振弦式锚索测力计及其应用

振弦式锚索测力计及其应用
1 前言
在岩土工程边坡、地下洞室及其他土木建筑结构中，常采用锚索测力计对锚索的加载及其在时间作用下的预应力变化情况进行监测。

设计人员针对锚索预应力变化情况，及时调整超张拉应力值；施工人员通过对锚索测力计值和张拉应力值进行对比分析，及时调整施工组织方案，确保锚索施工的有效性和科学性。

在分析锚索测力计的作用前需明确的几个概念：
张拉应力值：是指张拉施工时油泵压力表的读数值（Mpa换算成KN）；
锁定应力值：是指张拉完成一个月时（预应力在张拉结束后的一个月内衰减最快，一个月后缓慢衰减，可以认为预应力趋于稳定。

）的测力计测值（换算成KN）；
设计应力值：是指施工完成后，预应力趋于稳定时的期望值（即施工图要求的初始预应力）。

2 预应力损失
在大多数情况下，测力计测值与张拉应力值差异较大，这种不一致性来源于现场安装时采用了不正确的锚垫板的形式及安装方法以及加载装置液压传导、锚具变形和夹片内缩等导致的误差。

这种现象叫做预应力损失，预应力损失一般有以下几方面：
2.1 锚固应力损失（由于锚具变形和夹片内缩引起的预应力损失，为锚固应力损失。

）；
2.2 孔道摩擦应力损失（锚索与孔道壁之间产生的摩擦阻力而引起的应力损失）；
2.3预应力筋的松弛引起的应力损失；
2.4混凝土的收缩、徐变引起的应力损失。

预应力损失理论上通过计算可以得到，这里不在阐述；在施工过程中，通过使用锚索测力计可以有效检验预应力损失和进行预应力长期监测，是一种在国内外被广泛应用的较先进的技术手段，仪器精度远远高于油泵张拉精度。

3 锚索测力计的原理及结构
这里以常用的振弦式锚索测力计为例来阐述，振弦式锚索测力计系一般采用从国外进口的锚索测力计专用弦式传感器，并根据中国的锚具特点进行了改良设计。

其结构原理如图1所示：
图1振弦式锚索测力计结构原理图
振弦式锚索测力计由高强度合金钢制成，其中空承压筒周边上沿均匀布置有多个弦式传感器，作用在承压筒上的荷载可由固定在筒体上的弦式传感器直接测出。

采用多个传感器可以减少或消除不均匀或偏心荷载的影响。

为了确保传感器的可靠固定，采用了点焊或其他技术将传感器牢固焊接在筒体上。

筒体内另外设置了热敏温度计用于测量锚索测力计及现场环境温度。

为了适应现场的恶劣条件，采用了整体密封技术，从而可以确保锚索测力计在2MPa
水压下正常工作。

4 锚索测力计的应用
4.1锚索测力计的安装
振弦式锚索测力计安装，是伴随着预应力锚索张拉进行的，一般工序分为:孔位放样→造孔→穿索→锚固段灌浆→锚索测力计安装→张拉, 锚索测力计安装如图2测力计安装示意图所示，锚索测力计受张拉端锚具作用而同时受力。

图2 锚索测力计安装示意图
4.2锚索测力计的作用
4.2.1有效检验预应力损失
在进行张拉施工之前，必须先进行张拉试验，利用锚索测力计对张拉结果进行记录，并对结果进行分析，对预应力损失的大小和超张拉应力值进行科学的确认，并及时调整，才能保证设计应力值。

(1)检验张拉应力值
一般情况下，油缸压力机在使用前都要进行标定，但是由于现场安装时采用了不正确的锚垫板的形式、安装方法，以及加载装置液压传导等导致的误差，往往压力表不能真实的反映所施加的预应力值，压力表读数可能小于也可能大于真实的预应力值。

从渝怀铁路白沙沱车站的锚索张拉记录（此记录为试验值，不是最后锁定值，锁定值见张拉记录表）可以说明这一问题的存在。

从以上结果分析可以得出结论：测力计值都小于张拉应力值，45#测力计值小于张拉应力值28KN，14#测力计值小于张拉应力值30KN，45#测力计值小于张拉应力值34KN，损失率在3.4%~4.7%之间。

