应变片传感器在桩基工程中的应用

来源：职称驿站所属分类：电子技术论文
发布时间：2011-06-23浏览：121次

　　摘要：通过在越南胡志明－油移－龙城高速公路1A标项目试验桩基混凝土中应变片传感器的使用，介绍应变片传感器及其工作原理作，应变片传感器在桩基施工的安装过程及安装时需注意的事项。
　　关键词：应变片传感器、桩基、安装使用
　　1、前言：
　　随着科学技术的迅速发展，各种先进的检测设备和检测技术不断地运用至工程实践中,通过其检测和监控，使得工程施工质量越来越得到有效地监控和保证；特别是项目中意义重大的试验桩基，对其质量监控的是否到位直接关系到对工程设计成果的检验和对工程桩施工的指导。越南胡志明－油移－龙城高速公路1A标项目试验桩基通过在钢筋笼上绑扎应变片传感器（StrainGauge），然后浇筑桩基混凝土，埋入混凝土中的应变片传感器能够在桩基的静载试验（StaticLoadTest）中测量出混凝土的应变，对桩的轴向力进行测算。而应变片传感器的安装是个复杂而细致的工作，安装工作的好坏直接关系到能否成功进行试验。因此在施工中需要有熟练的安装工人进行安装，在安装过程中需要避免一些容易出现的问题。
　　2、应变片传感器
　　2.1、应变片传感器简介：
　　应变片传感器英文全名（ConcreteEmbedmentStrainGages）,主要的型号有4200、4200(HT)、4202、4210等，广泛应用于各种各样的基础工程、桥梁上部、水坝、隧道、大体积混凝土等等工程的检测中。本文介绍的振动式线型应变片传感器由美国著名的GEOKON公司生产。其主要组成部分有：埋入型振动应变片、信号电线、读数装置。详见下图1：应变片传感器：
　　下图中中间一个为4200应变片传感器
　　
　　图1：4200系列应变片传感器
　　2.2、应变片传感器的基本工作原理：
　　应变片传感器的里面是一个具有张力的钢丝线。当桩基在静载试验的加载过程中这根钢丝线在张力下可以伸长，在压力下可以缩短。钢丝线的长度的变化可以改变钢丝线的振动频率。在桩基静载试验过程中，设备将记录这些变化并将这些变化转变成应变的变化，通过应力应变的变化曲线，推算出桩基的承能力。
　　2.3、应变片传感器在桩基中设置目的：
　　设置在桩基中的应变片传感器可以在静载试验过程中测量混凝土在试验荷载作用下产生的应变，根据测出的应变，可以计算出桩基的轴向承载力、沿着桩身的土壤的摩阻力和桩的端承力。应变片传感器测出的数据有助于我们分析加载的过程中孔壁的摩阻力和端承力是怎样发展变化的，同时也可以帮助我们检查摩擦力和端承力是否达到设计要求。
　　2.4、应变片传感器的传点及局限性：
　　优点：4200系列应变片传感器具有振动式金属传感器的优点。例如：良好的长期稳定性；对水的影响有很强的抵抗力；通过每一根预埋信号电线的传输，能够准确地输出信号。传感器的构件全部由防腐蚀的不锈钢组成。传感器是全封闭不透水的。4200和4210型表面有非常粗糙的皱纹以保证在混凝土中位置的准确性。为了能够在读数装置上读出传感器传出的温度，每一个传感器都装有一个电热调节器。其中4200HT高温型能够适用于使用蒸汽养护的混凝土构件中。
　　局限性：此类应变片传感器不适合测量动力变化的应变。
　　2.5、应变片传感器的技术参数：
　　 4200 4200HT 4202 4210
　　标准范围 3000µε 3000µε 3000µε 3000µε
　　精确度 (+－)0.5%FS (+－)0.5%FS (+－)0.5%FS (+－)0.5%FS
　　非线性特性〈0.5%FS 〈0.5%FS 〈0.5%FS 〈0.5%FS
　　温度变化范围 -20OC至+80OC -20OC至+200OC -20OC至+80OC -20OC至+80OC
　　应变片的实际长度 153mm 144mm 51mm 250mm
　　热膨胀系数 12.0ppm/OC 12.0ppm/OC 12.0ppm/OC 12.0ppm/OC
　　阻抗 180Ω 120Ω 50Ω 180Ω
　　电线类型 4蕊铠装电线
　　频率数据 800Hz 800Hz 2600Hz 2600Hz
　　3、应变片传感器的安装过程及注意事项
　　3.1、安装过程：
　　3.1.1、在安装应变片传感器之前，将钢筋笼水平地放在施工场地上，按钢筋笼的施工要求进行摆放。并将每一节笼子进行标记。
　　3.1.2、应变片传感器的位置根据事先设计好的在笼子上的位置处用油漆笔进行标记。传感器沿笼子纵向每隔3米设置一组，在桩基的底端向上1米开始设置第1组，桩基顶端1米向下设置最后1组。
　　3.1.3、安装信号电线：在场地上的钢筋笼上先装上每组应变片传感器的信号电线。在装电线之前，先沿钢筋笼内侧主筋安装一个直径10cm的PVC管。PVC管需与钢筋笼绑扎牢固。按应变片传感器的位置计算出信号电线的长度。
　　3.1.4、首节钢筋笼的信号电线的安装，将电线从第一节钢筋笼的顶端沿PVC管穿至应变片传感器的位置，并固定在应变片传感器的位置，所有富余的长度的电线全部理顺，绑扎成束，以便在钢筋笼下放时随钢筋笼一块下放。
　　3.1.5、下放第一节钢筋笼：按正常的施工程序进行钢筋笼下放。先下放至笼底以上1米处，进行应变片传感器的安装。先用塑料扣将传感器的杆扣牢在钢筋笼的箍筋上。然后将信号线与传感器及读数器进行固定、拧紧。（详见下图2）
　　安装完一个断面后，将钢筋笼徐徐下放3米至下一个断面安装传感器的位置。
　　
　　图2：应变片传感器在钢筋笼上的安装
　　3.1.6、第二节钢筋笼上的信号电线的安装：除首节钢筋笼外，其它各节钢筋笼的信号电线在笼子吊起前，先用一根绳子通过预先绑在笼子上的PVC管由下向上穿过。绳子的一上端通过挂在钢筋笼顶的滑轮控制在施工人员手中，下端连接着前一节笼子的信号线及本节笼子信号线的线束。当钢筋笼下放时，同时抽到手中的线，将信号线束向上拉动，直至前一节笼子下到孔中，本节笼子达到安装应变片传感器的位置。（详见下图3）[!--empirenews.page--]

