房建国1，2 孙锋3 尤春安3
（1、同济大学 交通运输学院，上海 200092；2、山东省交通厅公路局，山东
济南250002；
3、山东科技大学土建学院 青岛 266510）
摘要：
埋入式压力传感器由于传感器与周围介质刚度不耦合的原因，所测得的读数并不是材料内部真正的受力状态。本文根据压力传感器的实际结构采用有限元数值模拟分析方法，计算出压力传感器的实际受力特征与应力分布规律，提出了压力传感器读数的修正方法，为压力传感器的正确使用提供理论依据和可靠的方法。
numerical analysis for
observed stress of pressure sensor
Fang jianguo1、2
,Sun Feng3,You Chun-an3
(1.Tongji University,
Shanghai 200092;2.Bureau of Highway of
Shandong Province, Jinan 250002, China ;
3.College of Civil Engineering , Shandong
University of Science & Technology,Qingdao
266510, China；)
Abstract: The observed values of the
embedding pressure sensorsaren’t the actual
stress values in the medium , for the sensor
isn’t couping with the surrounding medium.
In this paper, the structure
ofpressure sensor is prestented firstly ,
then combined with the numerical analysis of
fem , the real load feature and stress
distributing of pressure sensor are
obtained. The method to modify observation
data is introduced , and it provids a
theoretical foundation for applying pressure
sensor correctly.
Keywords: pressure sensor; FEM;
modification factors ; stress monitoring
作者简介：房建果（1968-），男，研究员，博士研究生，主要研究方向为公路工程
1引言
随着我国高速公路建设的的快速发展，公路隧道的信息化设计与施工已成为必然趋势，因此监控量测的作用越来越重要。通过对围岩与支护的观察和动态量测，以达到合理安排施工程序、确保施工安全、修改设计参数、进行日常的施工管理和积累资料等目的[1]。在隧道压力观测中,振弦式压力盒被认为是一种较成熟的观测技术,国内外均广泛应用。然而,由于实际受力条件与率定受力条件之间存在较大的差异,当将压力盒用于混凝土、围岩及其接触面应力观测时,其观测值明显偏小[2]。这主要是有由于压力盒的变形参数与周围材料的力学参数不一致，使得压力盒周围的应力分布出现畸形，即出现传感器与周围材料刚度不耦合现象，因此压力盒的读数不能真正地反映实际的受力状态。
目前国内外对压力盒与被测岩土介质的在外荷载作用下的耦合分析开展的还不够深入，可检索到的相关文献寥寥无几[3]。本文以TGH型振弦式压力传感器为例，根据压力盒的实际结构，采用国际上流行的大型有限元数值分析软件ansys
进行数值模拟，分析了这种压力传感器在结构中的应力分布状态，并与不埋入压力盒的情况相比较，定量说明了压力测值偏小的原因，提出了修正方法，并得出了一些有价值的结论。
2 埋入岩土结构中压力传感器的数值模拟
2.1压力传感器量测技术
由于岩土体的复杂性，许多岩土工程力学边值问题理论解往往难以求得。因此，对于重要的岩土工程一般要开展大量的原型量测工作，以获得岩土结构实际的受力、内力及位移值。压力传感器是一种常用的量测元件。例如在公路隧道支护衬砌压力监测中，为了了解支护和衬砌的实际荷载以及衬砌混凝土的内力，查清应力及其分布，必须将压力传感器埋入围岩和衬砌之间或衬砌内部。压力传感器的形式有多种多样，如油压式、电阻应变片式和振弦式，在这些传感器中，振弦式压力传感器以测试数据稳定、抗干扰能力强和数据采集方便等优点而被广泛使用。
2.2 压力盒的结构
传感器的作用在于实现非电量与电量之间的转换，多设置于边界条件简单的结构内，为此压力盒多采用圆型盒状金属结构，为了避免恶劣工作环境对压力盒转换关系的影响，要求压力盒具有一定的强度和刚度，为此压力盒的外壳通常采用钢材，并制作成封闭结构[2]。
图1 TGH型压力传感器结构
图2 有限元计算模型Fig.1 tgh structure of pressure sensor
图1是山东科技大学洛赛尔传感器有限公司生产的TGH型振弦式压力传感器上构图。尺寸为:
压力盒外径108mm, 承载板直径80mm，厚度8mm,侧壁厚7mm，压力盒厚度41mm。
2.3 ANSYS计算模型
隧道工程信息化施工是施工过程中的一个重要组成部分,是工程设计效果和施工运行的直接显示,为工程质量及安全提供了技术上的保证[4]。Ansys作为大型有限元通用分析软件，以其多物理场耦合分析得先进技术和理念，在工业领域和研究方向都有广泛而深入的应用[5]。由于其独特的优势，ansys数值模拟分析在岩土工程中起着重要作用。
考虑公路隧道围岩、支护和衬砌所受的荷载量测，将压力传感器设置于岩土介质或结构中，建立Ansys计算模型。采用平面轴对模型，计算区域为500mm×500mm，以满足精度要求。两端边界处沿水平方向固定，底部采用固定约束。忽略重力。上部施加等效荷载（图2）。单元采用平面轴对称单元。周围介质的力学参数如表1所示。
Fig2 Calculating model for FEM
表 1 计算参数
Table1 Parameters for calculation
|
材料
|
E/
GPa
|
μ
|
比重
|
с/
Mpa
|
φ/(°)
|
|
Ⅱ级围岩
|
1.5
|
0.4
|
1.8
|
1.5
|
35
|
|
Ⅲ级围岩
|
3
|
0.3
|
2.1
|
1.6
|
40
|
|
Ⅳ级围岩
|
8
|
0.25
|
2.4
|
1.8
|
55
|
|
Ⅴ级围岩
|
15
|
0.20
|
2.6
|
2.2
|
60
|
|
喷射混凝土
|
25.5
|
0.19
|
2.4
|
5.0
|
50
|
|
衬砌混凝土
|
28.0
|
0.17
|
2.5
|
5.0
|
53
|
|
钢质压力盒
|
210
|
0.15
|
2.8
|
5.5
|
55
|
3 数值模拟结果及分析
3. 1作用在压力传感器上的应力分布特征
外荷载P=5Mpa时,衬砌混凝土作用在压力传感器A-B面上（图3）的应力分布情况（图4）。在图4中应注意的是，由于B点为力学分析的奇异点，在B点周围应力出现奇异现象是正常的，从图4可以看出，围岩作用在压力传感器上的正应力布不是均匀的，而且在数值上明显小于5MPa。如果沿A-B面上对正应力分布求平均值，可以发现围岩作用在压力传感器上的荷载平均值为1.54MPa。
图3 压力传感器实测应力计算路径A-B
Fig.3 Calculating path A-B for observed stress
of pressure sensor
图4压力传感器上的应力分布
Fig.4 Observed stress of calculating path A-B
3.2 不同介质中压力传感器受力特征
显然，压力传感器的受力状态与周围介质的力学性质有关。为了研究岩土工程介质力学性质对压力传感器读数的影响，仍然以TGH型振弦式压力传感器为例，采用表1所示的材料力学参数在不同外荷载条件下，分别计算压力传感器的受力。表2是作用在压力传感器上的平均荷载计算值。
表2 作用在压力传感器上的平均荷载（MPa）
Table2 The average load on the surface of
pressur sensor
－原形荷载值；
－计算荷载值例如在上例中，
,即这种压力传感器在混凝土中的刚度耦合修正系数为3.25。这样也就可以方便地根据压力传感器的测读数据计算出原形的实际荷载。图5是这种压力传感器在各类介质中的刚度耦合修正系数的变化情况。
