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    提高工程检(监)测质量的研究与探索

    时间:2019-05-13    作者:李炳生,陈爱忠,洪伟     

      引言

      随着我国改革开放的进一步深化,各类建设工程的新建、改建、扩建、加固等一系列工程中,工程检(监)测质量的好坏,则成为重中之重,广大建设科技人员,针对如何进行工程检(监)测中,存在的一系列技术难题做出了各自的努力与贡献,在国內外大量高新科技创新大发展的大潮流中,提出了人工智能、大数据、5G、互联网、伩息自动化,绿色建筑检(监)测新时代已将来到,人们对检(监)测从模拟化到数字化到虚拟仪器到无线“无人试验”,将成为历史的需要和可能,本文就影响工程检(监)测的质量因素和工程应用实例,对如何提高工程检(监)测质量问题进行了研究与探索,希望能引起广大科研院所、大学、各省市计量院所,国家各检(监)测(站)单位对提高工程检(监)测质量的重视和关注,供正在或今后拟进行工程检(监)测试验研究与探索的同行们共同研究探索和分享。

      1 工程检(监)测质量的研究内容

      1.1影响工程检(监)测质量的几个主要技术难题

      1.1.1 长期耐湿度和防水性能,有的还需要埋入混凝土内部,或有一定深度的水下能正常工作;

      1.1.2 适应气温变化范围大,一般为-30~80度,甚至在几百度高温下;

      1.1.3 抗电磁波、强电磁场及微电磁波干扰,甚至核福射能力;

      1.1.4 静态测试的长年稳定性和动态测试的疲劳寿命;

      1.1.5 抗风性能如风振、风压和风速等。

      1.2 解决工程检(监)测质量中存在的技术难题

      1.2.1 对传感器的选用原则

      1.2.1.1必须具有长期稳定性和重复性好的由专业厂生产的优质产品,如有智能型或复合型产品则更好,如应变与温度复合;

      1.2.1.2 必须具有极高的输出灵敏系数,又要有合适的量程范围;

      1.2.1.3 必须具有超低的频率响应和合适的动态范围,如从0.001-100kHz;

      1.2.1.4 防护等级要高,如Ip67乃至在深水压力下;

      1.2.1.5 可适用工程检(监)测用传感器的应用举例

      可适合用于工程(尤其是长期)检(监)测传感器品种、规格、用途多样,从目前国内外大致有如下三种应变传感器比较通用,现分别介绍如下:

      1.3.1 振弦应变传感器

      它基本原理是选用优质金属线材,固定在传感器两端点处,并给予一定的预拉力,然而当由专用频率测试仪,发出一个电磁信号,使振弦产生一个激振力,从而促使振弦应变传感器产生频率信息变化,再由专用频率测试仪,接收并用专用软件以传感器出厂时标定系数及计算公式,加以采集显示或由计算机,进行存储及打印记录,测取应变、压力和位移等有用参数。科技人员很早就把它应用在地基基础和钢筋砼表面或内部作应变测试传感器之一,国内外有关振弦应变传感器规格甚多,如选用优质产品,则可使用在长期检(监)测之中,因此种产品使用时间较长,如在地下工程检(监)测之中,在普通检测工程中,应用也较普及,其优点是不受连接电缆电阻值影响,又可仅用单个采集仪,分别测定几个到数十个测点,为此信价比较好,目前在频率测试仪上,同时做成多通道进行自动测试记录,由于生产厂商提高了频率测试分辨率(如可达0.01Hz),增加了专用分析软件,从而测试精度和自动化水平有所提高,但它主要的不足之处,是因为由于它的基本原理所定,只能进行静态测试,而不能进行动态测试,从而也影响限制了此种传感器的大量推广和应用的可能。

      1.3.2 电阻应变传感器

      它的基本原理是,首先采用粘贴在传感器受力弹性元件上的,由专业工厂制造的低蠕变温度自补偿金属丝式电阻应变计的电阻效应,即如(1)式表示:

      R=ρL/F                                       (1)

      式中:R--金属丝栅的电阻值(Ω);

      Ρ--金属丝栅的电阻率(Ω/mm2/m);

      L--金属丝栅的长度(m);

