第七章 应力、应变及温度监测

目录第七章应力、应变及温度监测 (166)第一节应变监测 (166)一、差动电阻式应变计 (166)二、弦式应变计 (167)三、应变计安装 (168)第二节接缝和位移监测 (173)一、差动电阻式测缝计（位移计） (173)二、弦式测缝计（位移计） (174)三、电位器式测缝计（位移计） (175)四、仪器安装 (176)第三节钢筋应力与钢板应力监测 (178)一、差动电阻式钢筋计 (178)二、振弦式钢筋计 (179)三、钢筋计安装 (180)第四节压力监测 (183)一、混凝土压应力计 (183)二、土压力计 (187)第五节锚索（锚杆）荷载监测 (195)一、仪器结构 (195)二、工作原理 (195)三、锚索测力计的安装埋设 (195)四、关于仪器的现场率定 (197)第六节温度监测 (198)一、电阻温度计 (198)二、电阻温度计的使用 (199)第七节仪器的验收、保管与电缆接长 (199)一、验收与保管 (199)二、电缆接长与电缆安装 (200)第八节数据读取 (201)一、人工测量 (201)二、自动测量 (201)第七章应力、应变及温度监测第一节应变监测为了解岩土工程和其他混凝土建筑物的应力分布情况，工程上一般通过安装埋设应变计用于监测建筑物的应变，再通过力学计算来求得应力分布，因而应变计是安全监测的重要手段之一。

从使用环境看，应变计使用相当广泛，即适用于长期埋设在水工建筑物或其它建筑物内部，也可以埋设在基岩、浆砌块石结构或模型试件内。

配合无应力计桶还可作为无应力计使用。

从工作原理上分，国内工程最常用的应变计有差动电阻式应变计和钢弦式应变计两种。

一、差动电阻式应变计1. 仪器结构差阻式系列应变计主要由电阻感应组件、外壳及引出电缆密封室三个主要部分构成，下图所示为250mm标距应变计的结构示意图。

图7-1 250mm标距差阻式应变计结构示意图图中电阻感应组件主要由两根专门的差动变化的电阻钢丝与相关的安装件组成。

弹性波纹管分别与接线座、上接座锡焊在一起。

止水密封部分由接座套筒及相应的止水密封部件组成。

仪器中充有变压器油，以防止电阻钢丝生锈，同时在钢丝通电发热时吸收热量，使测值稳定。

仪器波纹管的外表面包裹一层布带，使仪器与周围混凝土相脱开。

2. 工作原理差阻式应变计埋设于混凝土内，混凝土的变形将通过凸缘盘引起仪器内电阻感应组件发生相对位移，从而使其组件上的两根电阻丝电阻值发生变化，其中一根R1减小（增大），另一根R2增大（减小），相应电阻比发生变化，通过电阻比指示仪测量其电阻比变化而得到混凝土的应变变化量。

应变计可同时测量电阻值的变化，经换算即为混凝土的温度测值。

差阻式应变计的电阻变化与应变和温度的关系如下：ε∆=+Ztbf∆式中：ε—应变量（10-6）；f—应变计最小读数（10-6/0.01%）；b—应变计的温度修正系数（10-6/ºC）；ΔZ—电阻比相对于基准值的变化量，拉伸为正，压缩为负；Δt—温度相对于基准值的变化量，温度升高为正，降低为负，单位ºC。

根据不同要求和不同的使用环境，差阻式应变计有多种型号，表7-1中列出了差阻式应变计的主要参数。

其中，ZS-25、ZS-25M、ZS-25MH型应变计可用于埋入含粗骨料的混凝土结构中。

ZS-25M 为加大弹性模量的应变计，ZS-25MH为加大弹性模量和量程的应变计，供工程中的特种应用。

ZS-15、ZS-15G型应变计埋设在混凝土结构内部，或结构物表面，其中ZS-15G为供特种场合应用的耐高压应变计。

ZS-10、ZS-10G型应变计埋设在小断面混凝土结构内部，通常多配合夹具用于表面安装，其中ZS-10G为供特种场合应用的耐高压应变计。

表7-1 差阻式应变计主要参数二、弦式应变计1. 仪器结构振弦式应变计由两个带O型密封圈的端块、保护管、管内振弦感应组件等组成，振弦感应组件主要由张紧钢丝及激振线圈与相关的安装件构成。

