自制穿心式压力传感器在预应力桥梁工程中的应用

唐付林　张建民　张　硕　许鹏程

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨　150040)



自制穿心式压力传感器在预应力桥梁工程中的应用

唐付林张建民张硕许鹏程

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨150040)

通过对自制穿心式压力传感器的工作原理、结构特点和稳定性测试三个方面的阐述，结合具体试验项目，探索了自制穿心式压力传感器在桥梁工程中的应用价值，试验结果表明：自制穿心式压力传感器数据稳定可靠、适应性强，可用于桥梁预应力结构的张拉应力控制，降低施工难度，节约了工程成本。

桥梁工程，压力传感器，预应力结构，张拉应力

随着现代桥梁结构的发展，预应力发挥的作用越来越大，为桥梁结构向着更大跨度、更小截面、更高承载力等方面做出了巨大贡献，具有不可替代的作用[1]。但是在实际施工过程中，桥梁箱梁中预应力筋张拉应力控制、桥梁悬索拉力控制等等往往较理论要求有一定差距，其结果直接对桥梁结构的施工质量和结构安全产生一定影响[2，3]。因此，采用一些精确仪器来准确测量预应力结构中的有效预应力，观测其预应力随时间的损失具有非常重要的意义。目前，测量预应力张拉应力的方法主要有电阻式压力传感器法、电阻应变片法、振弦式压力传感器法、光纤光栅应变式压力传感器法、振动频率法、电磁测量法[4]。其中又以电阻式压力传感器法最为常用，它具有仪器内部结构相对简单、较高的精度、良好的线性数据特性、抗干扰能力强等优点，广泛应用于桥梁结构、建筑结构、船舶等等[5]。然而，在预应力桥梁结构的施工过程中，施工人员采用市场购买的成品电阻式压力传感器不一定能够适应现有实际施工条件，其存在的主要问题有：1)市场上成品电阻式压力传感器或其他类型传感器均为具有独立知识产权产品，价格一般较高，在预应力桥梁结构施工现场需求量较大的情况下，外加与电阻式压力传感器相配套的设备，其成本往往较大。2)电阻式压力传感器，通常处于一个非常高压力的状态下，外加施工现场使用条件恶劣，因此，容易造成比较严重的损耗，一旦发生故障，往往需要邮寄回相应公司，再由他们进行检测，调试，处理时间较长，费用高，不利于施工项目的进行。3)由于实际施工条件复杂，普通型号的压力传感器不一定能够满足工程需要，例如对跨度较大的T梁采用不常用的大直径钢绞线，或者对多股钢绞线同时张拉等实际中常常出现的情况，普通穿心式传感器的内径就不一定能够满足要求。如何有效应对这些实际问题对桥梁设计、施工及安全维护等都有很大的指导与实用意义。而自制穿心式压力传感器能够显著的解决上述问题，基于自制的自由性，在预应力桥梁工程的施工过程中，可以依据实际现场条件如场地限制、荷载要求、传感器内径要求等来设计相应的压力传感器，还能够节约工程成本，加快工程进度。因此，对自制穿心式压力传感器本身性能的测试以及在实际工程项目中的探索式应用具有非常重要的意义，为该项技术在实际工程项目中的服务提供应用素材或者理论基础。

1　工作原理

自制穿心式压力传感器为在筒壁的纵向和横向分别粘贴有电阻应变片制成，并采用惠斯登路桥进行全桥电路连接，见图1。根据基尔霍夫定律，输出电压UBD与输入电压U的关系如下：

当R1=R2=R3=R4时，即四个桥臂电阻值相等时，称为等臂电桥，此时输出电压UBD=0。

由此可见，桥路输出公式中的符号变化将输出信号放大了2(1+μ)ε倍，提高了测量灵敏度，温度补偿自动完成，并且能够消除读数中因为轴向偏心力引起的影响[6]。

2　传感器的标定和稳定性测试

为验证自制穿心式压力传感器的稳定性，试验根据不同荷载大小设定了四组压力传感器，并分别在室温20 ℃时进行了100次的标定，以CGQ-200传感器为例，样品外观见图2，自制穿心式压力传感器设计方案见表1，传感器试验结果见表2～表5。

表1　自制穿心式压力传感器设计方案

由表2～表5可知，本次自制四种荷载形式的穿心式压力传感器在第100次加载的情况下，稳定性非常好，变异误差不大于5%，且传感器数据变异情况均有随着荷载的增大减小的趋势。因此，自制穿心式压力传感器的稳定性是可靠的，可应用于实际工程。

表2　CGQ-50压力传感器试验结果

试验次数拟合公式拟合度指标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表示为第XX次试验;δ为变异系数,反映同一荷载下,不同试验次数时,传感器的数据突变情况

表3　CGQ-100压力传感器试验结果

表4　CGQ-150压力传感器试验结果

表5　CGQ-200压力传感器试验结果

3　应用实例

本次试验制作了9根预应力横梁，由于采用了大直径钢绞线，对于传感器内部孔径要求提高，采用市场上普通的传感器，如长沙金码公司的JMZX-3XXX智能弦式数码压力计并不能满足要

求，因此在端部安装上自制的压力传感器，既能满足内径要求，又能够实时控制张拉控制应力，监测预应力损失，以便准确达到设计要求，如图3所示。

通过对自制压力传感器的数据采集，对9根预应力横梁的预应力筋的应力进行监测，得到了其在张拉完成时的应力以及连续72 h的应力损失，其结果见表6。

表6　自制穿心式传感器数据采集和分析

由表6可知，自制穿心式压力传感器能够稳定、及时的反映出张拉预应力筋情况，预应力损失，对于预应力桥梁结构的实际施工，具有重要的指导意义。

4　结语

自制穿心式压力传感器在多次循环标定过程中，数据具备良好的稳定性，并随着荷载的增加，其稳定性也有所增加，并基于试验情况，验证了其应用于工程上的可行性，并且能够根据需求适应不同现场条件，为预应力桥梁结构按设计施工增加了保障。

[1]柴金燕.桥梁预应力混凝土现状与发展[J].交通世界,2008(4):160-161.

[2]周云平.现浇箱梁后张预应力控制技术分析与应用[J].中外建筑,2011(6):158-160.

[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,唐德东,周建庭.桥梁索力测量方法与发展趋势[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2008,27(3):379-382.

[5]李炳生,李斌曹,文清.电阻应变式传感器在结构试验中的应用新技术[J].结构工程师,2011,27(sup):254-259.

[6]杨德健,马芹永.建筑结构试验[M].武汉：武汉理工大学出版社,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，在读硕士

U445.47

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