      F--金属丝栅的横截面面积(mm2)。

      再利用电阻应变计灵敏度系数K值,来实现非电量的相对应变量(ε)转换成为电阻量的相对变化量之比的关系式,如(2)式表示:

      K=(△R/R)/(△L/L)              (2)

      式中:K--电阻应变计的灵敏系数;

      △R/R--电阻应变计电阻与相对变化的电阻之比;

      △L/L--被测试件受力后的相对变化量即ε。

      利用电阻应变电桥的桥臂和桥臂加减特性,把非电量的应变量,转换成为电压信号输出,其电阻应变电桥工作原理参见图1所示。

     图1 电阻应变传感器应变电桥工作原理图

      图中:

      R1,R2,R3和R4--电阻应变电桥的4个桥臂电阻(Ω);

      U--电桥供桥电压(V);

      U--电桥输出电压(mV)。

      可得出电阻应变电桥的电压输出关系式如(3)式所示:

      △u=uK(ε1-ε2+ε3-ε4)/4                (3)

      式中:u--电桥供桥电压V;

      ε1,ε2,ε3和ε4--电桥4个桥臂相对应变;

      K--电阻应变计的灵敏系数。

      当传感器采用全桥接法时,又根据贴片在弹性体上的受力机理,在已知ε1=ε2=ε3=ε4,且绝对值相等条件下,即其电压输出值△u为(4)式所示:

      △u=uKε

      电阻应变传感器,就是充分利用上述(1)~(4)式的相关关系,可分别计算出其输出灵敏系数(Kn)比半桥独立补偿电桥提高了2倍、2(1+μ)倍或4倍,且温度又得到了自动补偿的目的。

      各种电阻应变传感器的成功研制和批量工厂化生产,彻底改变了已有80多年历史传统的电阻应变计,只能使用一次和不能直接使用在环境条件恶劣的情况下,例如由同济大学经过多年研发,江苏省溧阳市超源仪器厂生产的GBY型表面或HNY型砼内部应变传感器,就具有极高的输出灵敏系数(如s=10000με/mm),又有合适的量程范围(+-0.5mm) ,如当标距L=100mm时,其测试灵敏系数与直接粘贴式电阻应变计所测应变相等, 在设计制造应变传感器时,充分利用应变电桥的桥臂系数(Kn)及温度自补偿技术,在加工时采用了严格的加工工艺,并经过对传感器元器多重老化和二次密封技术(如在传感器内充中性油),再经过严格的出厂标定工序,我们选择了不同规格成品,其中把HNY型砼内部应变传感器直接浸在水中,已进行了在室内常温的2000多天长期试验,均能保持良好的稳定性,认为它可具有良好的长期(年)稳定性和可靠性,当科技人员选用此种电阻应变传感器时,虽然一次性投入价格比单个电阻应变计偏大,但只要注意对传感器的正确使用和保护,如可以做到多次乃至无数次重复使用,再考虑到在工程现场直接粘贴电阻应变计的繁杂操作(试件表面处理粘贴电阻应变计粘贴接引出导线防潮密封等工序的繁复的强劳动作业) 再从人工安装的安全和成活程度的测试效果来讲,其信价比显得十分优良。目前己有种类多样,性能优良的应变、拉压力、位移、倾角、度、扭矩、速度和加速度等物理参量的电阻应变式传感器,可在各项工程检(监)测中的传感器产品之一,常用应变式传感器产品,请参见本文附录表1 常用工程传感器一览表所示。

      1.3.3 光学应变传感器

      它的基本原理是利用光纤光栅的光学应变计所制成的光学传感器,在被检测试件受力后,将会产生光学效应,用于应变测量是因为放射点的距离和由于应变导致的波长的改变,其变化可由光学应变计数据采集系统采集及由专用软件加以计算分析。由于光学测量技术的出现,目前它可由一根光纤可带13个光学应变计,单个光纤又可以处理多个测试点,它不受电缆长度影响,安装与使用,比传统的电阻应变计更方便和快速,又可适用于高电磁和爆炸等恶劣环境下工作,从而可降低安装和使用费用。由于上述优点,可获得从力、位移、应变、温度、扭矩、速度和加速度等物理参量的高精度和可靠的数据,由于光学测量技术的出现,又给工程检(监)测的试验研究提供了,全新理念的测试系统,值得今后不断加以总结、推广和应用!唯独目前光学应变计和光学应变计数据采集系统的价格十分昂贵,不是一般单位可轻易选用,相信在不久的将来,经过产、学、研、用的共同合作,不断的开发和创新,一定会出现价廉物美的光学测量产品,应用在各类工程检(监)测之中。