下图所示为150mm标距应变计的结构示意图。

图7-2 150mm标距振弦式应变计结构示意图2. 工作原理振弦式应变计埋设于混凝土内，混凝土的变形将通过仪器端块引起仪器内钢弦变形，使钢弦发生应力变化，从而改变钢弦的振动频率。

测量时利用电磁线圈激拨钢弦并量测其振动频率，频率信号经电缆传输至频率读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到混凝土的应变变化量。

同时由应变计中的热敏电阻可同步测出埋设点的温度值。

埋设在混凝土建筑物内的应变计，受到的是变形和温度的双重作用，因此应变计一般计算公式为：)()(00T T b F F k -⨯+-⨯=ε式中：ε — 被测混凝土的应变量，单位为10-6；ｋ— 应变计的最小读数 ，单位为10-6/ kHz 2； F — 实时测量的应变计输出值，单位为kHz 2； F 0 — 应变计的基准值；ｂ— 应变计的温度修正系数，单位为10-6/ ºC ； T — 温度的实时测量值，单位为ºC ； T 0 — 温度的基准值。

弦式应变计主要有内埋式及表面安装两种，表7-2中列出了弦式应变计的主要参数。

表7-2 VS 系列弦式应变计主要参数三、应变计安装应变计的使用场合很多，可以埋设在混凝土内部，也可安装在结构物表面，其工作情况及施工条件亦不尽相同，所以埋设安装方法也不一样，一般有以下几种安装方式：▪ 用扎带（或铅丝）和铁棒绑扎定位在钢筋网（或锚索）上；▪ 直接插入现浇混凝土中或在已浇混凝土上用支座支杆预装定位后浇入混凝土中； ▪ 预先浇筑在相同材料的混凝土块中，凿毛后埋入建筑物现浇混凝土内； ▪ 埋设在混凝土或岩石试块内； ▪ 作为基岩应变计埋设在槽坑内； ▪ 在浆砌块石结构中埋设在块石钻孔内。

通常，埋设在混凝土中的应变计需配套埋设无应力计，但埋设在岩体中的应变计则无须埋设无应力计。

无应力计是装设于无应力计筒内的应变计，埋设在相同环境的应变计（组）旁（约1米），用于扣除应变计的非应力应变，也可用于研究混凝土的自生体积变形等材料特性。

下面主要叙述差阻式应变计的埋设方法，弦式应变计的埋设方法与此类似。

1. 单向应变计的安装埋设（1）可在混凝土振捣或碾压后，在埋设部位挖槽埋设，并用相同混凝土（剔除粒径大于8cm的骨料）人工回填，人工捣实；（2）埋设仪器的角度误差应不超过1°，位置误差应不超过2cm；（3）仪器埋好后，其部位应做明显标记，并留人看护。

2. 两向应变计的安装埋设（1）可在混凝土振捣或碾压后，在埋设部位挖槽埋设，并用相同混凝土（剔除粒径大于8cm的骨料）人工回填，人工捣实；（2）两应变计应保持相互垂直，相距8cm～10cm。

埋设仪器的角度误差应不超过1°，位置误差应不超过2cm；（3）两应变计组成的平面应与结构面平行或垂直；（4）仪器埋好后，其部位应做明显标记，并留人看护。

3. 应变计组的安装埋设根据混凝土施工方式的不同，一般在常态混凝土中应变计组的埋设与碾压混凝土中应变计组的埋设方法不尽相同，以下分别介绍。

（1）常态混凝土中应变计组的埋设①仪器埋设应设专人负责，运送仪器时要轻拿轻放，埋设仪器要细心操作，保证仪器不损坏和安装位置正确，埋设仪器过程中应进行现场维护。

②根据仪器埋设的数量，备齐仪器（已根据设计施工要求接长电缆）和附件（支座、支杆等），并做好仪器编号和存档工作，同时考虑适当的仪器备用量；③按照埋设点的高程、方位及埋设部位混凝土浇注进度，将预埋件预埋在先浇注的混凝土层内，预埋件杆外露长度应≥20cm（如图7-3（a）），预埋杆可根据需要适当加长，其螺纹部分应用纱布或牛皮纸包裹好，以免砂浆沾污或碰伤；④当混凝土浇注到接近埋设高程时，用适当尺寸的挡板挡好埋设点周围的混凝土，取下预埋件螺纹的裹布，安装支座并固定其位置和方向，然后将支杆套管按设计要求的方向装上支座。

