埋入式振弦传感器的埋设影响研究_吕文龙.pdf

学术研究学术研究 2023 年 第 44 卷 第 1 期 自动化与信息工程 15*基金项目：住房与城乡建设部科技计划资助项目（2017-k10-006）本文引用格式：吕文龙,许勇,沈仁良.埋入式振弦传感器的埋设影响研究J.自动化与信息工程,2023,44(1):15-21.LYU Wenlong,XU Yong,SHEN Renliang.Research on the influence of embedded vibrating wire sensorJ.Automation&Information Engineering,2023,44(1):15-21.埋入式振弦传感器的埋设影响研究*吕文龙1 许勇2 沈仁良2（1.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 510000 2.广州大学土木工程学院，广东 广州 510000）摘要：针对埋入安装的振弦式传感器设计传感器变异性试验，研究直接绑扎法、预制块嵌入法、8 字型扣件法、接长杆安装法、焊接法 5 种混凝土应变计和钢筋替换法、姐妹杆等效法 2 种钢筋应力计埋设方法的埋入影响，并对比埋入安装的振弦式混凝土应变计和振弦式钢筋应力计的测量情况。结果表明：1）在 5 种振弦式混凝土应变计的埋设方法中，预制块嵌入法埋设效果最好，单位荷载下的应变变异系数为 4.97%；接长杆安装法、焊接法埋设效果较好，单位荷载下的应变变异系数约为 10%；直接绑扎法、8 字形扣件法埋设效果相对较差，单位荷载下的应变变异系数在 20%以内，可作为补充或相互验证手段；2）2 种振弦式钢筋应力计埋设方法钢筋替换法和姐妹杆等效法，单位荷载下的应力变异系数分别为-5.48%和-5.55%，埋设效果比较理想；3）振弦式混凝土应变计的预制块嵌入法和振弦式钢筋应力计的钢筋替换法、姐妹杆等效法埋设效果最佳，但预制块嵌入法操作繁琐，在工程上难以广泛应用，故振弦式钢筋应力计更适用于桩身内力的测试。关键词：振弦式传感器；变异系数；埋设方法；混凝土应变计；钢筋应力计；变异性试验 中图分类号：TU67 文献标志码：A 文章编号：1674-2605(2023)01-0003-07 DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.01.003 Research on the Influence of Embedded Vibrating Wire Sensor LYU Wenlong1 XU Yong2 SHEN Renliang2 （1.Guangdong Provincial Academy of Building Research Group Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,China 2.School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510000,China)Abstract:In view of the sensor variability test of the embedded vibrating wire sensor design,the paper studies the embedding effect of five concrete strain gauges,namely,the direct binding method,the prefabricated block embedding method,the 8-shaped fastener method,the extension bar installation method,the welding method,and the reinforcement replacement method,and the sister bar and other effective methods,and compares the measurement of the embedded vibrating wire concrete strain gauge and the vibrating wire reinforcement stress gauge.The results show that:1)Among the five embedding methods of vibrating wire concrete strain gauge,the embedding method of prefabricated block has the best effect,and the strain variation coefficient under unit load is 4.97%;The installation method of extension rod and welding method have good embedding effect,and the strain variation coefficient under unit load is about 10%;The burying effect of the direct binding method and the 8-shaped fastener method is relatively poor,and the strain variation coefficient under unit load is within 20%,which can be used as a supplementary or mutual verification method;2)Two kinds of vibrating wire reinforcement stress meter embedding methods,reinforcement