黃遠(yuǎn)遠(yuǎn)，彭 潛，姚順雨

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

引言

隨著風(fēng)電機(jī)組大型化、產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化，疊加產(chǎn)業(yè)成熟度和規(guī)模效應(yīng)，我國海上風(fēng)電有望在十四五期間迎來快速發(fā)展[1]。近年來，陸地經(jīng)濟(jì)可開發(fā)的風(fēng)力資源越來越少，全球風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)已出現(xiàn)從陸地向近海發(fā)展的趨勢(shì)[2]。所以對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)階段設(shè)置針對(duì)樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是極為必要的。安裝鋼筋計(jì)可監(jiān)控混凝土或其它結(jié)構(gòu)中的鋼筋的應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)中存在的潛在問題給予極早的預(yù)示。曹淑剛、孫小釬等[3]以某海上風(fēng)電項(xiàng)目為例，對(duì)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)內(nèi)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析。通過對(duì)風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)分析，可以得出施工期及運(yùn)行期風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力狀態(tài)。廖駿等[4]和張開偉等[5]提出了將鋼筋計(jì)增設(shè)連接桿與鋼筋籠內(nèi)主筋同軸焊接的布置方法。程文亮等[6]通過改良鋼筋計(jì)的安裝工藝，提高了目前常采用的振弦式鋼筋計(jì)的成活率。謝龍等[7]介紹鉆孔灌注樁鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量問題，并對(duì)問題原因進(jìn)行分析，提出合理質(zhì)量控制措施，在施工中取得良好成效。

綜上，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鋼管樁中對(duì)鋼筋計(jì)的討論較鮮見，本文以東南沿海某海上風(fēng)電場(chǎng)工程為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可靠資料對(duì)該問題進(jìn)行分析，為海上建筑物的安全評(píng)估、運(yùn)維方案提供重要參考依據(jù)，兼顧驗(yàn)證設(shè)計(jì)、科研及指導(dǎo)施工。

1 嵌巖樁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)

本工程風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)樁形式選擇嵌巖樁基礎(chǔ)形式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)形式，高樁承臺(tái)基礎(chǔ)采用4根鋼管樁作為樁基。擬對(duì)該項(xiàng)目二期的兩臺(tái)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的嵌巖樁進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目包括:嵌巖樁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)、傾斜振動(dòng)監(jiān)測(cè)及鋼管樁腐蝕電位監(jiān)測(cè)等，本文僅對(duì)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的嵌巖樁鋼筋應(yīng)力的監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析。用于嵌巖樁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)的鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝在填芯混凝土鋼筋籠上，隨鋼筋籠一道放入嵌巖樁內(nèi)。

1.1 監(jiān)測(cè)儀器選型

根據(jù)《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，鋼筋計(jì)在嵌入鋼管樁前，需要進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試，包括絕緣度、測(cè)量范圍、靜態(tài)特性等，以檢測(cè)鋼筋計(jì)在運(yùn)輸途中是否出現(xiàn)問題[4-5]。精度低于技術(shù)規(guī)范要求的材料試驗(yàn)機(jī)不能用來檢驗(yàn)鋼筋計(jì)，以免引起誤導(dǎo)，甚至損傷鋼筋計(jì)[6]。

根據(jù)鋼筋計(jì)的靜態(tài)特性，綜合考慮其各項(xiàng)性能指標(biāo)，由于振弦式鋼筋計(jì)具有測(cè)量原理簡單、使用方便、較高的穩(wěn)定性與耐久性等工程使用性能，近年來，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程、橋梁工程、水利工程、地下結(jié)構(gòu)工程等工程的混凝土構(gòu)筑物的監(jiān)測(cè)[7]。BGK-4910系列振弦式鋼筋計(jì)具有耐用、可靠、易于安裝和讀數(shù)，并不受潮濕、電纜長度和接觸電阻影響，已應(yīng)用于多項(xiàng)工程中，具有長期穩(wěn)定性，本工程選用BGK-4910系列振弦式鋼筋計(jì)用于測(cè)量Y1、Y2風(fēng)機(jī)嵌巖樁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)。施工中采用配套的讀數(shù)儀進(jìn)行人工觀測(cè)，安裝后接入自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

