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。
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：
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图1
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三、锚索测力计设计参数及材料选择
采用高品质的弦式传感器无疑是锚索测力计设计最关键的选择，本文所涉及的弦式锚索测力计均采用了美国基康弦式锚索测力计专用传感器灵敏度0.05% F.S.，精度 0.1% F. S.，年漂移<0.1%。
锚索测力计的设计应该根据所采用的锚索直径、吨位等参数先确定锚索测力计中心孔径。承压筒的强度设计将决定锚索测力计的尺寸及灵敏度，其设计使用强度一般应保持在承压筒材料许用极限40%之内，过于低的设计工作强度将减小仪器的灵敏度，大量的试验结果表明，对于弦式仪器，比较理想的设计使用应力应控制在30%左右。
为确保仪器具有较好的线性度及超载能力，锚索测力计承压筒体的材料宜采用高强度合金钢并经正确的热处理。
除了采用适宜的强度设计及材料外，高径比通常是锚索测力计设计的一项重要指标，高径比过小将导致锚索测力计应力传递（扩散）不完全，从而导致仪器的重复性不好，高径比过大将使锚索测力计在承受偏心荷载时筒壁承受过多的剪力导致测读误差增加，同时也将带来体积（重量）过大，安装使用不便等缺点。设计合理的锚索测力计应该在满足设计重复性的前提下，高径比应尽量小。 由于锚索测力计一般在室外大温差环境使用，在选择锚索测力计筒体的材料时，应该尽量选择采用筒体材料的温度特性应与弦线的温度特性一致以确保仪器具有较好的温度特性。
图2给出了BGK-4900型锚索测力计分别采用GCr15及另外一种合金钢作为筒体材料仪器的不同温度特性，从试验的结果看，采用另外一种合金钢无疑是一种比较好的选择。
图2
对水电工程而言，性能优良的锚索计要求的技术指标应该达到灵敏度0.1%F.S.，综合精度0.5% F. S，年漂移≤0.5% F.S.，为了达到这种技术指标，无疑要求所采用
的传感器具有更好的性能。
为了更准确的了解锚索的受力情况以及减少偏心荷载及其他应力集中所导致的误差，锚索测力计承压筒周边上应该布置3～6只传感器，一般的原则是传感器之
间的距离应小于锚索测力计的工作高度。
四、锚索测力计装配及时效处理
锚索测力计传感器在装配时应预置在一个适宜的较高的频率点，以便让锚索测力计在受压后（设计荷载下）处于最佳工作频率区域。对于采用多个传感器的弦式锚索测力计，理想的装配应该是多支传感器的初始值应基本一致，这样才能最大程度上确保仪器的优良性能。
为了确保仪器的精度及长期稳定性，锚索测力计装配完成后必须进行整体时效处理，以消除承压筒本身及传感器点焊或固定后的残余应力，实际上，这是决定锚索测力计具有良好长期稳定性的最关键的工艺步骤。采用传统的自然时效无疑是一种理论上可行的方法，然而，实际工作中这种耗时的方法难于满足通常的交货要求，因此，采用一种经济快速的时效技术是十分必要的。
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五、锚索测力计的率定
锚索测力计率定的目的是确认锚索测力计性能及测量精度的重要环节，因此需选用精度较高的加载设备，一般的油缸压力机稳压通常较困难，难于获得理想的加载效果。锚索测力计理想的率定加载设备是采用砝码式压力机。
锚索测力计在正式加压率定前应先经过数次预压，第一次预压的强度应达到设计荷载的110～125%并在此强度下停留一段时间。
许多制造商及用户发现，即便采用很高精度的率定设备进行率定，有些锚索测力计在现场安装后与其他标准加载装置之间仍可能存在相当程度的不一致，在大多数情况下，这种不一致性来源于现场安装时采用了不正确的锚垫板的形式及安装方法以及加载装置液压传导等导致的误差，然而，锚索测力计率定时，若采用不恰当的率定加载方式及荷载传递垫板的形式也可能导致误差。表2给出了对同一锚索测力计采用不同加荷方式以及荷载传递垫板形式的比较情况，试验数据表明，采用不同的加载方式及荷载传递垫板形式其可能的误差可能高达10%，为了确保现场监测的准确性，率定时荷载传递垫板的形式及受力条件应尽量与现场受力情况一致。
加载方式 对应单位荷载（100%）的锚索计读数
25mm垫板 50mm垫板
加载筒直径小于锚索计(75mm/125mm) 108% 102%
加载筒直径等于锚索计 (125mm/125mm) 100% 100%
加载筒直径大于锚索计 (175mm/125mm) 96% 98%
六、锚索测力计的长期稳定性测试
