CN101419104B - 基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统 - Google Patents

Abstract

基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统，它包括螺纹钢筋、波纹套管及螺母，其下部竖向预埋于混凝土箱梁桥腹板内经张拉成竖向预应力筋，于竖向预应力筋上部设外露段，外露段设加速度传感器及击振器，并与数据采集器、笔记本电脑及电源电连接，用于联接数据采集器的信号分析装置安装运行于笔记本电脑中，击振器得指令使竖向预应力筋外露段振动并经信号分析装置转换成竖向预应力筋外露段的固有频率，并应用计算关系式获取竖向预应力筋两螺母间的张拉力，克服了现有混凝土箱梁桥竖向预应力筋张拉力的检测均不能满足现场对竖向预应力筋张拉力质量进行大面积检测的缺陷；它适合大跨度预应力混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉的检测。

Description

基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统

技术领域

本发明涉及预应力混凝土构件的预应力钢筋张拉力的检测。尤其是一种基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统。

背景技术

预应力混凝土连续(刚构)箱梁桥结构体系具有结构刚度大、行车平顺、伸缩缝少、养护费用低、适用于多种跨度等优点，自20世纪70年代以来，已成为高速公路、城市大中跨径混凝土桥梁设计方案的首选。为了减少和控制箱腹板主拉应力，防止腹板混凝土开裂，在箱梁腹板设置竖向预应力筋已经成为设计的重要内容之一。用精扎螺纹钢筋作为混凝土箱梁腹板竖向预应力筋，它具有连接不受焊接约束，锚固方便，施工简单，强度高，松驰性能佳等优点，至目前为止我国已建和在建的单跨跨径超过100m的预应力混凝土连续(刚构)箱梁桥梁中应用精扎螺纹钢筋竖向预应力体系已达数百座之多。它的不足之处是许多混凝土箱梁桥在施工和运营过程中腹板还是存在不同程度的开裂，尤其在大跨度预应力混凝土箱梁桥的腹板比较明显。有关文献披露：施加腹板竖向预应力并没能完全防止混凝土箱梁桥腹板的开裂，其主要原因之一是竖向预应力损失过大或失效。本申请人在进行大跨度预应力混凝土箱梁桥施工监控时，对竖向预应力筋的各项损失进行了全面和长期测试(在底端锚下安装测力传感器)，结果表明：造成竖向预应力筋张拉力失效的主要原因是第一次初张拉不到位引起的。由于竖向预应力筋短，张拉过程中延伸量相对纵向预应力筋要小得多，且数量众多(100米跨，一般在2000根以上)，在张拉后仅靠人工拧紧锚固螺母难以获得设计张拉力，如果拧紧锚固螺母的紧固力度不够，就会出现几乎失效现象，竖向预应力筋就成了摆设。即使通过计算能确定拧紧螺母的扭矩值，采用扭力板手拧紧螺母，或采用二次张拉，但人为因素的影响依然很大。解决竖向预应力问题最直接、最有效的途径就是提出一种有效的检测方法并制定相应的检测标准(桩基检测发展和完善就是实例)。目前，竖向预应力测量方法有在锚下安装压力传感器、在预应力表面粘贴电阻片测量法、张拉千斤顶油表测试法、预应力筋延伸量测量法，其中张拉千斤顶油表测试法、预应力筋延伸量测量法虽然简单易行，仅适合于张拉时预应力控制且精度较低，压力传感器和电阻片测量法，成本过高，且不能重复使用，虽能得到很好的测试精度，但不能满足现场对竖向预应力质量进行大面积检测的要求，无法推广应用，仅仅限于科学研究。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的提供一种基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统，该系统结构简单，它不仅能适应大面积检测要求，而且能适应由螺母、外露螺栓组成的各种紧固构件的检测，检测成本较低，系统适应面广，使用安全可靠，便于普及推广。

为解决上述任务，基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统，它包括螺纹钢筋、套于螺纹钢筋外的波纹套管及固定波纹套管的锚垫板、螺母，使其下部竖向预埋于混凝土箱梁桥腹板内经张拉成混凝土箱梁桥腹板的竖向预应力筋，于竖向预应力筋上部设置外露段，该外露段设一加速度传感器及击振器，加速度传感器与数据采集器、笔记本电脑及电源电连接，用于联接数据采集器的信号分析装置安装运行于笔记本电脑电中，操作笔记本电脑，在信号分析装置界面中点击信号采集命令，击振器得指令动作，击振器使竖向预应力筋外露段振动，此竖向预应力筋外露段的振动信号经信号分析装置转换成竖向预应力筋外露段的固有频率且由信号分析装置界面显示，并应用信号分析装置中竖向预应力筋张拉力与竖向预应力筋外露段固有频率的计算关系式，从而获取竖向预应力筋两螺母之间的张拉力。

