振弦式锚杆应力计

    本使用说明仅适用于四川葛南仪器有限公司生产的VWRF型振弦式锚杆应力计，其中包括有VWRF-16、VWRF-18、VWRF-20、VWRF-22、VWRF-25、VWRF-28、VWRF-32、VWRF-36、VWRF-40等型号。

    1用途
 VWRF型振弦式锚杆应力计适用于长期埋设在水工结构物或其它混凝土结构物内，测量结构物内部的钢筋应力、锚杆的锚固力、拉拔力等，并可同步测量埋设点的温度。加装配套附件可组成锚管测力计、基岩应力计等测量应力的仪器。
 振弦式锚杆计有温度自动补偿功能，经试验温度修正系数甚小，使用中不需要温度修正。

    2规格及主要技术参数

    注：频率模数F=Hz2×10-3

    3结构及工作原理
    3.1结构
    VWRF型振弦式锚杆应力计由前后连接拉杆、锚杆应力计 (钢筋计)、信号传输电缆等组成。
    3.2工作原理
 锚杆应力计与所要测量的锚杆(钢筋作锚杆)连接可采用螺纹接头或焊接方式，当被测结构物内部的钢筋发生应力变化时，锚杆计将受到拉伸或压缩而产生变形，振弦式应变计输出的信号频率发生变化使内部振弦的应力变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内钢筋所受的应力。并可同步测量埋设点的温度值。
    3.3计算方法：

  a) 当外界温度恒定锚杆应力计仅受到轴向应力时，其应力σ与输出的频率模数△F具有如下线性关系：

σ= k△F

△F = F - F0

 式中：k — 锚杆应力计测量应力值的最小读数，单位为MPa/F；

       △F — 锚杆应力计实时测量值相对于基准值的变化量，单位为F；

       F — 锚杆应力计的实时测量值，单位为F；

       F0 — 锚杆应力计的基准值，单位为F。

  b) 当锚杆应力计不受外力作用时，而温度增加△T时，锚杆应力计有一个输出量△F´，这个输出量仅仅是由温度变化而造成的，因此在计算时应给以扣除。

    实验可知△F´与△T具有如下线性关系：

σ´= k△F´+ b△T = 0

k△F´= -b△T

△T = T - T0

 式中：b — 锚杆应力计的温度修正系数，单位为MPa /℃；

       △T — 温度实时测量值相对于基准值的变化量，单位为℃；

       T — 温度的实时测量值，单位为℃；

       T0 — 温度的基准值，单位为℃。

  c) 埋设在水工结构物或其它混凝土结构物内的锚杆应力计，受到的是应力和温度的双重作用，因此锚杆应力计一般计算公式为：

σm = k△F + b△T = k (F - F0) + b (T - T0)

 式中：σm — 被测结构物钢筋所受的应力值，单位为MPa 。

注：

    VWRF型振弦式锚杆应力计的敏感测量元件，其与测力钢套的材料线膨胀系数极为接近，振弦式锚杆计具有温度自动补偿功能，经试验测得其温度修正系数小于最小
读数，实际使用中不需要温度修正，一般计算时可用公式a。

    4 埋设与安装   

4.1 按钢筋或空心锚杆直径选配相应规格的锚杆计,如果规格不符,  应及早与我公司联系,进行调换适合要求的钢筋计.

4.2 锚杆计电缆接长时.应按要求进行,接线完成后检查锚杆计的绝缘电阻和频率初值是否正常.要求焊接可靠,稳定且接头的防水性能须达到规定的耐水压要求.做好钢筋计的编号和存档工作.

4.3锚杆计可在钢筋加工场预先与钢筋焊好,焊接时应将钢筋与锚杆计的连接杆对中之后采用对接法焊接在一起.如果在现场焊接,可在埋设锚杆计的位置上将钢筋截下相应的长度,之后将锚杆计焊上,为了保证焊接强度,在焊接处需加焊条,并涂沥青,包上麻布,以便与混凝土脱开.为了避免焊接时仪器温度过高而损坏仪器,焊接时仪器要包上湿麻布并不断在棉纱上浇冷水,直到焊接完毕后钢筋冷却到一定温度为止

4.4一般直径小于25mm的仪器才能使用对焊机对焊,直径大于25mm的仪器不宜采用对焊焊接，现场电焊安装前应先将仪器及钢筋或空心锚杆焊接处按电焊要求,并在接头下方垫上10厘米略大于钢筋的角钢,以盛熔池中的钢液,焊缝的焊接强度应得到保证.  