1.2 鋼筋計(jì)工作原理

當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的鋼筋發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，鋼筋計(jì)將受到拉伸或壓縮，鋼套同步產(chǎn)生變形，變形使鋼筋計(jì)感受拉伸或壓縮的變形，變形傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。電磁線圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測(cè)出被測(cè)結(jié)構(gòu)物內(nèi)鋼筋所受的應(yīng)力。同時(shí)可同步測(cè)量埋設(shè)點(diǎn)的溫度值。

當(dāng)外界溫度恒定鋼筋計(jì)僅受到軸向應(yīng)力時(shí)，其應(yīng)力與輸出的頻率模數(shù)具有如下線性關(guān)系：

式中：k為鋼筋計(jì)的測(cè)量靈敏度，單位為MPa/F；ΔF為鋼筋計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量，單位為F；F為鋼筋計(jì)的實(shí)時(shí)測(cè)量值，單位為F；F0為鋼筋計(jì)的基準(zhǔn)值，單位為F。

埋設(shè)在水工結(jié)構(gòu)物或其它混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)的鋼筋計(jì)，受到的是應(yīng)力和溫度的雙重作用，因此鋼筋計(jì)一般計(jì)算公式為：

式中：σm為被測(cè)結(jié)構(gòu)物鋼筋所受的應(yīng)力值，單位為MPa。b為鋼筋計(jì)的溫度修正系數(shù)，單位為MPa/℃；T為溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量值，單位為℃；T0為溫度的基準(zhǔn)值，單位為℃。

注：通常情況下，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得其溫度修正系數(shù)小于最小讀數(shù)，由于溫度對(duì)振弦傳感器的影響很小，實(shí)際使用中可不予修正，一般計(jì)算時(shí)可用公式（1）。

1.3 鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置

Y1、Y2風(fēng)機(jī)嵌巖樁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)，用于嵌巖樁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)的鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝在填芯混凝土鋼筋籠上，隨鋼筋籠一同放入嵌巖樁內(nèi)。每個(gè)承臺(tái)有4根直徑3.2m的直樁。

選擇Y1的1號(hào)鋼管樁（Y1-1）安裝鋼筋計(jì)，在-27.0m和-29.0m高程位置處埋設(shè)鋼筋計(jì)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，在-29.0m高程位置處布置4支鋼筋計(jì)，編號(hào)分別為R-1、R-2、R-3、R-4，其中一對(duì)沿主潮流方向?qū)ΨQ布置，一對(duì)垂直主潮流方向?qū)ΨQ布置，在-27.0m高程位置沿主風(fēng)向?qū)ΨQ布置2支鋼筋計(jì)，編號(hào)分別為R-5和R-6，如圖1所示；Y2風(fēng)機(jī)的3號(hào)鋼管樁（Y2-3）安裝鋼筋計(jì)，具體設(shè)置在-32.7m和-34.7m高程埋設(shè)鋼筋計(jì)，-34.7m高程位置布置4支，編號(hào)分別為R-1、R-2、R-3、R-4，一對(duì)沿主潮流方向?qū)ΨQ布置，一對(duì)垂直主潮流方向?qū)ΨQ布置；-32.7m位置沿主潮流方向?qū)ΨQ布置2支，編號(hào)分別為R-5和R-6，如圖2所示。每臺(tái)風(fēng)機(jī)布置6支鋼筋計(jì)，共12支鋼筋計(jì)。

圖1 Y1-1#樁鋼筋計(jì)位置

圖2 Y2-3#樁鋼筋計(jì)位置

1.4 嵌巖樁鋼筋計(jì)安裝

要獲取可靠的監(jiān)測(cè)成果，高質(zhì)量的鋼筋計(jì)是前提，正確安裝、選取基準(zhǔn)值是保證，鋼筋應(yīng)力計(jì)算成果的合理分析是關(guān)鍵。鋼筋計(jì)及其檢驗(yàn)、安裝，在相關(guān)的國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都有較全面的規(guī)定[4-5]，按照規(guī)定，嚴(yán)格執(zhí)行安裝步驟。