为了实现结构优化，其进一步措施是：

加速度传感器是经磁力吸座或橡胶泥或石膏泥固联于竖向预应力筋上部外露段顶端处。

加速度传感器的振动方向是垂直于竖向预应力筋上部外露段轴线。

竖向预应力筋上部外露段的长度应大于竖向预应力筋直径的2.5倍。

竖向预应力筋上部外露段的长度应大于张拉施工预留长度80mm。

击振器应能使竖向预应力筋上部外露段产生振动，并能用于测试各类振动信息检测系统。

本发明采用包括螺纹钢筋、套于螺纹钢筋外的波纹套管及固定波纹套管的锚垫板、螺母，使其下部竖向预埋于混凝土箱梁桥腹板内经张拉成混凝土箱梁桥腹板的竖向预应力筋，于竖向预应力筋上部设置外露段，该外露段设一加速度传感器及击振器，加速度传感器与数据采集器、笔记本电脑及电源电连接，用于联接数据采集器的信号分析装置安装运行于笔记本电脑中，操作笔记本电脑，击振器使竖向预应力筋外露段振动，振动信号经信号分析装置转换成竖向预应力筋外露段的固有频率，并应用信号分析装置中竖向预应力筋张拉力与竖向预应力筋外露段固有频率的计算关系式，从而获取竖向预应力筋两螺母之间的张拉力的技术解决方案，克服了现有混凝土箱梁桥竖向预应力筋张拉力的检测均不能满足现场对竖向预应力筋张拉力质量进行大面积检测的缺陷。

本发明相比现有技术所产生的有益效果：

(I)检测系统结构简单，它不仅能适应大面积检测要求，而且能实现对现有由螺母、外露螺栓组成的各种紧固构件的检测；

(II)击振器能应用于各类型号的使竖向预应力筋上部外露段产生振动的测试振动信息的系统。

(III)加速度传感器是经磁力吸座或橡胶泥或石膏泥固联于竖向预应力筋上部外露段顶端处的，它与竖向预应力筋的联结或分离均十分方便，提高了测试系统的快速监测能力；

(IV)它具有快速、重复安装与安全使用功能；

(V)它彻底地解决了竖向预应力损失过大和失效的问题，对防止预应力混凝土箱梁桥腹板开裂、提高此类桥梁的耐久性和可靠性具有重要的技术、经济效果，商业前景十分可观。

它适合大跨度预应力混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉的检测。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的测试系统和操作流程作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统的主视图。

图2为本发明基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统竖向预应力筋张拉力计算原理图。

图中：1、螺纹钢筋，1a、竖向预应力筋，101、信号分析装置，102、计算关系式，103、电源，2、波纹套管，3、锚垫板，4、螺母，5、混凝土箱梁桥腹板，51、箱梁桥腹板混凝土，6、外露段，7、加速度传感器，71、磁力吸座，72、橡胶泥，73、石膏泥，8、击振器，9、数据采集器，10、笔记本电脑电，L、竖向预应力筋上部外露段总长度，L₁、套于竖向预应力筋的螺母厚度，L₂、竖向预应力筋外露段长度，L₃、螺母顶面至加速度传感器内边缘距离。

具体实施方式

参见附图，基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统，它包括螺纹钢筋1、套于螺纹钢筋1外的波纹套管2及固定波纹套管2的锚垫板3、螺母4，使其1下部竖向预埋于混凝土箱梁桥腹板5内经张拉成混凝土箱梁桥腹板5的竖向预应力筋1a，于竖向预应力筋1a上部设置外露段6，为了达到较可靠的测量效果，竖向预应力筋1a上部外露段6的长度应大于竖向预应力筋1a直径的2.5倍；同时，竖向预应力筋1a上部外露段6的长度应大于张拉施工预留长度80mm。竖向预应力筋1a外露段6设一加速度传感器7及击振器8，加速度传感器7是经磁力吸座71或橡胶泥72或石膏泥73固联于竖向预应力筋1a上部外露段6顶端处，本实施方式中主要采用磁力吸座71；为了扩大使用范围，击振器8应能使竖向预应力筋1a上部外露段6产生振动，并能用于测试各类振动信息检测系统；加速度传感器7与数据采集器9、笔记本电脑10及电源103电连接，用于联接数据采集器9的信号分析装置101安装运行于笔记本电脑电10中，操作笔记本电脑10，在信号分析装置101界面中点击信号采集命令，击振器8得指令动作，击振器8使竖向预应力筋1a外露段6及加速度传感器7振动，加速度传感器7的振动方向是垂直于竖向预应力筋1a上部外露段6轴线；此竖向预应力筋1a外露段6的振动信号经信号分析装置101转换成竖向预应力筋1a外露段6的固有频率且由信号分析装置101界面显示，并应用信号分析装置101中竖向预应力筋1a张拉力与竖向预应力筋1a外露段6固有频率的计算关系式102，从而获取竖向预应力筋1a上下两螺母4之间的张拉力。