      1.4 重视信号放大(适配)器的选用,是确保工程检(监)测质量的又一个关键之一,一般需注意如下几点:

      1.4.1 对所选用不同原理组成的传感器时,应正确选用由不同信号放大(适配)器相完全匹配,此时同样需要优先选用长期稳定和重复性能好的信号放大(适配)器;

      1.4.2 静态长期稳定性能好,又要考虑合适的动态响应范围,如0.01~100kHz或更大;

      1.4.3 抗干扰性能好,尤其是对50Hz交流电场的干扰性,带有高低通或选频滤波功能更好。

      1.5 对数采和测试分析系统的选择要求如下:

      1.5.1 与选用组成系统的不同型号的传感器和信号适配器完全相匹配且兼容;

      1.5.2 长期静态稳定性能好和合适的动态响应范围;

      1.5.3 采集和分析软件功能齐全,具有边采、边存和边传输,最好优先选用具有远程测试和控制功能好的人工智能化网络技术,如带有GPRS无线网络。

      1.5.4 测试分析系统应优先选用带有无线测试人工智能化网络技木

      从整个测试分析系统来讲,选用何种传输方法,应根据工程的检(监)测的试验目的和现场环境要求来定,有时候在施工期和营运期需要不同的数据传输模式。从目前科技水平来讲,市场上可供无线检测的测试分析系统,巳经有了多品种多规格给大家选用,如江苏东华测试科技股份有限公司、江苏泰斯特电子设备制造有限公司、扬州晶明科技有限公司、江苏溧阳伟涵仪器厂等均已经有了静态、动静态和动态无线测试分析系统上市,为此应优先选用技术先进的无线传输技木,因为它免去了传感器与适配器或适配器与数采和测试分析系统连接电缆之间的大量的布线和回收的工作量,再可以防止各种电子干扰信号的带入测试分析系统中,由江苏溧阳伟涵仪器厂生产的GPRS网络的开发应用,开创了把试验室试验遥传到各自的办公室成为现实,举世嘱目的上海中心大厦施工检(监)测和江苏泰州市文峰塔托換加固工程变形检(监)测试验,是选用无线测试技术或是选用无线测试技术和有线数据传输测试技术交替复用的典范,从而使有关工程检(监)测质量有了可靠的应用效果。

      有关传感器、放大器(适配器)和测试分析系统的基本组成,请参见本文附录表2所示。

      2 工程检(监)测的试验应用实例

      2.1 应用实例之一,上海中心大厦结构工程的长期检(监)测研究

      举世瞩目已建成的上海中心大厦,它由一幢124层塔楼(建筑高度632m,结构高度580m)和一个7层商业裙房(高度38m) 组成,整个场地下设5层地下室,基础埋深25.4m,塔楼采用巨型框架——核心筒-外伸臂结构体系,设置了六道外伸臂桁架。鉴于上海中心大厦建筑的重要性及其结构高度超限、楼层平面尺寸超限、楼层平面尺寸突变,世界上首次在超高层建筑安装14万㎡柔性幕墙等因素,除了事先已对全模型进行了室内振动台试验外,还需进行施工检(监)测,检(监)测就是采用了由琛圳生基科技有限公司生产的无线传输检测新技木,大厦在整个施工全过程中,选用了埋设在各个受力部件上的数百个,多品种不同功能的传感器与适配器和测试分析系统,用无线数采方式,不断的向工程指挥部提供有效可靠数据,从而保证了施工安全,该测试分析系统,还将会继续用于今后的工程长期健康检测之中,它还将发挥着确保工程长期安全检(监)测的重任,该长期检(监)测的试验,终将会成为我国乃至世界大型土木结构工程检(监)测的试验研究的典范之一。

      2.2 应用实例之二,江苏泰州市文峰塔托換加固工程变形检(监)测试验

      2.2.1工程概况

     

