一种用于大坝水库边坡内部振弦式应变计组

1用途

多向应变计组适用于长期埋设在水工结构物或其它混凝土结构物内，测量结构物内部各个方向上的应变量，并可同步测量埋设点的温度。

应变计按方向和支数安装在应变计安装支座上，组成多向应变计组，用于测量大体积混凝土中各方向的空间应变量(应力)。多向应变计组具有参数识别功能。

2规格及主要技术参数

  应变测量范围  压缩 1500με 拉伸 1500με

灵敏度k      ≤0.5με

拟合精度       ≈0.1%F.S/0.5%F.S

测温范围   -40℃～+80℃

灵敏度   ±0.1℃

测温精度   ±0.5℃

修正系数b ≈13με／℃

弹性模量 Eg    300MPa～800MPa

耐水压        ≥1MPa

绝缘电阻       ≥50MΩ

成组仪器支数 1支～9支

注：频率模数F=Hz2×10-3

3结构及工作原理

3.1结构

振弦式应变计组由若干支应变计、安装支杆和支座等组成。

3.2工作原理

当被测结构物内部因应力发生变化时，应变计同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部各个方向上的应变量。同步测量埋设点的温度值。

3.3计算方法

a) 当外界温度恒定应变计仅受到轴向变形时，其应变量ε与输出的频率模数△F具有如下线性关系：

                             ε= k×△F

                            △F = F - F0

式中：ε—应变计的测量值，单位为10-6；

k—应变计的测量灵敏度，单位为10-6/F；

     △F—应变计实时测量值相对于基准值的变化量，单位为F；

       F—应变计的实时测量值，单位为F；

       F0—应变计的基准值，单位为F。

b) 当应变计不受外力作用时(仪器两端标距不变)，而温度增加△T时，应变计有输出量△F´，这个输出量是由温度变化而造成的，因此在计算时应给以扣除。可知△F´与△T具有下列线性关系：

                         ε´= b×△F´+ b×△T = 0

                       k△F´= -b×△T

                        △T = T - T0

式中：b—应变计的温度修正系数，单位为10-6/℃；

    △T—温度实时测量值相对于基准值的变化量，单位为℃；

      T—温度的实时测量值，单位为℃；

     T0—温度的基准值，单位为℃。

c) 埋设在水工结构物或其它混凝土结构物中的应变计，受到的是变形和温度的双重作用，此时的温度修正系数为应变计的温度修正系数与被测结构物的线膨胀系数之差，因此应变计一般计算公式为：

           εm = k×△F + b′×△T = k×(F - F0)+ (b -α)×(T - T0)

式中：εm—被测结构物的应变量，单位为10-6；

       α—被测结构物的线膨胀系数，单位为10-6／℃；

混凝土的线膨胀系数通常取值为:α=8～12×10-6/℃。

d) 应变计的计算工程值乘以被测物的弹模可得被测物的应力。

σ=(k×(F-F₀) + (b-α)×(T-T₀))×E

4埋设与安装

混凝土内部应变计组的安装需要用支座支杆，将多支应变计按设计要求的数量和方向固定在支座支杆上，保持正确的位置和方向，仪器观测电缆要集中引线和埋设。

步骤如下：

4.1造坑

方法1：施工中当混凝土浇筑达到设计埋设应变计组的高程后，根据应变计组的埋设位置，挖一个深0.6米，1.2米左右见方的坑，剔除大于8cm的骨料，底部平整出一个混凝土基座面，然后将应变计组安装支座的定位锚杆预埋好。

方法2：施工中当浇筑离设计埋设应变计组的高程相差0.2m左右时，在埋设仪器的位置做厚为200mm的混凝土基座面，用一无底轻型木板箱（1.2米×1.2米×0.6米），框住应变计组的埋设位置，将装上支座的定位杆插入设计位置固定。然后在该木板箱周围浇筑混凝土，并随混凝土的升高而逐渐提升木板箱，直至浇筑层达到浇筑高程后取出木板箱。

4.2安装支座支杆和应变计

安装应变计组支座前应先固定定位杆，预埋定位杆的作用是固定支座的位置和方向，支座支杆的作用是固定应变计的位置和方向。支杆的数量和方向按设计要求安装和调整，随后将应变计按设计编号的顺序安装在支杆上，应变计安装要牢靠，在安装应变计时应手握应变计前端法兰盘旋转，切不可手握应变计其它部位用力旋转。

安装要求保证应变计组支座支杆的方向和角度，应变计的安装角度误差不得超过设计要求的±1°

4.3回填混凝土

应变计组安装完成后要及时核实每支应变计是否完好，如有损坏应及时更换。

当观测电缆引出后，用人工将混凝土回填到仪器的周围并仔细捣实，回填时应及时校正仪器的方向和角，回填混凝土直至略高出坑口后即完成埋设。将埋设区安放保护标记，直到混凝土凝固后才能撤除，以防应变计组人为扰动。

4.4埋后工作

应变计组埋设就位后应及时测读仪器，根据仪器编号和设计编号作好记录并存档，严格保护好仪器的引出电缆。

4.5选取基准值

应变计组的测量值为实时测量值相对于基准值的变化量，所以基准值选取的准确与否，将直接影响到测值的准确性。

在外荷载变动不大选取相同时间、稳定气温的3次相近的读数，经平均后做为基准值，应变计组安装在混凝土中应选取水化热过后的测值。基准值选定后应做好记录，作为计算的基准值。

为使基准值取的更准确，可将以上操作重复进行两次，如果两次测值基本相同(误差≤0.5％F.S)，则证明基准值取值正确。应变计组的测量值出现偏差时，可用以上方法重新校准基准值。

5测量

现场测量应变计用智能读数仪，将测量线一头连接读数仪，测量线另一头的各色夹子对应连接应变计的输出电缆， 黑、红测频率，白、绿测温度。应变计内附有智能识别芯片，其内存贮有该应变计的编号、标定系数K、温度修正系数b等信息。用读数仪测量时会自动将识别信息读出，顺序存入读数仪内，通讯给计算机，方便快速统计计算及查询，使测量工作实现人工智能无纸化操作。

工程现场多支应变计电缆被意外挖断，仅用读数仪测量一遍，就可自动识别出每支应变计所对应的编号及身份信息。

6 应变计故障检查

当应变计测量出现故障时，可用万用表检查应变计电缆芯线间的电阻值，其正常状况红、黑芯线电阻值通常为300Ω左右；绿、白芯线电阻值在温度25℃时应为3kΩ左右；红、黑线对绿、白线或对屏蔽线(裸线)间绝缘电阻值应﹥50MΩ(测量绝缘电阻时可使用100V 直流兆欧表，万用表测量绝缘电阻应用MΩ档，其值应为无穷大∞)。

7埋设步骤小结：

1)造坑：在埋设高程，埋设位置，造一个1米见方深0.5米埋设坑。

2)埋设锚杆：在坑底中心埋设锚杆。

3)安装支座：锚杆固定后，将支座底部与锚杆螺纹连接并旋紧。

4)安装支杆：按设计的方向和数量安装支杆。

5)安装应变计：将应变计底部(无电缆端)与支杆螺纹连接，手握底部法兰盘旋紧。

6)固定方向：按设计要求调整应变计组方向，人工回填混凝土固定应变计组。

7)接长电缆：将应变计电缆接长，引出坑口按要求汇集、敷设、保护。

8)记录档案：埋设位置编号，各向应变计的型号、编号、方向，埋设前、后读数等。

9)回填混凝土：人工逐级回填混凝土，并人工捣实至坑口。