replacement method and sister bar equivalent method,the stress variation coefficient under unit load is 5.48%and 5.55%respectively,and the embedding effect is relatively ideal;3)The precast block embedding method of vibrating wire type concrete strain gauge,the reinforcement replacement method of vibrating wire type reinforcement stress gauge and the sister bar equivalent method have the best embedding effect,but the precast block embedding method is cumbersome and difficult to be widely used in engineering,so the vibrating wire type reinforcement stress gauge is more suitable for the test of pile internal force.16 Keywords:vibrating wire sensor;coefficient of variation;embedding method;concrete strain gauge;steel bar stress meter;variability test 0 引言 埋入安装的振弦式传感器具有稳定性好、精度高、抗干扰能力强等特点，被广泛应用于检测等领域。目前，其在桩身内力测试中的应用是较为热门的研究方向，研究手段主要有模型试验、数值模拟、工程试验等。杨文生等1通过工程实例总结性地介绍了电阻应变式传感器、振弦式传感器、光纤光栅传感器在桩身内力测试中的适用性及数据分析过程。范玉明等2通过在桩身全长范围内布置振弦式钢筋应力计，对2 根抗拔试验桩进行了内力测试，结果显示2 根试验桩的数据具有较好的一致性。吴跃东等3基于某试验桩测试工程，从保护钢筋应力计不受成桩过程破坏的角度出发，介绍一套适用于预应力管桩成桩过程中钢筋应力计的安装工艺。张松等4使用钢筋应力计测量桩基内力，列举可能产生误差的因素，并通过消除引入的物理常量、估测孔径和设置应力计位置等方法，对试验结果误差进行分析和适当修正，得出较为客观、准确的桩身内力图。以往文献对振弦式传感器在桩身内力测试中的应用研究较多5-7，但在传感器选用及埋设安装方面8，仍缺乏深入讨论。本文针对埋入安装的振弦式混凝土应变计和钢筋应力计设计传感器变异性试验，研究不同振弦式传感器多种埋设安装方法的测量效果。1 传感器埋设方法 常用的振弦式传感器有混凝土应变计和钢筋应力计。其中，混凝土应变计常用的埋设方法有直接绑扎法、预制块嵌入法、8 字型扣件法、接长杆安装法、焊接法等；钢筋应力计常用的埋设方法有钢筋替换法和姐妹杆等效法等。1.1 振弦式混凝土应变计埋设方法 1.1.1 直接绑扎法 直接绑扎法将振弦式混凝土应变计用扎带或细扎丝捆绑在结构钢筋上，如图1 所示。扎带或细扎丝捆绑在应变计两端，切勿捆绑在应变计套管上；捆绑力度宜适中，勿使用蛮力。图 1 直接绑扎法 1.1.2 预制块嵌入法 预制块嵌入法将振弦式混凝土应变计提前浇筑在合适尺寸的混凝土中，制成预制块，并固定在待测位置。在制作预制块时，设好定位钢筋，以便准确固定预制块，如图2 所示。(a)剖面图 (b)实物图 图 2 预制块嵌入法 捆 绑 区 域 定位钢筋 振弦式混凝 土应变计 吕文龙 许勇 沈仁良：埋入式振弦传感器的埋设影响研究 2023 年 第 44 卷 第 1 期 自动化与信息工程 17 1.1.3 8 字型扣件法 8 字型扣件法在振弦式混凝土应变计的埋设位置，将应变计和受力主筋用扣件直接固定，扣件固定的位置用一层自硫化橡胶带缠绕包裹，用于缓冲悬挂系统的振动，如图3 所示。图 3 8 字型扣件法 1.1.4 接长杆安装法 接长杆安装法在振弦式混凝土应变计两端焊接一段钢筋作为接长杆，埋设时直接将接长杆固定即可，如图4 所示。这种安装方法适用于比较复杂的工程状况，如在待测位置附近没有能够固定应变计的物体时，接长杆能接触到更远位置的固定物。图 4 接长杆安装法 1.1.5 焊接法 为避免焊接时高温损坏传感器，首先，将特制的安装模管两端平齐地装入安装座；然后，将带有模管的安装座焊接到待测部位；最后，焊接冷却后，拆下模管，装上振弦式混凝土应变计。此外，模管的安装长度与传感器的标距相同，以便较好地定位2 个安装座之间的距离，防止距离不合适导致振弦式混凝土应变计无法安装的情况，如图5 所示。(a)安装模管齐平装入安装座 (b)焊接冷却后，拆下模管，装上应变计 图 5 焊接法 1.2 振弦式钢筋应力计埋设方法 1.2.1 钢筋替换法 钢筋替换法是将受力主筋部分截断，采用焊接的方法把振弦式钢筋应力计替换上去，如图6 所示。图 6 钢筋替换法 1.2.2 姐妹杆等效法 姐妹杆等效法在钢筋应力计两端用一小段钢筋作为垫块，先将垫块焊接在主筋上；再将钢筋垫块与钢筋应力计焊接，如图7 所示。18 图 7 姐妹杆等效法 2 试验方法 本试验采用 C30 混凝土和 HRB335 钢筋制备 7个300 mm300 mm900 mm 的钢筋混凝土试件，钢筋弹性模量为200 GPa。分别采用上述埋设方法，在试件中间截面均匀布置4 个振弦式传感器。试验装置如图8 所示。图 8 试验装置图 试验在广州大学抗震中心进行，采用200 吨液压伺服加载装置对试件进行轴心受压试验，试验分级加载。为减小混凝土刚度变化对试验结果的影响，试验最大压应力控制在抗压强度的 0.5 倍以内。本试验的最大荷载为1 120 kN0.5301030.3