鋼筋應(yīng)力計工藝說明

 一、說明

在建筑工程的強(qiáng)震觀測及建筑結(jié)構(gòu)試驗的長期測量中，鋼筋應(yīng)力、應(yīng)變是了解力學(xué)性能的重要參量。強(qiáng)震觀測及長期測量的著眼點(diǎn)是數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定和可靠性，并能真實反映物理及力學(xué)狀態(tài)的變化。在鋼筋應(yīng)力應(yīng)變的長期測量中可以采用的方法和器材雖多，但目前適于房屋建筑結(jié)構(gòu)的并不多，除振弦式鋼筋應(yīng)力計外，國內(nèi)尚無比較可靠的方法。自接受強(qiáng)震觀測及結(jié)構(gòu)試驗中鋼筋應(yīng)力、應(yīng)變測量問題的任務(wù)以來，力求以應(yīng)變片技術(shù)去解決這一問題。原因是，隨著國內(nèi)應(yīng)變片電測技術(shù)應(yīng)用水平和儀器生產(chǎn)技術(shù)的日益提高和普及，為鋼筋應(yīng)力長期測量創(chuàng)造了良好條件，多年來我們積累了一些應(yīng)變式傳感器加工制造、工藝處理和使用的經(jīng)驗，有一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

在國外（如美國和日本），由于應(yīng)變式傳感器技術(shù)過關(guān)，各種力學(xué)參量都有相應(yīng)的傳感器產(chǎn)品可供工程測量及試驗選用，如日本“共和電業(yè)”（株）就有BF-A型鋼筋應(yīng)力傳感器的系列產(chǎn)品，其規(guī)格和技術(shù)性能如下

從產(chǎn)品廣告說明和外觀照片來看，BF-A型鋼筋應(yīng)力傳感器就是用相當(dāng)于我國二級鋼筋經(jīng)過應(yīng)變片工藝 處理的應(yīng)力型傳感器。由于制成了傳感器，力學(xué)性能基本滿足長觀測的一般要求。

我們研制生產(chǎn)的應(yīng)變式鋼筋計規(guī)格和技術(shù)指標(biāo)是：

    二、鋼筋應(yīng)力計結(jié)構(gòu)

對鋼筋應(yīng)力計的結(jié)構(gòu)，從工程實用性來看，力求結(jié)構(gòu)簡單、可靠、成本低、使用方便。從應(yīng)力計結(jié)構(gòu)設(shè)計要求：使傳感體形狀簡單、易加工，應(yīng)變片工藝處理簡單，長期電氣力學(xué)性能穩(wěn)定。為此選用國產(chǎn)Ⅱ級或Ⅲ級鋼筋，稍事加工處理即可。傳感體采用圓柱形結(jié)構(gòu)，表面經(jīng)車加工，外用鋁或鋼保護(hù)罩,全傳感器只有三種四個機(jī)械零件，如圖1所示。

傳感體的直徑設(shè)計，按zui少影響鋼筋應(yīng)力角度出發(fā)選用：

φd=k·ΦdD           k——加工系數(shù)0．80~0．95             ΦD——傳感體公稱直徑

一般來說對于小于φ15的鋼筋，取k=0．80，φ15~φ25，

取k=0．85~0．90，φ25~φ35，取k=0．90~0．95

加工長度L=4~5ΦD

傳感器的長度L選取值為0．5~0．7米長，細(xì)直徑的短些，粗直徑的長些。在這樣長度下，工程實際運(yùn)用時，即使用焊接（接觸焊、電弧焊）方法和實測鋼筋連接，也不會因熱傳導(dǎo)的溫升，影響傳感器的電氣性能。

保護(hù)罩的作用是為灌注環(huán)養(yǎng)樹脂及保護(hù)應(yīng)變片和引出線不受機(jī)機(jī)械損傷之用。研制時用硬鋁材料，成本高些，大量生產(chǎn)時可用薄壁鐵管制成，經(jīng)防腐處理即可。

傳感體的應(yīng)力δ按2200~2400公斤/厘米²設(shè)計，彈性模量取E—=2．0x10⁶公斤/厘米²。鋼筋的應(yīng)變?yōu)?/span>