为保证施工达到设计应力值，就必须调整张拉应力值，本次张拉一般调整在3.4%~4.7%之间即可。

(2)检验千斤顶卸载瞬间的预应力损失
在张拉过程中，由于工具锚中的夹片受力，所以工作锚中的夹片不受力；在千斤顶突然卸载的瞬间，所有的荷载立刻施加在工作锚中的夹片上，由于夹片和锚具之间的间隙消失，夹片跟随钢绞线内缩而引起的微小滑移，导致应力损失。

这些变形的大小，随锚具、夹片的类型而异，一般的在3mm~5mm。

在张拉过程中，对由于锚具、夹片的变形而导致的应力损失可以通过锚索测力计来校正。

从渝怀铁路白沙沱车站的锚索张拉记录（此记录为试验值，不是最后锁定值，锁定值见张拉记录表）可以说明这一问题的存在。

从以上结果分析可以得出结论：卸载后测力计值都要损失，45#卸载后测力计压力损失65 KN，14#卸载后测力计压力损失50 KN，35#卸载后测力计压力损失103 KN，损失率在8.2%~10.7%之间。

为保证张拉施工达到设计应力值，就必须调整张拉应力值，本次张拉一般调整在8.2%~10.7%之间即可。

综合以上因素，为保证张拉施工达到设计应力值，45#锚索的张拉应力值应该调整为720 KN*（1+0.037+0.0897）=811.224 KN,14#锚索张拉应力值应该调整为600KN*（1+0.047+0.082）=677.4 KN, 35#锚索的张拉应力值应该调整为960KN*（1+0.034+0.107）=1095.36 KN。

4.2.2检验超张拉值
由于现场安装时采用了不正确的锚垫板的形式及安装方法以及加载装置液压传导、锚具变形和夹片内缩等导致的预应力损失采用超张拉的方法克服,超张拉值一般为设计预应力的5%~10%,其,程序为:
稳压t min
0 mδcon mδδcon
式中 m 超张拉系数,105%~110%
δcon 设计预应力
t min 最小稳压时间,一般大于2min
在施工中,利用锚索测力计可以有效地校验超张拉值,确保锚索预应力损失后能够稳定在设计应力值。

从渝怀铁路白沙沱车站的锚索张拉记录（此记录为试验值，不是最后锁定值，锁定值见张拉记录表）可以说明这一问题的存在。

KN，35#稳定在807 KN，符合设计应力值的要求。

如果损失率大于或者小于20%太多，则应先和设计单位反映，及时调整超张拉值，再进行张拉施工。

4.2.3预应力长期监测
在没有强外力(如爆破)的影响下，锚索的锚固力会基本趋于稳定，并出现周期性的小范围的变化。

锚索锚固力很容易受到外界气温、降水、地质因素（如断层较多，裂隙发育）的影响而频繁地波动。

监测显示锚索的最大与最小锚固力，在每年度出现时间比较一致。

在外界气温较低时导致钢绞线收缩，或者由于降雨的因素导致结构面润滑，抗剪参数及内摩擦角减小，均导致锚索的承载力增加。

在外界气温较高时导致钢绞线松弛，或者由于天气晴朗导致结构面干燥，抗剪参数及内摩擦角增大，由此导致锚索的承载力减小。

对预应力的长期观测，可以为地质部门提供基础资料，正确的判断地质情况，及时的预防和治理地质灾害，避免给国家和人们造成损失。

5 几点说明
5.1正确理解张拉应力值、锁定应力值和设计应力值；
5.2在施工过程中，采用锚索测力计正确制定张拉应力值，使得在预应力趋于稳定后的锁定应力值接近于设计应力值，是本文所期望的目的之一；
5.3认为张拉结束时油泵压力表的读数就是锁定应力值，或者张拉结束时油泵压力表的读数就达到设计应力值的观念是错误的；
5.4锚索测力计对气候和电磁辐射的影响很敏感，使用锚索测力计应尽量避免这些因素；
5.5最好都选在每天同一时间记录锚索测力计值；
5.6最好每次都选相似的天气情况下记录锚索测力计值；
参考文献 1. 璞小龙吴秋英编，《预应力张拉工艺》（第四版），
中国建筑工业出版社，1991年。

2. 梁炯鋆主编，《锚固与注浆技术手册》，
中国电力出版社，2003年。