Y1、Y2風(fēng)機(jī)的嵌巖樁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)，選擇在Y1-1#、Y2-3#嵌巖樁的相應(yīng)位置共安裝12支嵌巖樁鋼筋計(jì)。嵌巖樁鋼筋計(jì)采用振弦式傳感器，安裝在填芯混凝土鋼筋籠上靠近樁內(nèi)壁，隨鋼筋籠一道放入嵌巖樁內(nèi)，安裝步驟如下：

①根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙測(cè)量放樣，定位測(cè)點(diǎn)位置；

②由測(cè)點(diǎn)分布及電纜集中位置，接長鋼筋計(jì)電纜，并做好標(biāo)記；

③鋼筋計(jì)焊接在同一直徑的受力鋼筋并保持在同一軸線上；

④鋼筋計(jì)焊接采用雙面綁條焊，綁條長度≥10D，儀器溫度不超過60℃；

⑤將儀器電纜沿鋼筋籠主筋牽引至鋼筋籠頂部合適位置，并注意保護(hù)電纜；

⑥儀器安裝前后及混凝土澆筑前后，及時(shí)跟蹤測(cè)試儀器并記錄；

⑦風(fēng)機(jī)安裝后，電纜牽引至基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)柜位置，最終接入相應(yīng)采集模塊中。

將組裝好的鋼筋計(jì)連同主筋一起穿入鋼筋籠，為避免箍筋焊接燒傷鋼筋計(jì)，對(duì)鋼筋計(jì)采用濕布包裹，同時(shí)鋼筋計(jì)與箍筋交接處采用鋼絲綁扎。箍筋焊接時(shí)鋼筋計(jì)采用濕布包裹。在吊裝、下料和主筋張拉等各個(gè)環(huán)節(jié)，均要加強(qiáng)對(duì)信號(hào)線的保護(hù)。起吊鋼筋籠時(shí)，通過增加起吊點(diǎn)，避免過大的撓度變形對(duì)鋼筋計(jì)及信號(hào)線的破壞。5根芯線均需焊接，焊接時(shí)注意將各個(gè)芯線接頭錯(cuò)開，保證各芯線長度一致，以保證電纜受拉時(shí)，各芯線能均勻受力。接線前芯線接頭部位及電纜接頭部位應(yīng)套熱縮管，接線完成后，用熱風(fēng)槍將熱縮管熱縮于接著部位，如圖3所示。接線工作結(jié)束后，用讀數(shù)儀進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量檢查，并使用萬用表測(cè)量各芯線間的電阻情況，避免因焊接工作造成接頭部位芯線短路、斷路情況，保證被埋設(shè)的鋼筋計(jì)是可以正常使用的。嵌巖樁鋼筋計(jì)安裝現(xiàn)場(chǎng)照片見圖4。

圖3 電纜線接線示意圖

圖4 嵌巖樁鋼筋計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 施工期主要工況

Y1、Y2承臺(tái)施工期主要工況及監(jiān)測(cè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)如下表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)承臺(tái)主要施工工況

2.2 鋼管樁監(jiān)測(cè)資料分析

鋼筋計(jì)安裝好后、混凝土澆筑前的計(jì)數(shù)計(jì)算基準(zhǔn)值（獨(dú)立測(cè)讀3次，合格后取平均值）。埋設(shè)初期人工進(jìn)行觀測(cè)，風(fēng)機(jī)吊裝完成通電后將接入自動(dòng)采集模塊中進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)，Y1、Y2嵌巖樁鋼筋計(jì)，各測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)值如表2所示。

表2 Y1嵌巖樁鋼筋計(jì)測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)值匯總

分析時(shí)段選取各測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)日期到2019年5月，Y1-1#、Y2-3#嵌巖樁鋼筋計(jì)測(cè)點(diǎn)過程線如圖5—圖16所示，其中正值表示鋼筋受拉，負(fù)值表示鋼筋受壓。