本发明的安装、检测原理：

实施例A

①施工单位按照混凝土箱梁桥设计图纸安装普通钢筋，其中螺纹钢筋1外套波纹套管2，并在螺纹钢筋1的腹板的上下两端位置安装锚垫板3、螺母4，施工时，先按图设置模板，浇灌箱梁桥腹板混凝土51，混凝土达到强度后形成混凝土箱梁桥腹板5，然后，使螺纹钢筋1受张拉力，并拧紧上端的螺母4，通过两处的锚垫板3和螺母4与混凝土箱梁桥腹板5共同作用，使螺纹钢筋1受到张拉力，形成腹板竖向预应力筋1a，竖向预应力筋1a上部按要求设置外露段6，该外露段6的长度是张拉螺纹钢筋1时必须预留的，按照施工规范要求至少应大于张拉施工预留长度80mm，才能确保张拉过程的安全与可靠，本发明的竖向预应力筋1a上部按要求设置外露段时应考虑适应其他检测系统的使用。

②基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉的检测系统，它包括螺纹钢筋1在锚垫板3和螺母4与混凝土箱梁桥腹板5共同的作用，在两个螺母4之间的受张拉力，使螺纹钢筋1成为竖向预应力筋1a。

实施例B

①经施工操作完成了由螺纹钢筋1转变为竖向预应力筋1a的过程，按要求竖向预应力筋1a上部外露段6的长度应大于竖向预应力筋1a直径的2.5倍，竖向预应力筋1a上部外露段6的长度应大于张拉施工预留长度80mm，竖向预应力筋1a选用目前桥梁上普遍使用的直径为32mm螺纹钢筋1，螺纹型号为M34×3.0，配套螺母4高度55mm，外形为六角形，对边距为55mm，外露段6长度等于116mm。

②外露段6的顶端处通过磁力吸座71或橡胶泥72或石膏泥73固联安装加速度传感器7，加速度传感器7的振动方向应垂直于竖向预应力筋1a上部外露段6轴线，如附图所示，传感器7选购YD-65型产品，电荷灵敏度为414.15，频率测量范围5-1000Hz，并有配套的磁力吸座71，传感器7和磁力吸座71及联结丝杆的总重量为209g。

③加速度传感器选购适配的DH—5922数据采集器9，数据采集器9经配套的电荷适调器H5857-1与加速度传感器7用屏蔽电缆相联，电缆两端为插针式，它们通过加速度传感器7的插座与数据采集器9配套的电荷适调器H5857-1的插座相联结。

④数据采集器9与笔记本电脑10用1394联结方式联接。

⑤接通数据采集器9，使用信号分析装置101运行于笔记本电脑10中且与数据采集器9配套，按照数据采集器9配套的信号分析装置101操作说明输入加速度传感器7的灵敏度系数，点击信号采集界面开始信号采集，使用击振器8，该击振器8应能使竖向预应力筋1a上部外露段6产生振动，并能用于测试各类振动信息检测系统，由人工用手采用脉动方式轻微击振竖向预应力筋1a外露段6的顶端处，击振的方向应垂直于竖向预应力筋1a外露段6轴线，3秒钟后点击信号分析装置101的停止采集界面，按照系数说明书操作信号分析装置101，截取用人工脉动方式轻微击振竖向预应力筋1a外露段6的振动信号，进行频率分析，获取竖向预应力筋1a外露段6的一阶振动频率。

⑥竖向预应力筋1a张拉力计算

参见附图

1)计算原理

视竖向预应力筋1a上部按要求设置外露段6加外套螺母4部分为一悬臂梁，不同的张拉力外套螺母4部分的竖向预应力筋1a与螺母4的紧密程度不同，同时螺母4与锚垫板3的压紧程度不同，可以推断，不同的张拉力，竖向预应力筋1a上部按要求设置外露段6加外套螺母4部分为一悬臂梁有不同的刚度，则相应有不同的固有频率，利用固有频率与刚度的关系，测定固有频率，推断刚度，从刚度的变化获得张拉力。

按下列两式计算张拉力：

$(F{\mathrm{\ω}}^2-G_3)k_2^2+(E{\mathrm{\ω}}^2-G_1)k_2+A{\mathrm{\ω}}^2=0---\left(1\right)$