由于應(yīng)變電橋采用全橋，貼片方式用二片縱向應(yīng)變片（工作片），二片橫向片（補(bǔ)償片）。傳感器在儀器上的讀出應(yīng)變e讀為

  e讀=2（1+μ）e              μ=泊桑比   取值0．25

  =2(1+0．25) ×1200

  =2700μe

    三、工藝處理

1)     傳感體時效處理

為消除鋼材軋制、機(jī)械加工引起的內(nèi)應(yīng)力和提高彈性體力學(xué)性能，將加工好的傳感體放入烘箱內(nèi)，在案180℃～200℃下時效處理6～8小時。

時效處理后，用200～300號金相砂紙按45^O方向交叉打磨，經(jīng)清洗干凈后保存，以備粘貼應(yīng)變片之用。

2)     應(yīng)變片的處理和選擇

應(yīng)變片采用材3×5毫米規(guī)格的箔式應(yīng)變片，基底是聚乙烯醇縮甲乙醛。購入的應(yīng)變片按電阻值分選后放入烘箱在165℃～175℃固化處理4～6小時。這是因為，購入的應(yīng)變計一般基底固化不充分、阻值不穩(wěn)。經(jīng)予固化處理后膠膜和阻值都穩(wěn)定下來了。

用10～40倍放大鏡或顯微鏡選擇應(yīng)變片，去除柵絲不勻，焊點(diǎn)不良，外觀不佳的應(yīng)變片。

用精度1/1000的電橋或數(shù)字歐姆表，選擇應(yīng)變片阻值，使每四片為一組的應(yīng)變片阻值，zui大差值不超過±0．05歐姆。選出的應(yīng)變片按阻值編號，分組包裝保存，以備貼片。

3)     貼片及工藝處理

塗底膠，傳感體經(jīng)加溫40℃～50℃后，迅速用毛刷淋掛方法塗1～2層聚乙烯醇縮甲乙醛底膠，在20℃～25℃室溫下干燥半小時，確認(rèn)膠膜均勻無氣泡后，送入烘箱按以下工藝固化處理：

   80℃±5℃         保溫1小時

   120℃±5℃        保溫2小時

   170℃±2℃        保溫2～3小時

烘箱內(nèi)斷電自然冷卻到60℃以下即可取出。

貼片：在傳感體中部貼片，四片應(yīng)變片相對位置可用滌綸膠帶法固定之，如圖2所示。先在白紙上畫好應(yīng)變片粘貼位置的展開圖，上面罩以一條滌綸膠帶，膠膜朝上。用比柵絲面積略大的聚四氟乙烯薄膜貼在膠帶相應(yīng)的粘貼位置上。將應(yīng)變片反貼（柵絲面朝下），在相應(yīng)位置上使應(yīng)變片基底的一部份（邊緣）和滌淪膠膜相粘貼，這樣應(yīng)變片相對位置不變。在應(yīng)變片基底面上均勻的塗上貼片膠。

將傳感體加熱至40℃～50℃，在中部貼片位置塗一層貼片膠（聚乙烯醇縮甲乙醛），稍晾干后，迅速將固定好應(yīng)變片的滌綸膠帶，貼在傳感體上，用手指迅速捻壓應(yīng)變片，擠出多余膠和趕出氣泡，壓勻貼牢后，外面墊以耐熱橡皮用紗布帶緊纏二層。注意在貼片中，使應(yīng)變片引出線佈勻，不得壓在應(yīng)變片底下，也不許碰斷引出線。

