桩基测量系统实验室测试：振动弦与光纤传感器的性能评估与可靠性验证

针对桩基监测中振动弦传感器测量可靠性问题，研究人员通过三组钢筋混凝土试件（含IPE140钢梁）的压缩试验，对比分析了Geokon 4100应变传感器、4370应力计、1300-A9引伸计与分布式光纤传感器（DFOS）的测量性能。研究发现光纤传感器（ES/EFS）精度最优（偏差±0.9%），而4370应力计需0.72修正系数，为桩基健康监测提供了关键数据支撑。

　　

在土木工程领域，桩基的健康监测一直是保障大型建筑安全的关键环节。然而，现有的监测技术却面临着诸多挑战——振动弦传感器（Vibrating Wire Sensors）的校准偏差、光纤传感器（DFOS）的成本限制，以及混凝土与钢结构协同变形的验证难题。这些问题直接影响到超高层建筑、跨海大桥等重大工程的安全评估精度。更令人担忧的是，广泛应用于现场的Geokon 4370应力计（Geokon 4370 stressmeters）频繁出现测量值虚高现象，但至今缺乏系统性的实验室验证。

针对这些行业痛点，国内某研究机构（根据保密要求隐去具体名称）的科研团队开展了一项开创性的对照实验。研究人员精心设计了三组直径300mm、高1.2m的钢筋混凝土圆柱试件（C30/37强度等级），内部嵌入IPE140型钢梁，分别配置Geokon 4100局部应变传感器、4370应力计、1300-A9引伸计，以及分布式光纤传感器（ES混凝土电缆和EFS钢梁胶带）。通过2000kN液压机进行两级加载（最大960kN），同步采用外部LVT位移传感器（精度0.001mm）和4900型荷载细胞（精度0.5kN）作为基准参照。相关成果发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》上，为桩基监测技术提供了重要数据支撑。

研究团队运用了四项核心技术：1）多系统同步比对方法，整合振动弦传感器（测量频率f转换为微应变με）与光纤反射技术（Luna ODiSI 6100型反射仪）；2）偏心荷载修正算法（通过三组LVT数据建立平面位移函数）；3）复合截面刚度计算（考虑IPE140型钢与?57/2.9mm钢管的影响）；4）分布式光纤应变场重构技术（4通道ES电缆均值处理）。

2. 关键结果
4.1 偏心荷载影响
通过LVT传感器数据建立的位移场模型显示，试件P1-P3存在4.2-25mm的荷载偏心（角度10.9°-217.5°）。采用公式σ_av;j=m_j·σ_j进行修正后，G1300-A9引伸计测量误差从12.8%降至5.1%。

4.3 振动弦传感器性能
Geokon 4100表现出最优稳定性，与基准偏差仅2.6%（P1）至-5.2%（P3）。而G1300-A9受温度影响显著，P1测试中因2-3°C温差导致8.4%偏差。

4.4 应力计可靠性危机
未经修正的4370应力计测量值系统性偏高35-45%（P2达35.05%）。通过引入m_σ;cor=0.72的修正系数，使应力计算值回归合理范围（图19）。对比Laube公式预测的4%误差，证实厂商校准方法存在根本缺陷。

4.5 光纤传感器优势
四组ES电缆（图20）与两组EFS胶带（图21）的集成测量显示：1）应变场空间分辨率达5mm；2）钢-混凝土变形协调性验证误差<1%（P2中EFS平均偏差-0.66%）；3）可识别0.4m尺度材料缺陷。

4.7 混凝土模量异常
由荷载细胞/LVT数据反算的弹性模量（28-32GPa）比小试件测试值（26GPa）高15%，揭示尺度效应与养护条件对E_c的显著影响（图28）。

这项研究不仅揭示了Geokon 4370应力计需要0.72修正系数的行业痛点，更确立了分布式光纤传感器（DFOS）作为桩基监测金标准的地位。特别值得关注的是，钢-混凝土复合结构的变形协调性通过EFS/ES同步测量得到直接验证，这为超高层建筑桩基设计提供了实验依据。研究人员提出的偏心荷载修正模型（公式19）和四通道光纤均值法，将现场监测精度提升了一个数量级。未来，该团队建议将光纤传感器布设标准（4通道环形阵列）纳入建筑规范，同时呼吁传感器厂商重新评估4370型产品的校准流程。这些发现对保障"一带一路"沿线重大基建项目的长期安全具有战略意义。