式中：ω为竖向预应力筋1a外露段6的一阶振动频率

$E=[m_2(\frac{1}{4}{L}_3{L}_2^4-\frac{1}{15}{L}_2^5)+\frac{2}{3}{\mathrm{ML}}_3^4]\·\frac{2L{L}_1-L_1^2}{2{\left(\mathrm{EI}\right)}^2}+[m_2(\frac{1}{3}{L}_3{L}_2^3-\frac{1}{12}{L}_2^4)+\frac{2}{3}{\mathrm{ML}}_3^3]\·\frac{3L{L}_1^2-L_1^3}{6{\left(\mathrm{EI}\right)}^2}$

$F=\frac{1}{{\left(\mathrm{EI}\right)}^2}[m_2(\frac{1}{252}{L}_2^7-\frac{1}{36}{L}_3{L}_2^6+\frac{1}{20}{L}_3^2{L}_2^5)+\frac{1}{9}{\mathrm{ML}}_3^6]$

$G_1=\frac{1}{2\mathrm{EI}}(2{\mathrm{LL}}_1-L_1^2)L_3+\frac{1}{6\mathrm{EI}}(3{\mathrm{LL}}_1^2-L_1^3)$

$G_3=\frac{1}{3\mathrm{EI}}{L}_3^3$

其中I为竖向预应力筋1a上部按要求设置的外露段6的抗弯刚度，E为竖向预应力筋1a上部按要求设置的外露段6的弹性模量，m₂为竖向预应力筋1a上部按要求设置的外露段6的单位长度的质量，M为加速度传感器7和磁力吸座71的质量。

将(1)式求得的k₂代入下式：

T＝-6.9507(k₂)⁵+45.113(k₂)⁴-95.719(k₂)³+83.531(k₂)²-22.688(k₂)+1.4945          (2)

T为竖向预应力筋1a外露段6的张拉力。

上述实施例中竖向预应力筋外露段长度L₂为116mm，所测出的一阶频率为753.1Hz，则张拉力为45.63吨。

以上仅仅是本发明的较佳实施例，根据本发明的上述构思，本领域的熟练人员还可对此做出各种修改和变换。例如，竖向预应力筋上部按要求设置外露段，以及外露段经磁力吸座或橡胶泥或石膏泥达到快速安装传感器，且传感器安装在竖向预应力筋不同的位置，将信号分析仪与笔记本电脑部分功能合二为一，并将原理关系式固化在合二为一仪器中，信号采集器与计算机联接等相互连接及结构的修改和变换，计算关系式在不改变原理情况下的修正。然而，类似的这种变换和修改均属于本发明的实质。

Claims (6)

1.基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统，其特征在于它包括螺纹钢筋(1)、套于螺纹钢筋(1)外的波纹套管(2)及固定波纹套管(2)的锚垫板(3)、螺母(4)，使螺纹钢筋(1)下部竖向预埋于混凝土箱梁桥腹板(5)内经张拉成混凝土箱梁桥腹板(5)的竖向预应力筋(1a)，于竖向预应力筋(1a)上部设置外露段(6)，该外露段(6)设一加速度传感器(7)及击振器(8)，加速度传感器(7)与数据采集器(9)电连接，数据采集器(9)与笔记本电脑(10)及电源(103)电连接；信号分析装置(101)安装运行于笔记本电脑(10)中，操作笔记本电脑(10)，在信号分析装置(101)界面中点击信号采集命令，击振器(8)得指令动作，击振器(8)使竖向预应力筋(1a)外露段(6)振动，此竖向预应力筋(1a)外露段(6)的振动信号经信号分析装置(101)转换成竖向预应力筋(1a)外露段(6)的固有频率且由信号分析装置(101)界面显示，并应用运行于笔记本电脑(10)中的信号分析装置(101)中竖向预应力筋(1a)张拉力与竖向预应力筋(1a)外露段(6)固有频率的计算关系式(102)，从而获取竖向预应力筋(1a)上下两螺母(4)之间的张拉力。

2.根据权利要求1所述的基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统，其特征在于加速度传感器(7)是经磁力吸座(71)或橡胶泥(72)或石膏泥(73)固联于竖向预应力筋(1a)上部外露段(6)顶端处。

3.根据权利要求1所述的基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统，其特征在于加速度传感器(7)的振动方向是垂直于竖向预应力筋(1a)上部外露段(6)轴线。

4.根据权利要求1所述的基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统，其特征在于竖向预应力筋(1a)上部外露段(6)的长度应大于竖向预应力筋(1a)直径的2.5倍。

5.根据权利要求1所述的基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统，其特征在于竖向预应力筋(1a)上部外露段(6)的长度应大于张拉施工预留长度80mm。

6.根据权利要求1所述的基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统，其特征在于击振器(8)应能使竖向预应力筋(1a)上部外露段(6)产生振动，并能用于测试各类振动信息检测系统。

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