固化處理：將貼完應(yīng)變片的傳感體一起放入烘箱按如下工藝進(jìn)行固化處理

   80℃±5℃         保溫1小時

   120℃±5℃        保溫2小時

   170℃±2℃        保溫4小時

檢查貼片質(zhì)量：固化處理后打開包層，外觀檢查有無斷線，焊點(diǎn)是否有損壞。用歐姆表檢查阻值，看有無超差阻值和斷柵的應(yīng)變片。

防潮處理：經(jīng)貼片和格的傳感體，把應(yīng)變片再塗一層貼片膠，按上述固化工藝處理，使應(yīng)變柵絲有良好的絕緣能力。

組橋聯(lián)線：將四芯屏蔽線按全橋電路組聯(lián)好四個應(yīng)變片，用紗線將引出線固定在傳感體上。接上應(yīng)變儀，初測初始不平衡值，凡超過應(yīng)變儀平衡范圍（按±1000μe）的，用串或并聯(lián)電阻的方法進(jìn)行初始不平衡補(bǔ)償。補(bǔ)償電阻，并聯(lián)于應(yīng)變片的，可用經(jīng)退火的錳銅絲。

塗隔離層：用凡士林、機(jī)油、石蠟混合劑塗在應(yīng)變片和引線焊點(diǎn)上，不要太厚也不要太薄。這種隔離層的目的是防止環(huán)氧灌注層的過大變形影響應(yīng)變片。

裝保護(hù)罩：灌注環(huán)氧樹脂，裝好保護(hù)罩，緊固螺絲后，灌注環(huán)氧樹脂，待固化后，用高阻表檢查絕緣，接上應(yīng)變儀檢查組橋正確性和初始不平衡值。

    四、技術(shù)性能檢驗

1)     室溫下八小時內(nèi)的電橋零點(diǎn)漂移

這項檢驗?zāi)康氖呛饬渴覝叵落摻顟?yīng)力計電橋零點(diǎn)穩(wěn)定性。試驗在衡溫箱內(nèi)進(jìn)行。衡溫箱內(nèi)溫度控制在20℃±1℃。把待檢應(yīng)力計放入衡溫箱中，引線伸出箱外，接在YJ-5型應(yīng)變儀的P20R-5型平衡箱上，接通儀器半小時后，調(diào)節(jié)各點(diǎn)平衡。使衡溫箱內(nèi)溫度20℃±1℃穩(wěn)定一小時后，再次調(diào)節(jié)各點(diǎn)平衡。八小時后記錄各測點(diǎn)讀數(shù)即為八小時內(nèi)的電橋零點(diǎn)漂移值。試驗結(jié)果如表1所

按照八小時漂移值不超過滿量程輸出的0﹒5％為合格指標(biāo)，研制的十四個鋼筋應(yīng)力計除兩個不合格外，其余都合格，即合格率為非作歹85％。

從表1的試驗結(jié)果還可以看出，時間漂移值zui小的為

0﹒03％/8小時，性能極其穩(wěn)定。十四個鋼筋應(yīng)力計中有78％（11個）可以達(dá)到小于0﹒2％/8小時的指標(biāo)。所以研制的鋼筋應(yīng)力計短期內(nèi)時間穩(wěn)定性是可以保證的。長期（1000小時以上）穩(wěn)定性要通過長期持荷試驗來驗證。

2)     溫度對電橋零點(diǎn)影響

本檢驗的目的是衡量溫度變化對鋼筋應(yīng)力計電橋零點(diǎn)影響的穩(wěn)定性。這是一項重要的檢驗。因為鋼筋應(yīng)力計在工程長期應(yīng)用時，因季節(jié)溫度變化對應(yīng)力計究竟有多大影響，是長期穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。試驗仍在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行（應(yīng)力計無負(fù)荷），溫度變化范圍是

15℃～50℃，每升溫5℃，恒溫20分鐘后記錄各應(yīng)力計輸出值。檢驗結(jié)果如表2所示。   

按照研制任務(wù)要求，鋼筋應(yīng)力計溫度穩(wěn)定性用溫度對電橋零點(diǎn)影響來表示，其指標(biāo)是：溫度每變化1℃，電橋零點(diǎn)變化小于滿量程輸出的0﹒1％。從表2的試驗結(jié)果來看，符合這一指標(biāo)要求的有12個，占研制量14個的85％。其中的一個為0﹒008％/e（第11號）。有50％以上都能達(dá)到0﹒05％/℃的指標(biāo)，所以鋼筋應(yīng)力計的溫度穩(wěn)定性也是能保證的。