    图2 江苏省泰州市文峰塔全景

      江苏省泰州市文峰塔,总高 56.46m(室外地面至塔顶),平面呈规则的正八边形,八层,钢筋混凝土框架结构,泥浆护壁钻孔桩基础,2015 年开始建造,目前新建主体结构已封顶,但工程尚未完全竣工,如图2所示。

      业主为了塔体今后运行方便,拟拆除-4.900 至-0.050 标高范围内塔平面中心处大型圆柱一根,拆除部分楼层楼板等,故需对原结构进行相应的托换加固处理。拔柱施工总体流程和加固方式、拔柱施工总体流程见图3所示。

      拔柱前先对既有结构构件进行扩大截面加固,新增钢骨混凝土托换结构以及托换体系前的临时支撑,逐步削弱中心柱截面最后实现切割。该加固方式的特点是,现场作业空间小,复杂工艺多,主要技术为托梁抽柱。抽柱过程中的监控和预案十分重要泰州市南山寺恢复建设工程文峰塔拔柱改造工程托换施工监测由上海同济检测技术有限公司负责进行。

      2.2.2现场检(监)测方法介绍

      2.2.2.1拔柱施工工程检(监)测目的

      为保障文峰塔拔柱改造工程托换施工的安全,系统地了解所有检(监)测对象,在整个施工工程中的位移、变形、受力等情况,为工程实现动态设计和信息化施工提供所需的数据,包括:位移和变形监测(中心柱托换时对钢支撑进行应变监测、中心柱削弱过程中柱的应力监测、上部梁、板变形监测)、动力特性测试、振动加速度监测、房屋沉降变形与变形监测及关键部位与薄弱处裂缝观测等。

      2.2.2.2选用测试系统如下:

      工程检(监)测系统,由传感器、数据采集及无线传输和数据管理分析系统三部分组成。监测系统构成示意如图 3所示。图4为静力水准仪。在建筑物整体姿态关键部位布置若干个固定式双轴测斜仪,通过实时的倾斜值反映建筑物南北向、东西向的倾斜变化。以光学测量方法测出的倾斜率作为初始值,由此可得出实时的倾斜率值。图 5 为双轴测斜仪,应变测量采用 GBY-100 型高灵敏应变传感器,图6为应变传感器,挠度测量采用位移计,如图7所示。

     

    图 3  拔柱施工总体流程图 

    图4 静力水准仪照片   

    图5 双轴测斜仪照片 

    图6 GBY-100型高灵敏度应变传感器照片 

    图7 YWC-50型位移传感器照片

      动力监测部分采用的仪器设备主要包括:①Lance LC0132T 高灵敏度压电式加速度传感器;②数字采集仪;③各种长度的信号线;④数据采集终端(笔记本电脑),其中监测所使用的传感器为内装微型 IC 放大器的压电加速度传感器,如图8(a)所示,该加速度计灵敏度较高,测试频率范围为 0.05~500Hz,其量程为0.1g;数字采集仪型号为Labview NI 9234,一共有4个采集通道,运行环境温度为-20℃~55℃,如图8(b)所示。(a)加速度传感器,(b)动力采集仪,图9动力测试用仪器,数据采集及无线传输系统采用CY-G16R 型数据采集单元,对传感器系统采集到的监测数据进行自动采集和汇总。

      图8 动力测试用仪器照片

     

      图9 数据采集系统照片

      总线控制单元用于控制数据采集单元进行传感器数据采集,局域无线数据传输单元用于多个数据采集单元间的组网传输,远程无线数据传输单元通过由江苏省溧阳市伟涵仪器厂生产的 GPRS 网络用于传输监测数据,短信报警单元可根据用户设置的报警值及时发送监测报警,数据采集传输系统将采集到的监测数据汇总后无线传输到信息管理中心的主控计算机内。图9为数据采集系统,包含数据采集传输系统的所有单元模块。