4.5岩土体锚杆应力计安装埋设:

  钢筋计用于测锚杆应力时，称为锚杆应力计。装上锚杆应力计的锚杆称为观测锚杆。观测锚杆的安装埋设，应根据观测设计的安装时机进行埋设。具体步骤如下：

4.5.1根据设计的要求造孔。钻孔直径应大于锚杆应力计最大直径。钻孔方位应符合设计要求，孔弯应小于钻孔半径。钻孔应冲洗干净并严防孔壁沾油污。

4.5.2按照观测设计的要求截裁锚杆长度。选用螺纹连接的锚杆应力计，需要在裁截后的锚杆上先焊接螺纹接头，然后再与锚杆应力计用螺纹连接，接头与锚杆应保持同轴。

4.5.3观测锚杆的组装。将锚杆应力计按设计深度与裁截的锚杆对接，同时安装好排气管。需要对焊的锚杆应力计，应在冷却下进行对焊，锚杆应力计与锚杆应保持同轴。

4.5.4组装检测合格后，将组装的观测锚杆缓慢地送入钻孔内。安装时，应确保锚杆应力计不产生弯曲，电缆和排气管不受损坏，锚杆根部应与孔口平齐。

4.5.5锚杆应力计入孔后，引出电缆和排气管，装好灌浆管，用水泥砂浆封闭孔口。

4.5.6安装检测合格后，进行灌浆埋设。一般水泥砂浆配合比宜为灰砂比为1:1~1:2，水灰比为0.38~0.40。灌浆时，应在设计规定的压力下进行，灌至孔内停止吸浆时，持续10分钟，即可结束。砂浆固化后，测其初值。

 4.6 预应力锚杆测力计安装埋设:

锚杆测力计用于观测预应力锚杆预应力的形成与变化。当前，预应力锚杆广泛地应用于岩土工程的锚固结构中，通过安装测力计观测锚杆，可以了解锚固力的形成与变化，从而保证监测工程的质量与安全。测力计的安装包括安装测力计和观测锚杆的张拉锁定，即测力计安装后加载的过程。具体步骤如下：

4.6.1观测锚杆张拉前，将测力计安装在孔口垫板上。带专用传力板的测力计，先将传力板安装在孔口垫板上，使测力计或传力板与孔轴垂直，偏斜应小于0.5°，偏心应不大于5mm。

4.6.2安装张拉机具和锚具，同时对测力计的位置进行校验，合格后，开始预紧和张拉。

4.6.3只作施工监测的测力计，应安装在外锚板的上部。

4.6.4观测锚杆应与其有影响的其他工作锚杆张拉之前进行张拉加荷。张拉程序一般应与工作锚杆的张拉程序相同。有特殊需要时，可另行设计张拉程序。

4.6.5测力计安装就位后，加荷张拉前，应准确测得初始值和环境温度。反复测读，三次读数差小于1%（F.•S），取其平均值作为观测基准值。

4.6.6基准值确定后，分级加荷张拉，逐级进行张拉观测。一般每级加荷载测读一次，最后一级荷载进行稳定观测，以5分钟测一次，连续三次读数差小于1%（F.•S）为稳定。张拉荷载稳定后，应及时测读锁定荷载。张拉结束之后，根据荷载变化速率确定观测时间间隔，进行锁定后的稳定观测。

4.6.7长期观测锚杆测力计及电缆线路应设保护装置。
4.6 边坡钻孔安装方法
4.6.1按照设计施工要求，锚杆应力计安装埋没时须要钻孔，钻孔可采用钻机造孔，而钻孔的孔径大小是根据孔内的锚杆应力计最大直径（含仪器电缆引出端）及仪器支数而定。孔径约估￠90～120㎜，最大孔斜不得超过1％。孔造好後，检查钻孔直径和孔深，须采用高压水冲孔，直至孔內水变清。
4.6.2杆应力计是在孔内安装，锚杆做传递杆，传递杆长度是取决于设计图中孔内测点的位置，传递杆始终是一头接锚头，另一头接传感器（锚杆应力计），接头处是采用电焊连接或螺纹连接(螺纹拧紧时要用厌氧胶粘结)。
4.6.3采用电焊连接时，应将锚杆与锚杆计的连接杆对中之后采用对接法焊接在一起。为了保证焊接强度,在焊接处需加焊条,并涂沥青,包上麻布,以便与混凝土脱开。为了避免焊接时仪器温度过高而损坏仪器,焊接时仪器要包上湿麻布并不断在棉纱上浇冷水,直到焊接完毕后钢筋冷却到一定温度为止。焊接过程中仪器的温度要保持低于60ºC 。
4.6.4将接好锚头和仪器的钢筋传递杆、灌浆管一起插入钻孔中，锚杆一头固定在锚固板上，一头灌浆(40～50㎝)固定住锚头，经测量確认仪器工作是正常，理顺电缆，用特制的带活塞送浆管，将砂浆推送到孔底，直至孔口灌满。
 