对于需要在野外恶劣环境中长期使用的仪器来说，其长期稳定性无疑是最令人关注的性能。诚然，采用低漂移具有很好长期稳定特性的传感器无疑是制造高性能锚索测力计的关键，但是由于锚索测力计本身在使用中由于外界条件的不断改变及其他现场条件所限，仪器的长期稳定性很难在现场进行较精确的检验，因此，采用其他方法验证仪器的长期稳定性是十分必要的。一般而言，采用测定锚索测力计在未加载情况下（此时钢弦传感器处于最不利的工况）的长期零点漂移可以在相当程度上表征仪器的长期稳定性。图3给出了一组采用美国基康传感器的BGK-4900型锚索测力计长期漂移特性的测试，这些锚索测力计在一年多的时间内进行了多次超过设计荷载的反复加压，实验数据表明，该BGK-4900弦式锚索测力计15个月的漂移未超过0.1%。
日期 0-1# 0-2# 0-3# 平均
97-4-1 2820.4 2832.2 2819.7 2824.1
97-5-1 2819.9 2831.9 2819.6 2823.8
97-6-2 2820.0 2832.0 2819.4 2823.8
97-7-2 2819.8 2832.0 2819.3 2823.7
97-9-1 2819.6 2831.7 2819.8 2823.7
97-10-1 2819.6 2832.0 2820.1 2823.9
97-11-1 2819.6 2831.8 2819.9 2823.8
97-12-1 2819.4 2831.9 2819.9 2823.8
98-1-1 2819.5 2831.5 2819.7 2823.5
98-2-1 2819.3 2831.4 2819.1 2823.3
98-3-1 2818.9 2831.4 2819.0 2823.1
98-5-2 2818.1 2830.6 2818.4 2822.4
98-6-7 2818.0 2830.8 2818.5 2822.5
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图3
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七、工程实例
BGK-4900型锚索计目前已经在多个大型工程中应用了近200套，量程从200KN到10000KN，使用情况非常好，尚无一例失效。
图4、图5是在湖南大源渡水利枢纽工程中应用的BGK-4900的实测数据。该工程1997年11月起在大坝予应力闸墩上共安装了12只5000KN锚索测力计,其中有些采用对穿张拉的形式，在张拉过程中上下两端的锚索测力计动态读数误差不超过2%。张拉完成后到目前最长8个多月的实测资料表明，锚索测力计读数稳定可靠，并能及时反映工程施工中荷载（如坝体灌浆等）的变化。
图4 图5
图6是浙江天荒坪抽水蓄能电站安装的一组 3000KN量程的三弦 BGK-4900锚索测力计的现场测值。近十个月的数据表明，仪器测值准确可靠，并且在监测过程中，该锚索计还精确的反映了由于边坡开挖放炮引起的锚索应力调整的状态。
图6
其他在北京十三陵抽水蓄能电站、北京东方基础工程等安装的同样型号的弦式锚索测力计也全部表现了卓越的性能。
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图4
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图5
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图6
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七、弦式锚索测力计存在的问题及改进的方法
毫无疑问，BGK-4900锚索测力计是目前国内岩土工程上技术性能最优异的锚索测力计，同时也具有很好的性能价格比，由于采用多弦技术，尽管可以测量出锚索的偏心荷载或其他不均匀荷载，然而，在现场测量时，需要分别测出3～6支传感器的读数总和或平均以求出总荷载，是一件比较烦琐的工作，劳动效率较低。据称，国内有关单位已经开发了一种可以自动处理多弦锚索测力计传感器数据的读数仪，可以一次测读即可获得总荷载及各弦的荷载分布，这可能也算是一种较好的解决方案。
此外，一般情况下弦式锚索测力计只宜用于静荷载的监测，对于需要监测动荷载的场所，可以采用特殊设计的弦式动荷锚索测力计，但一般只能监测120Hz以下的动荷载，对于超过120Hz动荷的场所，不适于采用弦式锚索计测量。
八、结束语
选用性能优异的弦式传感器及采用正确的设计、制造、率定和安装方法，可以确保弦式锚索测力计具有优秀技术指标，大量的现场实测数据已经证明BGK-4900弦式锚索测力计具有卓越的灵敏度、精度、长期稳定及可靠性。
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