      数据管理分析系统信息管理中心主控计算机接收到监测数据后,接下来进行整理、计算和分析,并绘制各种表格及曲线。同时,利用数据库进行数据的存储和管理,对监测数据进行分析处理后,信息管理中心通过公共网络平台传输到相关单位,实现数据的远程实时传送,必要时进行预警或发布警报。相关单位根据监测数据的变化情况,决定是否需要调整施工步骤及采取相应的控制措施,以实现建筑物倾斜变形的动态控制,确保结构安全和工程正常进行,结构的振动信号经由传感器拾到后转化为电信号传输到采集终端,通过分析加速度响应数据,可以获得结构的动力特性,如频率、振型和阻尼比,其中频率是结构的固有属性,反映了结构在激励作用下的动力性质,如果激励与结构固有频率接近,就容易发生共振;振型反映了结构的质量和刚度沿结构高度的分配,同时也反映了结构的边界条件;阻尼比反映了结构的耗能能力。

      2.3 文峰塔改造施工期间局部检(监)测结果如下:

      2.3.1沉降,在检(监)测期间沉降均较小,最大累计沉降 1.89mm, 发生在楼面中心区切割期间,均未达到预警值,目前沉降均趋稳定。

      2.3.2倾斜,倾斜最大累计增量为-0.4570‰,施工期间倾斜变化量均较小,未达预警值。

      2.3.3挠度,从2018年8月8日至2018年8月13持续监测6日,托梁日均增量最大值 3.92mm, 累计增量最大值 3.92mm. 监测均未达到预警值。

      2.3.4动态检(监)测动力特性监测结果如下,结构的振动频率变化幅度都在 5%的安全范围,最后切割过程中频率变化也在安全范围内,未达预警值。

      文峰塔改造施工期间局部检(监)测结论是,从上述4项检(监)测数据得出,整个改造施工期间局部检(监)测结果有效,文峰塔改造施工期间工程安全。

      3提高工程检(监)测质量的探索

      为确保各项工程检(监)测质量,特作如下建议,仅供同行共同探索和参考。

      3.1 必须根据工程检(监)测目的要求,在对被检工程充分调研下,制订出一个全面的且切实可行的试验方案,方案中必须包含:根据施工场地和自然环境条件,是长期还是短期检测,加载(卸载)步骤,测点布置及全过程测试程序,从传感器、放大器和数采测试分析系统的选配等直到报告的一次生成,经验告诉我们,任何一个理想的试验,首先取决于一个十分周全正确的试验方案,对于重大工程检(监)测项目,必须组职有关专家对方案的评审,只有专家评审通过后,才能进行立项试验。

      3.2 正确选用适合的传感器,除了正确选用输出灵敏系数高和量程范围适中的产品外,更应十分注意它的长期稳定性和重复性好,尤其对某些重大工程或需作长期健康性能检测的项目更为显得重要。为减少直接粘贴式的电阻应变计的繁琐复杂的操作过程,尤其是在现场环境条件极差的场合下,拟优先选用由专业工厂生产,性能优良,操作方便,且可以长期重复使用的工具式应变传感器,如由江苏溧阳市超塬仪器厂生产的专利产品GBY型工具式表面或HNY型砼内埋应变传感器等。

      3.3 采用测试“系统标定方法”,来提高工程检(监)测质量,除了事先对被选用的传感器、放大器和数据采集分析系统中的每个组成部分,是否具有生产许可证和出厂合格证之外,还应分别选项抽检,了解其主要性能,是否符合某项检(监)测质量的要求,为了检定系统性能是否符合要求,则一般还应采用“系统标定法”,来确定系统的计量精度,所谓“系统标定法”,就是采用标准计量器具,在传感器端处,给出一个标准量值,然后在终端的数据采集系统处,测得一个相应数值,再求出其系统总的灵敏系数和线性,如对于位移传感器,则可在位移传感器端处,给出一个标准数值,如1.00mm,此时在数采系统处测得为10.00mm,则其位移总放大了10倍,采用此种“系统标定法”,因它们之间可自动抵消了各部件甚至包含长导线电阻阻值等影响所产生的误差,而且数值也显得十分直观,即不必要再经过复杂的计算,而可直接测得所需物理量值,显得更直接更精准好用,从而使测试精度会更高。

