唐付林　張建民　張　碩　許鵬程

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱　150040)

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自制穿心式壓力傳感器在預(yù)應(yīng)力橋梁工程中的應(yīng)用

唐付林張建民張碩許鵬程

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150040)

通過對自制穿心式壓力傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點和穩(wěn)定性測試三個方面的闡述，結(jié)合具體試驗項目，探索了自制穿心式壓力傳感器在橋梁工程中的應(yīng)用價值，試驗結(jié)果表明：自制穿心式壓力傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、適應(yīng)性強，可用于橋梁預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的張拉應(yīng)力控制，降低施工難度，節(jié)約了工程成本。

橋梁工程，壓力傳感器，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，張拉應(yīng)力

隨著現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力發(fā)揮的作用越來越大，為橋梁結(jié)構(gòu)向著更大跨度、更小截面、更高承載力等方面做出了巨大貢獻，具有不可替代的作用[1]。但是在實際施工過程中，橋梁箱梁中預(yù)應(yīng)力筋張拉應(yīng)力控制、橋梁懸索拉力控制等等往往較理論要求有一定差距，其結(jié)果直接對橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生一定影響[2，3]。因此，采用一些精確儀器來準(zhǔn)確測量預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的有效預(yù)應(yīng)力，觀測其預(yù)應(yīng)力隨時間的損失具有非常重要的意義。目前，測量預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)力的方法主要有電阻式壓力傳感器法、電阻應(yīng)變片法、振弦式壓力傳感器法、光纖光柵應(yīng)變式壓力傳感器法、振動頻率法、電磁測量法[4]。其中又以電阻式壓力傳感器法最為常用，它具有儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單、較高的精度、良好的線性數(shù)據(jù)特性、抗干擾能力強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)、船舶等等[5]。然而，在預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)的施工過程中，施工人員采用市場購買的成品電阻式壓力傳感器不一定能夠適應(yīng)現(xiàn)有實際施工條件，其存在的主要問題有：1)市場上成品電阻式壓力傳感器或其他類型傳感器均為具有獨立知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，價格一般較高，在預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場需求量較大的情況下，外加與電阻式壓力傳感器相配套的設(shè)備，其成本往往較大。2)電阻式壓力傳感器，通常處于一個非常高壓力的狀態(tài)下，外加施工現(xiàn)場使用條件惡劣，因此，容易造成比較嚴(yán)重的損耗，一旦發(fā)生故障，往往需要郵寄回相應(yīng)公司，再由他們進行檢測，調(diào)試，處理時間較長，費用高，不利于施工項目的進行。3)由于實際施工條件復(fù)雜，普通型號的壓力傳感器不一定能夠滿足工程需要，例如對跨度較大的T梁采用不常用的大直徑鋼絞線，或者對多股鋼絞線同時張拉等實際中常常出現(xiàn)的情況，普通穿心式傳感器的內(nèi)徑就不一定能夠滿足要求。如何有效應(yīng)對這些實際問題對橋梁設(shè)計、施工及安全維護等都有很大的指導(dǎo)與實用意義。而自制穿心式壓力傳感器能夠顯著的解決上述問題，基于自制的自由性，在預(yù)應(yīng)力橋梁工程的施工過程中，可以依據(jù)實際現(xiàn)場條件如場地限制、荷載要求、傳感器內(nèi)徑要求等來設(shè)計相應(yīng)的壓力傳感器，還能夠節(jié)約工程成本，加快工程進度。因此，對自制穿心式壓力傳感器本身性能的測試以及在實際工程項目中的探索式應(yīng)用具有非常重要的意義，為該項技術(shù)在實際工程項目中的服務(wù)提供應(yīng)用素材或者理論基礎(chǔ)。

1　工作原理

自制穿心式壓力傳感器為在筒壁的縱向和橫向分別粘貼有電阻應(yīng)變片制成，并采用惠斯登路橋進行全橋電路連接，見圖1。根據(jù)基爾霍夫定律，輸出電壓UBD與輸入電壓U的關(guān)系如下：

當(dāng)R1=R2=R3=R4時，即四個橋臂電阻值相等時，稱為等臂電橋，此時輸出電壓UBD=0。

由此可見，橋路輸出公式中的符號變化將輸出信號放大了2(1+μ)ε倍，提高了測量靈敏度，溫度補償自動完成，并且能夠消除讀數(shù)中因為軸向偏心力引起的影響[6]。

2　傳感器的標(biāo)定和穩(wěn)定性測試

為驗證自制穿心式壓力傳感器的穩(wěn)定性，試驗根據(jù)不同荷載大小設(shè)定了四組壓力傳感器，并分別在室溫20 ℃時進行了100次的標(biāo)定，以CGQ-200傳感器為例，樣品外觀見圖2，自制穿心式壓力傳感器設(shè)計方案見表1，傳感器試驗結(jié)果見表2～表5。

