振弦式钢筋计在管片-SCC-钢内衬分开受力结构内压加载试验的应用与分析

黄伟杰，林武东，张 彬

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510000)

振弦式钢筋计主要用监测混凝土或其它结构中的钢筋或锚杆应力，例如：建筑、桥梁、大坝、混凝土桩以及芯墙等在钢筋混凝土结构的断面。[1]其构成是由一定长度的高强圆钢，沿其中心轴线钻孔，在钻孔内安装一个微型振弦式应变计，电缆通过压紧接头从应变计中引出，使用振弦式读数仪或数据采集系统可远程读取钢筋或锚杆的力。

1 振弦式钢筋计的安装

1.1 仪器测试

为了保证仪器正常工作，运输期间将钢筋计固定在木箱内，钢筋计在运输过程中受到撞击。钢筋计到达现场后，在现场安装前进行检查测试是否正常工作。检查测试方法如下：

1)检查外观是否平整、光洁、有无锈斑及撞击痕迹，引出电缆护套有无损伤；检查型号、规格、出厂编号、产品合格证、出厂检验报告、使用说明书等。

2)用万用表检测仪器电阻值，在23℃室内温度下，振弦式钢筋计线缆红、黑之间的线圈电阻值大约为180Ω±10Ω，线缆绿、白之间的线圈电阻值约为3000Ω，用读数仪连接仪器，读数应保持稳定并与出厂参数相接近。

3)用压力容器、加压设备、压力表、绝缘电阻表对钢筋计进行防水密封性和绝缘性测试，在1MPa水压力下，检查传感器的输出信号是否稳定，检测各芯线间的绝缘电阻应>50MΩ；用材料试验机、恒温水浴等对钢筋计进行静态特性测试，检验仪器的分辨率、非线性度、不重复度、滞后、综合误差是否符合规范要求。

1.2 仪器安装

振弦式钢筋计安装位置示意图，见图1。

图1 振弦式钢筋计安装位置示意图

钢筋计安装在压力输水盾构隧洞的管片内，在预制钢筋混凝土管片安装，管片在盾构隧洞进行拼装。管片每分块均在内、外弧面各布置了6支振弦式钢筋计，在每块管片跨中部位(设计安装位置)内、外侧环向受力钢筋处安装钢筋计，钢筋计焊接在同一直径的受力钢筋并保持在同一轴线上，焊接采用坡口焊接法，焊接时及焊接后，在仪器部位浇水冷却，使仪器温度≤60℃。焊接时应将钢筋计线缆端部的芯线金属线头部分用绝缘胶布包扎，避免搭接在钢筋网上，以防止焊接时形成回路产生电弧打火而损坏钢筋计。仪器线缆应沿钢筋用尼龙扎线绑扎好引至管片内弧面的孔洞中保护好，避免管片混凝土捣实振动时损坏线缆。

2 管片-SCC-钢内衬结构介绍

管片-SCC-钢内衬分开受力结构位于压力输水盾构隧洞原位试验的第三区间，外衬采用预制钢筋混凝土管片，管片拼装完成后衬砌层外径为6m，内径5.4m，衬砌管片厚度为0.3m，衬砌环宽1.5m。衬砌管片内侧即隧洞上部240°均布排水板，并铺设聚乙烯泡沫板，形成隔离排水层。内衬钢管采用壁厚为16mm的DN4800钢管，钢管外侧每间隔2m设一环加劲环，且在内衬钢管外侧布置钢筋网，钢筋网与加劲环焊接。内衬钢管与排水隔离层之间回填C30自密实混凝土。试验根据管片应力、螺栓应力等实测数据，进行管片刚度反演计算，研究管片-SCC-钢内衬分开受力结构的最大承载能力。

3 内压加载试验过程

管片-SCC-钢内衬分开受力结构原位试验工作压力等级为0.5MPa，水锤压力0.25MPa。考虑到内水压试验在钢内衬里堵头设置困难，且内水压在隧洞内风险较高，为较好地模拟内压这一法向面荷载的作用，在隧洞内部安置高强度的内撑钢管作为反力支架，在内撑钢管反力支架与钢内衬之间，均匀满布橡胶囊体，配合内撑钢管反力支架作为加载装置，囊体和内衬钢管反力架的长度为5m。为安全起见，对橡胶囊体充水以模拟高内水压，同时可以模拟水体重力引起的内水压梯度差异。试验过程中，内压加卸载循环3次，每个循环耗时1d，对所有橡胶囊体同步加水压以模拟均布高内水压。每天进行一次完整加卸载试验，为了平衡加载装置自重和确保全周囊体压力均匀，加载阶段的初始内压控制为 0.15MPa，在每个加载卸载等级的稳压阶段对监测仪器进行数据采集[2-3]。

4 振弦式钢筋计测值数据分析

管片内弧面钢筋应力分布图，见图2；管片外弧面钢筋应力分布图，见图3。

图2和图3为试验加载过程中管片内、外弧面钢筋应力分布图，在内压加载试验进行前，管片内外弧面钢筋计均处于受压状态，钢筋计测值为无内压工况下管片承担外部水土荷载作用后所引起的钢筋应力，选取内压加载试验前测值为初始值0MPa。内压加载过程中，管片内、外弧面钢筋应力相比于初始值0MPa的初始钢筋应力状态的变化幅度较小，内压第3循环钢筋应力测值变化量表，见表1。

图2 管片内弧面钢筋应力分布图

图3 管片外弧面钢筋应力分布图

表1 内压第3循环钢筋应力测值变化量表

在内压加载试验完成后，根据监测断面12支振弦式钢筋计的数据成果，在3个循环的加载试验过程中，监测断面管片的内弧面和外弧面钢筋应力均主要表现为随着内压的增大而拉应力增大趋势；其中内弧面位于L2块的钢筋应力和外弧面位于B2块的钢筋应力变现为轻微受压，受压值≤1MPa；内弧面钢筋应力在3个循坏中增量极值较为接近，位置分别在右拱腰F块和拱底B1块；外弧面钢筋应力在3个循坏中增量极值较为接近，均位于拱底B1块，其余位置钢筋拉应力增量较小。从量值上看，内压达到0.75MPa最高值时，监测断面管片内弧面钢筋拉应力最大增量为4.9MPa，监测断面管片外弧面钢筋拉应力最大增量为9.1MPa。可见，管片内、外弧面钢筋应力状态主要由外水土压力作用决定，内压加载对管片内、外弧面钢筋应力的影响较小[4-6]。

5 结 论

在3个循坏内压加载过程中，监测断面管片钢筋应力内弧面和外弧面钢筋应力均主要表现为随着内压的增大而拉应力增大趋势，内弧面钢筋应力和外弧面钢筋的增量极值都较为接近，位置分别位于右拱腰F块和拱底B1块，钢筋应力受力最大位置位于拱底垫层未覆盖区域B1块，垫层覆盖的上部240°区域范围内的管片钢筋拉应力增量更小，可见，垫层很好地削弱了传递到管片的内压作用，垫层覆盖区管片的钢筋应力受内压作用的影响较小，垫层未覆盖区管片钢筋应力响应较大，但即使内压达到0.75MPa，管片内、外弧面的钢筋应力整体均处于受压状态，充足的安全储备。