      3.4 采用“虚拟零点法” 来随时确认以传感器为主的数采分析系统所测数据的长期可靠和正确性,所谓“虚拟零点”,即在测试系统中,选用一个与工作测点环境“完全相似”的条件,但是它唯独不处在受力状态情况下,例如在选用HNY型砼内埋式应变传感器,来测定砼内部应变时,除了在被试焊件内设置传感器测点外,另还将把一个同型号传感器,埋入一个相同砼标号的砼块体内(有条件可埋设在梁体的中和轴或梁端部不受内外力作用的相同试件体中,作为“虚拟零点”), 用它仅仅作为“零点”测试点,采用这一技术措施,不仅可以随时检(监)测整个系统的所测数据的正确性, 当有必要时,还可作为检(监)测时的修正数据的依据之一,从而确保工程检(监)测质量水平。

      3.5 尽量选用人工智能型或具有前置电压(电流)输出的复合型传感器,例如智能型振弦应变传感器,当需要时,测试人员只要操作一下,就能知道传感器所在点位和标定值,可利用测试分析系统的软件功能,就很方便的检查到测试数据的运行状态,尤其进行工程长期检(监) 测时,工程检(监)测质量会有了保证。

      3.6 采用测试系统中自动增益技术,来提高传感器与测试系统的测试精度,例如选用GBY-100型应变传感器进行长期检(监)测的全过程测试时,因它有极高的输出灵敏度,又要满足大量程要求,客观上是一个很难解决的矛盾,对此人们采用了由后接数采分析系统中,所具有的自动增益功能,即当要求小信号时的高灵敏时,放大器增益提高,而当达到一定量程范围时,则由放大器自动降低增益来满足大的量程检测要求,这在做长期工程检(监)测时,如遇上非常时期(如冲击、爆炸或地震等突发事件),采用这种技术将不会因信号过载溢出而丢失有用数据,从而可确保获得十分良好的测试效果,从而确保了工程检(监)测质量。

      3.7 优先选用高新科技成果的成熟系统成套产品,对于传感器,则选用性能优良的且由工厂化批量生产的人工智能复合型产品如应变与温度,对于信号放大器(适配器)则选甪性能稳定且完全可匹配多功能产品,对于数采系统,则优先选用人工智能化互联网和5G网络低时延,大带宽的特点,尤其是捕捉瞬间动态大数据变化,现已市场化的GPRS无线传输网络及分散式多测点高速数采系统等,可实现了实验室拎着走,既可进行试验室试验,又可实现任何远程测控,不仅可减少测试工本,和分析系统则需要配置软件功能齐全的产品,详细可参見本文的附录2 通用工程检(监)测试分析系统表。

      综上所述,人们为了要提高工程的检(监)测质量技术水平,首先要结合工程实际情况制订一个考虑十分周全,技术措施得当,是成功关键之一。而正确选用各种性能良好,长期稳定性好的各种类型传感器与其相互匹配的适配器和数采测试分析系统是成功关键之二。而成功之三应是得到国家科研院所、大中专院校、国家计量院所、检监测中心(站)等单位的努力共同重视,走产、学、研、用道路,更重要的要有一批专心热爱检(监)测事业的且相对稳定的有高技术水平素质的检测人员,只有通过他们辛勤劳动,今后将在国家不断深化改革开放政策引领下,不断的进行技术创新,工程检(监)测质量,一定会有更可靠的保证,将会为国家各项重大建设工程作出更大的贡献!

      参考文献

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      [19] 李炳生.混凝土力学性能测试系统研制和应用,工程质量与检测2013.第一期,P13-15.

      [20] 胡志凌,李炳生,胡敬礼.传感器在建筑结构试验中的应用和如何提高计量测试精度的技术问题,电子测量与仪器学报,2007年第21卷P695-600.

      [21] 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结构试验与加载检测技术的发展及其应用, 同济大学土木工程学院,同济大学结构工程师, 2011年增刊 P255-259.

      [22] 江苏楊州晶明科技有限公司,产品指南(S)(电子稿) 2017.12.

      [23] 江苏溧阳市金诚测试仪器厂,产品指南(电子稿)(S) 2018.02.

      [24] 范佩芳,李炳生.从动静态应变测试分析系统的发展谈有关计量检定规程的制修订(J).中国计量,2003.(8).

      [25] 范佩芳,李炳生.从电阻应变仪新老检定规程的对比看新規程的进步(J).中国计量,2006.(8):66-67.

      [26] 26靖江市成孚电子有限公司,产品指南(S).2018.05.



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