锚杆测力计安装埋设时，锚杆测力计和垫板的接触面不允许有异物存在，垫板与测力计的接触面紧密。测力计和垫板与埋设孔的轴线的垂直度、倾斜度和偏心值应按设计规范控制。锚杆测力计安装后，安装锚杆测力计时，检查孔口垫板座的平整度，然后把测力计垫板套在锚杆上，并保证在锚杆的中心位置，然后施加预应力。安装锚杆测力计见安装示意图。加荷后，准确测量其初始值和环境温度，连续测读三次，取其平均值作为监测的基准值。
  5 操作与使用方法
  5.1 测量
  测量振弦式锚杆计先将测量线连接VW-102型振弦读数仪，将各色夹子对应连接上锚杆计的输出电缆， 黑、红测频率，白、绿测温度。振弦式锚杆计内附有智能识别芯片，其内存贮有该锚杆计的编号、系数K、温度修正系数b等信息。用读数仪测量时会自动将识别信息读出，顺序存入读数仪内，通讯给计算机，方便快速统计计算及查询，使测量实现人工智能无纸化操作。
  工程现场多支锚杆计电缆被意外挖断，用读数仪测量一遍，自动识别出每支锚杆计所对应的编号及身份信息。
  5.2 锚杆计故障排查
  当振弦式锚杆计测量出现故障时，可用万用表检查传感器芯线间的电阻值，其正常状况红、黑芯线电阻值通常为300Ω左右；绿、白芯线电阻值在温度25℃时应为3kΩ左右；红、黑线对绿、白线或对屏蔽线(裸线)间绝缘电阻值应﹥50MΩ(测量绝缘电阻时可使用100V 直流兆欧表，万用表测量绝缘电阻应用MΩ档，其值应为无穷大∞)。
  5.3 电缆故障排查
  振弦式锚杆计电缆接长通常用型号为YSPT－4水工专用观测电缆，其电缆电阻值约为45Ω/km左右。
  5.4 用万用表测量(黑、红芯线)的电阻值：正常情况为300Ω左右，再加上电缆电阻值。
   a) 如果电阻测值正常，可能仪器损坏或进水；
   b) 如果电阻测值非常大或无穷大，电缆可能断路；
   c) 如果电阻测值非常小，电缆可能是短路。
     其表现为读数仪测量不出频率值。
 5.5 用万用表测量(白、绿芯线)的电阻值：正常情况在温度25℃时应为3kΩ左右，再加上电缆的电阻。
   a) 如果电阻测值正常，请检查读数仪及其测量连接线；
   b) 如果电阻测值非常大或无穷大，电缆可能是断路；
   c) 如果电阻测值非常小，电缆可能短路。
     其表现为读数仪测量不出温度值。
 5.7 用100V 直流兆欧表或万用表测量钢筋计芯线(红、黑线对地线，白、绿线对地线，红、黑线对白、绿线)的电阻，其测值如果很小(﹤5MΩ)，可能电缆接头进水短路。
     其表现为读数仪测量正常，MCU-32自动测量单元测量频率值可能会引起测值不稳，测量温度值将比正常值偏低10～20℃左右。
  5.8 读数仪测值不稳
   a) 将屏蔽线并接到读数仪测量线的黑线夹子上；
   b) 可能电缆接头处进水，将其剪掉，重新连接；
   c) 确定锚杆计的频率范围，正确选择读数仪的激励类型；
   d) 确定锚杆计的电阻基值，正确选择读数仪的电阻基值；
   e) 检查附近是否有干扰源，如电机、发电机、天线或交流动力电缆，远离上述干扰源。
  5.9 其它
  振弦式锚杆计安装就位前、后应及时测量频率和温度值，根据锚杆计编号和设计编号作好记录并存档，特别注意保护锚杆计信号引出电缆。
安全监测仪器术语定义
 频率模数：振弦式传感器的测量单位之一，为输出信号频率平方的千分之一（f2/1000），以kHz2表示。
  起始值：仪器在现场零荷载下的测值。
 初始值：仪器安装后，在既定荷载下，安装影响消除后的测值。
 基准值：相对于荷载条件的计算起点的测值。
 满量程：仪器标称范围两极限之差的模，以FS表示。例如，对从－10V～＋10V的标称范围，其量程为20V。
       振弦式传感器工作特性所决定的最大输出频率的平方和最小输出频率的平方的代数差。
       以频率模数（输出频率的平方除以1000）为输出量的振弦式传感器，其满量程输出可表征为其最大输出频率模数和最小输出频率模数的代数差。
 分辨力：在测量范围内，振弦式传感器所能感测的被测量的最小变化值，以满量程输出百分比表示。
 滞后：振弦式传感器在输入量作满量程变化时，对于同一输入量，传感器的正、反行程输出量的最大偏差，以满量程输出百分比表示。
 不重复度：振弦式传感器在一段时间间隔内，在相同的工作条件下，输入量从同一方向作满量程变化，多次趋近并到达同一校准点时所测量的一组输出量之间的分散程度，以满量程输出百分比表示。
 非线性度：振弦式传感器正 、反行程实际平均特性曲线相对于参比直线的最大偏差，用满量程输出的百分比来表示。
 综合误差：振弦式传感器进程平均校准曲线和回程平均校准曲线二者与工作直线的最大偏差，用满量程输出的百分比来表示；该误差是反映振弦式传感器的综合性能指标。