　　图3：下放钢筋笼时信号线的下放方式
　　3.1.7、安装第二节钢筋笼上的应变片传感器。在PVC管的开口处找到本断面处的信号线头，与应变片传感器杆绑扎，同上述3.1.5中的操作。
　　3.1.8、重复第3.1.6、3.1.7步骤，直至钢筋笼全部下入孔中。
　　3.1.9、浇筑桩基混凝土。按正常的桩基混凝土浇筑施工工艺完成。
　　3.2、安装过程中的注意事项：
　　3.2.1、每个断面上设置的一组两个应变片传感器，需在钢筋笼的直径两端对称布置。如下图4：应变片传感器断面布置图

　　图4：应变片传感器断面图
　　3.2.2、安装信号电线时，为防止信号电线在混凝土浇筑过程受到损坏，所有的信号电线用直径10cm的PVC管保护。PVC管沿钢筋笼的主筋进行绑扎，PVC管从其中的一个应变片传感器相连接。相对面的另一个传感器的信号电线通过直径2cm的塑料软管沿钢筋笼外侧周长连接至PVC管内。（详见下图5：）
　　
　　图5：图中所示保护PVC管另一侧的应变片信号线的塑料管
　　3.2.3、为了不影响桩基混凝土质量，PVC管每隔50cm开一个50cm的半圆形孔，以便混凝土浇筑时全部充满PVC管。（见下图6）
　　
　　图6：间隔一段半开口的PVC管
　　3.2.4、由于应变片传感器是灵感性仪器，故在安装信号电线时不能直接绑在钢筋笼上，需等到钢筋下放时到传感器位置时方可安装传感器并与信号电线相连接。
　　3.2.5、信号电线束在钢筋笼顶部与地面之间需加设一根直径10cm的钢管，并将钢管延长至地面以上1米，以便在保护钢筋笼顶与地面这一段的信号电线束及其上端头不被破坏。如下图7：
　　
　　图7：桩头顶部设置的保护信号电缆的钢管
　　4、应变片传感器的读数装置介绍与及每个断面所受力的计算公式：
　　4.1、应变片传感器的读数装置介绍：
　　读数装置采用现代成熟的GEOKEN系列，读数装置(GK401、GK403和GK404)能够直接反应出4200系列应变器的微应变。本项目中采用的GK403型应变片信号电线读数装置是为在各种条件下所有GEOKON 应变片信号线的读数设计而成。具体的读数装置见下图8：
　　
　　图8：应变片传感器的读数装置
　　4.2、每个应变片所在断面所受的力的计算如下：
　　在静载前，先收集一组应变片传感器的读数作为基本读数，然后开始加载，增加的荷载后产生的应变由下式计算：
　　Δεi=(Ri-R0)*0.975+(Ti-T0)*(C1-C2)
　　式中：Ri：在增加至i级荷载下应变片传感器的读数。
　　R0：应变片传感器的基本读数。
　　0.975：变化系数。
　　Ti：在i级荷载时读数的温度。
　　T0：基本读数。
　　C1：钢筋膨胀系数（12.2E-6/0C）
　　C2：混凝土膨胀系数（10.0E-6/0C）
　　Δεi：增加I级荷载时的应变增量
　　计算出应变增量后，根据应变计算出每个断面在各级荷载作用下的力：
　　Fi=(A砼*E砼+A钢筋*E钢筋)*Δεi
　　计算出在各级荷载作用力下每个断面上的力Fi，即可绘制在i级荷载作用下，设置应变片各个断面所受力的曲线图。通过计算机程序计算，并绘制出本文列举的试桩的各应变片断面图的曲线如下图9：
　　
　　图9：试桩的各应变片断面图的曲线
　　5、结束语：通过在试验桩基中采用应变片传感器，利用应变片的应变读数变化计算出各截面的力，以便很好地检验在每一级荷载作用下桩基各断面的受力情况。为试验的桩基静载试验的结果分析提供了良好的参考依据。
　　参考文献:
　　[1]、美国GEOKON公司《应变片传感器产品说明书》
　　[2]、Mr.DinhTienNguyen,Mr.Fulirong《应变片传感器施工方案》2010.1.16
　　[3]、Mr.DinhTienNguyen《越南胡志明-龙城-油移项目1A标试桩静载试验报告》2010.3.27