新型振弦式锚索测力计及其应用

一、前言

在岩土工程边坡、地下洞室及其他土木建筑结构中，常采用锚索测力计对锚索/锚杆的加载及其在时间作用下的应力变化情况进行监测，锚索测力计的现场技术性能，特别是长期可靠性，一直是工程界较为关心的问题。采用国际上先进的高精度高可靠性的弦式传感器以及对锚索测力计进行恰当的设计、制造及安装等，可以确保弦式锚索测力计具有极好的灵敏性、可靠性及长期稳定性，同时，优化的设计使得锚索/锚杆测力结构更简单、体积重量减小，成本也大大降低。

二、锚索测力计的原理及结构

一般锚索测力计是采用在中空的承压筒体上固定应变传感器，通过测量承压筒体的应变变化推出承压筒体上承受的荷载，传统的应变传感器多采用应变片或其他电阻式应变计，这种形式的荷重计在一般工业和实验室领域获得了非常广泛的应用，但水电工程的野外恶劣环境，对这种应变片式的锚索测力计的长期稳定性一直是一种严峻的考验。在业界早期的尝试中，也曾推出过一种基于液压传递方式的锚索测力计，但由于在承压状态下液体不可避免的非线性压缩及温异特性等，导致液压式锚索测力计无法获得令人满意的使用精度和可靠性。

自80年代开始，弦式传感器技术开始在国外应用于锚索测力计并获得了一定成功。弦式锚索测力计的基本原理是在承压筒体上安装高稳定性、灵敏度的应变弦式传感器或力传感器，一般认为技术成熟的弦式传感器具有比应变片更好的零点稳定性以及更强的抗干扰能力，同时其信号输出是频率而不是电压，频率信号能够长距离传输而不会由于电缆电阻，接触电阻变化引起明显的衰减等特点。在另一方面，尽管采用弦式仪器具有上述一系列优点，由于弦式锚索测力计的设计加工涉及到许多独特的技术难题，目前国际上也只有个别著名弦式仪器厂商能够生产出真正品质优异长期可靠的弦式锚索测力计。

本文所涉及的弦式锚索测力计系采用美国基康公司的锚索测力计专用弦式传感器，其结构参照了基康的设计并根据中国的锚具特点进行了改良设计。其结构原理如图1所示：






由高强度合金钢制成的中空承压筒周边上沿均匀布置有多个弦式传感器，作用在承压筒上的荷载可由固定在筒体上的弦式传感器直接测出。

采用多个传感器器可以减少或消除不均匀或偏心荷载的影响。为了确保传感器的可靠固定，采用了点焊或其他技术将传感器牢固焊接在筒体上。筒体内另外设置了热敏温度计用于测量锚索测力计及现场环境温度。为了适应现场的恶劣条件，采用了整体密封技术，从而可以确保锚索测力计在2MPa水压下正常工作。

弦式锚索测力计的设计、制造应考虑如下问题：