鋼筋應力計工藝說明

 一、說明

在建筑工程的強震觀測及建筑結構試驗的長期測量中，鋼筋應力、應變是了解力學性能的重要參量。強震觀測及長期測量的著眼點是數據的長期穩定和可靠性，并能真實反映物理及力學狀態的變化。在鋼筋應力應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構的并不多，除振弦式鋼筋應力計外，國內尚無比較可靠的方法。自接受強震觀測及結構試驗中鋼筋應力、應變測量問題的任務以來，力求以應變片技術去解決這一問題。原因是，隨著國內應變片電測技術應用水平和儀器生產技術的日益提高和普及，為鋼筋應力長期測量創造了良好條件，多年來我們積累了一些應變式傳感器加工制造、工藝處理和使用的經驗，有一定的技術基礎。

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

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

我們研制生產的應變式鋼筋計規格和技術指標是：

    二、鋼筋應力計結構

對鋼筋應力計的結構，從工程實用性來看，力求結構簡單、可靠、成本低、使用方便。從應力計結構設計要求：使傳感體形狀簡單、易加工，應變片工藝處理簡單，長期電氣力學性能穩定。為此選用國產Ⅱ級或Ⅲ級鋼筋，稍事加工處理即可。傳感體采用圓柱形結構，表面經車加工，外用鋁或鋼保護罩,全傳感器只有三種四個機械零件，如圖1所示。

傳感體的直徑設計，按zui少影響鋼筋應力角度出發選用：

φd=k·ΦdD           k——加工系數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，細直徑的短些，粗直徑的長些。在這樣長度下，工程實際運用時，即使用焊接（接觸焊、電弧焊）方法和實測鋼筋連接，也不會因熱傳導的溫升，影響傳感器的電氣性能。

保護罩的作用是為灌注環養樹脂及保護應變片和引出線不受機機械損傷之用。研制時用硬鋁材料，成本高些，大量生產時可用薄壁鐵管制成，經防腐處理即可。

傳感體的應力δ按2200~2400公斤/厘米²設計，彈性模量取E—=2．0x10⁶公斤/厘米²。鋼筋的應變為

由于應變電橋采用全橋，貼片方式用二片縱向應變片（工作片），二片橫向片（補償片）。傳感器在儀器上的讀出應變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、機械加工引起的內應力和提高彈性體力學性能，將加工好的傳感體放入烘箱內，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，經清洗干凈后保存，以備粘貼應變片之用。

2)     應變片的處理和選擇

應變片采用材3×5毫米規格的箔式應變片，基底是聚乙烯醇縮甲乙醛。購入的應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，購入的應變計一般基底固化不充分、阻值不穩。經予固化處理后膠膜和阻值都穩定下來了。

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

用精度1/1000的電橋或數字歐姆表，選擇應變片阻值，使每四片為一組的應變片阻值，zui大差值不超過±0．05歐姆。選出的應變片按阻值編號，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的粘貼位置上。將應變片反貼（柵絲面朝下），在相應位置上使應變片基底的一部份（邊緣）和滌淪膠膜相粘貼，這樣應變片相對位置不變。在應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，迅速將固定好應變片的滌綸膠帶，貼在傳感體上，用手指迅速捻壓應變片，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，使應變片引出線佈勻，不得壓在應變片底下，也不許碰斷引出線。

固化處理：將貼完應變片的傳感體一起放入烘箱按如下工藝進行固化處理

   80℃±5℃         保溫1小時

   120℃±5℃        保溫2小時

   170℃±2℃        保溫4小時

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

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

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

塗隔離層：用凡士林、機油、石蠟混合劑塗在應變片和引線焊點上，不要太厚也不要太薄。這種隔離層的目的是防止環氧灌注層的過大變形影響應變片。

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

    四、技術性能檢驗

1)     室溫下八小時內的電橋零點漂移

這項檢驗目的是衡量室溫下鋼筋應力計電橋零點穩定性。試驗在衡溫箱內進行。衡溫箱內溫度控制在20℃±1℃。把待檢應力計放入衡溫箱中，引線伸出箱外，接在YJ-5型應變儀的P20R-5型平衡箱上，接通儀器半小時后，調節各點平衡。使衡溫箱內溫度20℃±1℃穩定一小時后，再次調節各點平衡。八小時后記錄各測點讀數即為八小時內的電橋零點漂移值。試驗結果如表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，研制的十四個鋼筋應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，性能極其穩定。十四個鋼筋應力計中有78％（11個）可以達到小于0﹒2％/8小時的指標。所以研制的鋼筋應力計短期內時間穩定性是可以保證的。長期（1000小時以上）穩定性要通過長期持荷試驗來驗證。

2)     溫度對電橋零點影響

本檢驗的目的是衡量溫度變化對鋼筋應力計電橋零點影響的穩定性。這是一項重要的檢驗。因為鋼筋應力計在工程長期應用時，因季節溫度變化對應力計究竟有多大影響，是長期穩定性的重要指標。試驗仍在恒溫箱內進行（應力計無負荷），溫度變化范圍是

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

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

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

3)     靜態標定

鋼筋應力計在試驗機上進行靜態標定，用YZ-5型應變儀記錄各應力計輸出值，通過靜態標定可以給出各應力計，在不同載荷下的應變輸出值，以供實測換算，靜態標定時，按額定應力值分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。按三個加載循環記錄數據。各應力計的試驗結果如表3所示。

按照表3—1至表3—2的實測結果，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％。由于靜標定用的YJ—5型靜態應變儀，基本誤差（即精度）為2％，所以，以它為量測儀表的鋼筋應力計的精度只能為±2％。

由于應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有限的標定點數值去計算額定量程內，任何輸出值（微應變）對應的鋼筋應力值或荷載值。

五、使用方法

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

1、鋼筋應力計埋設和連接

根據實際鋼筋額定或zui大應力值選擇適用規格的鋼筋應力計，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，損壞環氧防潮層，破壞絕緣性能。物流軟件為此，允許用風冷、水冷方法降溫。

鋼筋應力計的引出導線一般為1000毫米長，工程施工前，如果導線不夠長，可以用規格（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。

鋼筋應力計連接完畢，導線家長封好絕緣后，在導線引出端，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。電橋對角線阻抗相等并等于額定阻值。

2、測量儀表。本鋼筋應力計可以用普通靜、動態應變儀做測量儀表。也可以使用其他類型的儀器儀表。如：直流電子電位差計，數學電子秤等。

3、使用注意事項：鋼筋應力計多用于鋼筋混凝土內部的應力測量，因此進入構件后，澆灌混凝土時，不得損壞導線，也不得使傳感體承受過大的彎曲應力，以防局部過負荷和破壞絕緣層

六、結論

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