由于試驗條件所限，負(fù)溫穩(wěn)定性沒有做，不過，從箔式應(yīng)變片長溫工作范圍為：-10℃～+70℃，一般室外環(huán)鏡條件，可以保證其工作穩(wěn)定性。有條件情況下今后要補(bǔ)做鋼筋應(yīng)力計負(fù)溫試驗。

3)     靜態(tài)標(biāo)定

鋼筋應(yīng)力計在試驗機(jī)上進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，用YZ-5型應(yīng)變儀記錄各應(yīng)力計輸出值，通過靜態(tài)標(biāo)定可以給出各應(yīng)力計，在不同載荷下的應(yīng)變輸出值，以供實測換算，靜態(tài)標(biāo)定時，按額定應(yīng)力值分10～12級載荷加載。加載速度為每級1~1．5分鐘，每級恒載20~30秒。按三個加載循環(huán)記錄數(shù)據(jù)。各應(yīng)力計的試驗結(jié)果如表3所示。

按照表3—1至表3—2的實測結(jié)果，以滿量程輸出計算的非線性誤差，zui小的為0﹒08％，zui大的為0﹒36％，一般都能做到小于0﹒20％。由于靜標(biāo)定用的YJ—5型靜態(tài)應(yīng)變儀，基本誤差（即精度）為2％，所以，以它為量測儀表的鋼筋應(yīng)力計的精度只能為±2％。

由于應(yīng)變片式傳感器的線性精度比較高，因此可用線性插入法根據(jù)有限的標(biāo)定點(diǎn)數(shù)值去計算額定量程內(nèi)，任何輸出值（微應(yīng)變）對應(yīng)的鋼筋應(yīng)力值或荷載值。

五、使用方法

鋼筋應(yīng)力計實際上是鋼筋拉力計，即可測量應(yīng)力，又可測量荷載（拉力或壓力）。為便于制作，保證技術(shù)性能，應(yīng)力計的長度一般取有效直徑d的20～30倍。應(yīng)力計制成后，經(jīng)過各項技術(shù)性能檢驗合格后，即可用到工程上，使用方法如下：

1、鋼筋應(yīng)力計埋設(shè)和連接

根據(jù)實際鋼筋額定或zui大應(yīng)力值選擇適用規(guī)格的鋼筋應(yīng)力計，可用螺紋、焊接（接觸對焊和電弧焊）和實策測鋼筋連接。當(dāng)用焊接方法連接時，注意傳感體部分的溫升不得超過70℃，如果過熱，損壞環(huán)氧防潮層，破壞絕緣性能。物流軟件為此，允許用風(fēng)冷、水冷方法降溫。

鋼筋應(yīng)力計的引出導(dǎo)線一般為1000毫米長，工程施工前，如果導(dǎo)線不夠長，可以用規(guī)格（SBVVP—4×16/0﹒15）電纜連接。特別要注意連接頭的防潮和絕緣性能。

鋼筋應(yīng)力計連接完畢，導(dǎo)線家長封好絕緣后，在導(dǎo)線引出端，用高阻絕緣表測量，芯線和地之間的絕緣電阻要大于100兆歐姆以上。電橋?qū)蔷€阻抗相等并等于額定阻值。

2、測量儀表。本鋼筋應(yīng)力計可以用普通靜、動態(tài)應(yīng)變儀做測量儀表。也可以使用其他類型的儀器儀表。如：直流電子電位差計，數(shù)學(xué)電子秤等。

3、使用注意事項：鋼筋應(yīng)力計多用于鋼筋混凝土內(nèi)部的應(yīng)力測量，因此進(jìn)入構(gòu)件后，澆灌混凝土?xí)r，不得損壞導(dǎo)線，也不得使傳感體承受過大的彎曲應(yīng)力，以防局部過負(fù)荷和破壞絕緣層

六、結(jié)論

研制的鋼筋計，是一種簡易型應(yīng)變片式的傳感器，為降低成本便于推廣使用，在保證技術(shù)性能的情況下，簡化了機(jī)械和電氣制造工藝。從技術(shù)性能的測試和檢驗來看，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了研制要求。