圖16 Y2-3#-R-6測(cè)值過程線

表3 Y2嵌巖樁鋼筋計(jì)測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)值匯總

圖5 Y1-1#-R-1測(cè)值過程線

圖6 Y1-1#-R-2測(cè)值過程線

圖7 Y1-1#-R-3測(cè)值過程線

圖8 Y1-1#-R-4測(cè)值過程線

圖9 Y1-1#-R-5測(cè)值過程線

圖10 Y1-1#-R-6測(cè)值過程線

圖11 Y2-3#-R-1測(cè)值過程線

圖12 Y2-3#-R-2測(cè)值過程線

圖13 Y2-3#-R-3測(cè)值過程線

圖14 Y2-3#-R-4測(cè)值過程線

圖15 Y2-3#-R-5測(cè)值過程線

圖5 —圖16表明：

Y1-1#樁內(nèi)、Y2-3#樁內(nèi)12支豎向鋼筋計(jì)存的存活率為100%。其中Y1-1#中鋼筋計(jì)編號(hào)為R-1的鋼筋計(jì)的壓應(yīng)力最大為58.8 MPa，R-2鋼筋計(jì)的壓應(yīng)力最大為60.1 MPa，R-3鋼筋計(jì)的壓應(yīng)力最大為51.7 MPa，R-4鋼筋計(jì)的壓應(yīng)力最大為46.5MPa，R-5鋼筋計(jì)的壓應(yīng)力最大為42.4 MPa，R-6鋼筋計(jì)的壓應(yīng)力最大為51.0 MPa，6支鋼筋計(jì)的穩(wěn)定值基本在20—40 MPa之間；Y2-3#中6支鋼筋計(jì)中，R-1鋼筋計(jì)壓應(yīng)力最大，最大值為99.0 MPa，數(shù)值最終穩(wěn)定在70M Pa左右，其余5支鋼筋計(jì)，數(shù)值最終穩(wěn)定為40—60 MPa之間。

Y2-3#樁內(nèi)鋼筋計(jì)R-1、R-3、R-4的測(cè)點(diǎn)初期測(cè)值變幅較大，主要是因?yàn)殇摻钣?jì)焊接于鋼筋籠主筋上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，以及鋼筋計(jì)埋入混凝土樁后，其周邊的濕度及溫度也同時(shí)發(fā)生了變化，但變化范圍在合理范圍內(nèi)，且后期均逐漸趨于穩(wěn)定。

各鋼筋計(jì)過程線無明顯的向某一方向（受壓或受拉）的趨勢(shì)性變化，且無異常測(cè)值。初期應(yīng)力變幅較大的原因主要是混凝土澆筑后內(nèi)部溫度較高（部分測(cè)點(diǎn)最高溫度達(dá)到58℃），初期溫度下降混凝土收縮，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。

3 結(jié)語

（1）鋼筋計(jì)埋設(shè)后儀器通常無法接觸，不具有維修性，需要加強(qiáng)儀器及信號(hào)線的保護(hù)，且安裝前后需對(duì)儀器進(jìn)行成活性檢測(cè)，保證安裝的設(shè)備能起到監(jiān)測(cè)的作用。起吊鋼筋籠時(shí)，增加起吊點(diǎn)，避免過大的撓度變形對(duì)鋼筋計(jì)及信號(hào)線產(chǎn)生破壞。

（2）在鋼筋計(jì)埋設(shè)后澆筑混凝土初期鋼筋應(yīng)力與溫度表現(xiàn)一定相關(guān)性，溫度越高，鋼筋受壓應(yīng)力越大，之后下降趨于穩(wěn)定，符合混凝土澆筑后水泥水化過程中產(chǎn)生的水化熱由積聚到逐漸消散的一般規(guī)律。

（3）從近一年的監(jiān)測(cè)資料可知，Y1、Y2嵌巖樁鋼筋計(jì)未出現(xiàn)異常變形。為使鋼筋計(jì)在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中更好的發(fā)揮作用，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)提出以下建議，在臺(tái)風(fēng)等惡劣工況下，建議及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析，以評(píng)估臺(tái)風(fēng)等對(duì)風(fēng)機(jī)的影響。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建議指派專人定期檢查與維護(hù)，使儀器設(shè)備長期處于良好狀態(tài)，確保系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。