测仪器检验测试规程》[6]可知，监测仪器的静态力学特性现场检验项目主要为分辨力、非线性度、不重复度、滞后和综合误差。其中，分辨力指在工作范围内，传感器所能产生可测量的最小输出量变化量;非线性度指传感器平均校准曲线和工作直线间的不一致程度;不重复度指传感器在不变的工作状态下，重复给定的某个相同输入值时输出值的分散程度;滞后指传感器在输入量增加和减少过程中，在同一输入量时输出值的差别;综合误差指传感器平均校准曲线和回程平均校准曲线中与工作特性曲线的最大偏差。

现场采用万能材料试验机、差阻式仪器读数仪、振弦式仪器读数仪、光纤调制解调仪以及配套专用接口，对差阻式、振弦式和光纤光栅式钢筋计进行拉伸试验，获取力学性能检验成果，详见表1。

由表1可知，在钢筋计量程范围内，不同类型钢筋计的力学性能均能够满足规范要求，但各有优缺点。其中，钢筋计分辨力最高的为振弦式，且与光纤光栅式差距不大，最低的为差阻式，表明差阻式钢筋计的灵敏度不高;非线性度最差的为差阻式，振弦式和光纖光栅式相当，表明差阻式钢筋计的精度不高;不重复度最大的为振弦式，光纤光栅式最小，表明振弦式钢筋计的短期稳定性较差;滞后最低的为振弦式，最高的为差阻式，表明振弦式仪器在进程和回程中的同一性较好;综合误差最低为光纤光栅式，表明光纤光栅式钢筋计的综合性能最优。

1.2 长期工作性能

现场检验仅能够反映钢筋计自身的短期性能，工程中更为关注的是其长期工作的稳定性、准确性和耐久性，因此需要通过工程现场埋设安装后的长期观测数据来判断各类型钢筋计的实际应用效果。

夹岩工程中考虑到不同建筑物的功能和环境条件，为监测钢筋计混凝土结构应力，选择的钢筋计类型如下：①水源区泄洪洞、放空洞等洞线不长的洞段衬砌内埋设差阻式钢筋计;②干渠水打桥隧洞等洞线超长（最长达20km）的洞段衬砌内埋设光纤光栅式钢筋计;③在边坡抗滑桩内部布置振弦式钢筋计。不同类型钢筋计历史测值变化过程线和变化幅度对比分别见图1和图2。

从图1可知，虽然3种类型的钢筋计埋设部位和结构物不同，但历史测值过程线均平顺光滑，测值规律性较好，表明这3种类型的钢筋计长期稳定性均较好。

从图2可知，差值式和光纤光栅式钢筋计历史测值的变化幅度差异较小，其长期稳定性较优;振弦式钢筋计历史测值的变幅较为明显，也体现了正弦式钢筋计灵敏度较高特点，与工程施工工况的吻合度高。

2 钢筋应力计算混凝土应力方法

2.1 常规计算方法

用钢筋计实测钢筋应力换算混凝土应力的常规方法主要有弹模比法、协同变形法和边界零变形法。

从图3可知：弹模比法、协同变形法和边界零法计算的混凝土应力值均远超过混凝土的抗拉强度，测值偏大，严重失真;采用综合叠加计算法计算的混凝土应力与真实情况更为接近，由于混凝土弹模、徐变等参数参照类似工程实验数据计算，因此计算值也超过混凝土的抗拉强度，但与现场查看情况基本相符，在该仪器监测断面的衬砌表面发现数条微裂缝。

3 结 论

（1）通过差阻式、振弦式、光纤光栅式钢筋计的力学特性和长期稳定性分析可知：振弦式和光纤光栅式钢筋计适用于高精度、高灵敏度监测;差值式和光纤光栅式钢筋计适用于对仪器长期稳定性要求较高的结构物应力监测。

（2）利用钢筋计联合配套布置的应变计、无应力计观测数据，采用综合叠加计算法可计算混凝土应力，计算成果更接近工程实际，明显优于传统的弹模比法、协同变形法和边界零法等计算方法成果。

参考文献：

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（编辑：唐湘茜）