应变计组仪器编号如图7-3(b)所示；⑤将套管上螺帽松开，取出支杆（螺母应套在支杆上）旋入仪器上接座端，拧紧后将支杆套入套管内，将螺帽并紧（见图7-3(c)）；⑥将接好仪器的支杆插入支杆套筒内，借助支杆两端的橡胶圈保证支杆的方向和位置稳定。

⑦按设计编号安装好相应的应变计，应严格控制应变计的安装方向，埋设仪器的角度误差应不超过1°。

定位后将仪器电缆捆扎一起，并按设计去向引到临时或永久观测站；⑧仪器周围的混凝土，应剔除粒径大于8cm的骨料，从周围慢慢倒入仪器附近，并用人工方法捣实；ac图7-3 应变计组埋设⑨ 埋设过程中应进行现场维护，非工作人员不得进入埋设点5m 半径范围以内。

仪器埋好后，其部位应做明显标记，并留人看护。

⑩ 应变计安装埋设完毕后，二小时测1次，至混凝土终凝后改四小时1次测一天，再改八小时一次测一天，再改一天测一次，逐渐减少至施工期正常观测频次。

应变计的观测时间应与相应的无应力计相同。

为减少和避免约束应力的影响，应变计应埋设在浇筑层的中部，该层与上、下层砼浇筑时间间歇不应超过10天。

（2）碾压混凝土中应变计组的埋设对于碾压混凝土施工方法，应变计宜采用挖坑埋设方法。

① 根据仪器埋设的数量，备齐仪器（已根据设计施工要求接长电缆）和附件（支座、支杆等），并做好仪器编号和存档工作，同时考虑适当的仪器备用量；② 由于应变计组的坑埋需采用反向埋设，因此向下垂直90度向、45度向、135度向的应变计需在接长电缆前装上特制的反向接头（如图7-3(d)所示），接长电缆后经测量是正常的再运到现场；③ 按照上一节应变计组附件安装方法，按设计编号安装好相应的应变计。

其中向下垂直向、45度向、135度向的应变计采用特制的反向接头和带有电缆一侧的仪器端座連接，然后接在支座支杆上，反向接头与仪器端座是用螺丝連接或用止紧螺钉止紧。

为了保证测点真正处于“点应力状态”，尽可能縮小成组仪器布置范围（支座支杆加工成8厘米长）。

互成90度水平向两支应变计可以不使用反向接头；④ 可采取两种坑埋方式，一种是在测点处预置80×80×30cm 的预留盒，待第二层碾压后取出预留盒，造成一个80×80×60cm 的预留坑；另一种方式是在碾压过的混凝土表面现挖一个深60cm 、底部为70×70cm 的坑。

将已装在支座支杆上的应变计组倒置，慢慢放入挖好的坑内并定位，所有应变计应严格控制方向，埋设仪器的角度误差应不超过1°，其安装方法如7-4所示；图7-4 碾压混凝土中应变计组反向埋设⑤用相同的碾压混凝土料（剔除粒径大于8cm的骨料）人工回填覆盖，加适量含水泥的水，采用小型振捣棒细心捣实。

测点处周边2m范围不得强力振捣，该处上层混凝土仍为人工填筑，小型振捣棒捣实。

也可在回填混凝土并经人工捣实后，采用1吨人工碾碾压8～10遍；⑥埋设仪器在回填碾压混凝土和碾压过程中，应不断监测仪器变化，判明仪器受振动碾压后的工作状态；⑦仪器引出电缆，集中绑好，开凿电缆沟水平敷设，电缆在沟内放松成S形延伸，在电缆上面覆盖砼的厚度应大于15cm，回填碾压砼也是要剔除4cm以上的大骨料，然后用碾子碾压实，避免沿电缆埋设方向形成渗水途径。