表1　自制穿心式壓力傳感器設(shè)計方案

由表2～表5可知，本次自制四種荷載形式的穿心式壓力傳感器在第100次加載的情況下，穩(wěn)定性非常好，變異誤差不大于5%，且傳感器數(shù)據(jù)變異情況均有隨著荷載的增大減小的趨勢。因此，自制穿心式壓力傳感器的穩(wěn)定性是可靠的，可應(yīng)用于實際工程。

表2　CGQ-50壓力傳感器試驗結(jié)果

試驗次數(shù)擬合公式擬合度指標(biāo)R220kN30kN40kN50kNN20y=0.1272x+0.20641155.610234.226312.843391.459N40y=0.1276x+0.22320.9999154.990233.360311.730390.100N60y=0.1281x+0.19711154.589232.653310.717388.781N80y=0.1283x-0.32920.9999158.450232.189310.131388.073N100y=0.1283x+0.21020.9996154.246232.188310.131388.073δ——0.0110.0070.0050.005注:NXX表示為第XX次試驗;δ為變異系數(shù),反映同一荷載下,不同試驗次數(shù)時,傳感器的數(shù)據(jù)突變情況

表3　CGQ-100壓力傳感器試驗結(jié)果

表4　CGQ-150壓力傳感器試驗結(jié)果

表5　CGQ-200壓力傳感器試驗結(jié)果

3　應(yīng)用實例

本次試驗制作了9根預(yù)應(yīng)力橫梁，由于采用了大直徑鋼絞線，對于傳感器內(nèi)部孔徑要求提高，采用市場上普通的傳感器，如長沙金碼公司的JMZX-3XXX智能弦式數(shù)碼壓力計并不能滿足要

求，因此在端部安裝上自制的壓力傳感器，既能滿足內(nèi)徑要求，又能夠?qū)崟r控制張拉控制應(yīng)力，監(jiān)測預(yù)應(yīng)力損失，以便準(zhǔn)確達到設(shè)計要求，如圖3所示。

通過對自制壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集，對9根預(yù)應(yīng)力橫梁的預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力進行監(jiān)測，得到了其在張拉完成時的應(yīng)力以及連續(xù)72 h的應(yīng)力損失，其結(jié)果見表6。

表6　自制穿心式傳感器數(shù)據(jù)采集和分析

由表6可知，自制穿心式壓力傳感器能夠穩(wěn)定、及時的反映出張拉預(yù)應(yīng)力筋情況，預(yù)應(yīng)力損失，對于預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)的實際施工，具有重要的指導(dǎo)意義。

4　結(jié)語

自制穿心式壓力傳感器在多次循環(huán)標(biāo)定過程中，數(shù)據(jù)具備良好的穩(wěn)定性，并隨著荷載的增加，其穩(wěn)定性也有所增加，并基于試驗情況，驗證了其應(yīng)用于工程上的可行性，并且能夠根據(jù)需求適應(yīng)不同現(xiàn)場條件，為預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)按設(shè)計施工增加了保障。

[1]柴金燕.橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)狀與發(fā)展[J].交通世界,2008(4):160-161.

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[3]Zhang Yang,Shao Xudong,Li Bin.Study of the vertical prestress loss in box girder webs with twice-tension strand[J].Journal of Hunan University Natural Sciences,2012,6(39):13-18.

[4]姜建山,唐德東,周建庭.橋梁索力測量方法與發(fā)展趨勢[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,27(3):379-382.

[5]李炳生,李斌曹,文清.電阻應(yīng)變式傳感器在結(jié)構(gòu)試驗中的應(yīng)用新技術(shù)[J].結(jié)構(gòu)工程師,2011,27(sup):254-259.

[6]楊德健,馬芹永.建筑結(jié)構(gòu)試驗[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2011.

Application of self-made bushing type pressure sensor in prestressed bridge engineering

Tang FulinZhang JianminZhang ShuoXu Pengcheng

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

By the elaboration of working principle, structural features and testing stability of self-made bushing type pressure sensor, exploring the application value of self-made bushing type pressure sensor in prestressed bridge engineering combined with the specific project. The results show that: self-made bushing type pressure sensor is stable, reliable and strong adaptable. It can be used for the tensile stress control, releasing the difficulty of construction, saving the cost of the project.

bridge engineering， pressure sensor， prestressed structure， tension stress

1009-6825(2016)08-0189-02

2016-01-09

唐付林(1989- )，男，在讀碩士

U445.47

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