CN101865739B - 预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统 - Google Patents
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Abstract
预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统，它包括螺纹钢筋及托板和螺母，于螺纹钢筋一端设置锚固体，该锚固体与岩土体结合，使螺纹钢筋锚固于岩土体内并经张拉成预应力螺纹钢筋锚杆,于预应力螺纹钢筋锚杆外端设置外露段,在外露段顶端处设一加速度传感器及击振器，加速度传感器与预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪连接，该检测仪中内置信号采集器，信号分析装置，计算程序芯片，充电电池和控制主板的技术方案；它克服了现有检测方法使用成本高，操作维护不方便，测试精度低，应用范围窄，锚杆失效等缺陷；它适合大面积由预应力螺纹钢筋锚杆加固的不稳定岩土体边坡、挡土墙及深基坑等工程中预应力螺纹钢筋锚杆张拉力的即时检测及全程监控。
Description
技术领域
本发明涉及一种预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统。
背景技术
锚杆锚固技术已在锚固工程中得到迅速发展，并相继列入国家“八五” 、“九五”期间重点科技攻关计划。随着基础设施建设的蓬勃发展，广泛的高填深挖现象使预应力锚固技术变得尤为重要，它是一种主动支护措施，给岩土体提供的主动压力能有效地限制岩土体坡面变形且保持其稳定性，大大改善了支护结构的受力条件，不仅减轻了结构物本身自重、节省了工程材料，更重要的是在侧限受到严格限制的地带，支护中采用预应力锚固更显示其独特的优越性。如深基坑桩锚技术、边坡框架预应力锚杆支挡结构等就是非常成功的应用。然而在施工和使用过程中，预应力锚杆不可避免地会出现一定量的预应力损失，损失因素包括锚固系统回缩、钢筋松弛、土体流变压缩等，如何使锚杆保持长期稳定的预应力是关系到加固工程成败的一项基本因素。若预应力明显小于设计值，将导致锚固功能失效；若预应力明显大于设计值（超张拉）有可能导致锚固体破坏；为了确保有效的锚固功能及锚杆在使用过程中的安全，有必要采取更方便可靠的检测方法对锚杆预应力进行全程监控，以便及时掌握预应力的准确持有量，为施工和加固工程作出评估。而目前的检测方法有多种，如通过安装传感器、贴应变片、杆体钻孔声波测距等检测方法及油表控制法；前述传感器检测方法，所用传感器数量较多，对于较大工程则成本过高，仅适用于科研；前述贴应变片检测方法，操作麻烦，干扰施工且不方便，不能重复使用，仅适于小范围科研；前述杆体钻孔声波测距检测方法，需要在杆体钻孔，并要测量初始长度，而且端面要求平整，操作也较麻烦，准确性不高；还有油表控制法，对损失判断粗糙，其精度偏低且不能长期监测锚杆预应力的大小。另外，砼箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测方法，是针对砼箱梁桥特点而采用波纹套管预埋成孔，应用范围窄，其计算模型是用能量法计算，它影响测试精度；其计算程序中仅有竖向预应力锚固系统的计算方程，不适合锚杆检测；该检测方法的测试装置庞杂，集成度不高，而且现场要配备较多的辅具才能工作。
发明内容
针对上述情况，本发明的目的是提供一种预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统，该系统结构简单，操作维护方便，它不仅能适应大面积检测要求，且检测成本低，测试精度高，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，预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统，它包括螺纹钢筋及托板和螺母，于螺纹钢筋一端设置锚固体，该锚固体与岩土体结合，使螺纹钢筋锚固于岩土体内并经张拉成预应力螺纹钢筋锚杆,于预应力螺纹钢筋锚杆外端设置外露段,在外露段顶端处设一加速度传感器及击振器，加速度传感器与预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪连接，该预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪中内置信号采集器，信号分析装置，计算程序芯片，充电电池和控制主板，使用击振器，使预应力螺纹钢筋锚杆外露段产生微幅振动，操作控制主板，信号采集器将加速度传感器产生的电信号经信号分析装置输出固有频率，然后经计算程序芯片进行处理，从而获取预应力螺纹钢筋锚杆传给托板的预紧力。
为了实现结构优化及精度提高，其进一步措施是。
锚固体是由水泥浆或化学凝胶固化而成。
预应力螺纹钢筋锚杆外露段的长度即螺母顶面至预应力螺纹钢筋锚杆顶端处的长度L2应大于预应力螺纹钢筋锚杆直径的5倍。
计算程序芯片中的方程采用解析法建立。
本发明采用它包括螺纹钢筋，托板，螺母，于螺纹钢筋一端设置锚固体，该锚固体与岩土体结合，使螺纹钢筋锚固于岩土体内并经张拉成预应力螺纹钢筋锚杆,于预应力螺纹钢筋锚杆外端设置外露段,在外露段顶端处设一加速度传感器及击振器，加速度传感器与预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪连接，该预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪中内置信号采集器，信号分析装置，计算程序芯片，充电电池和控制主板，使用击振器，使预应力螺纹钢筋锚杆外露段产生微幅振动，操作控制主板，信号采集器将加速度传感器产生的电信号经信号分析装置输出固有频率，然后经计算程序芯片进行处理，从而获取预应力螺纹钢筋锚杆传给托板的预紧力的技术解决方案，克服了现有检测方法使用成本高，操作维护不方便，测试精度低，测试装置庞杂、集成度低，应用范围窄，不能满足现场对预应力螺纹钢筋锚杆张拉力质量进行大面积检测及因预应力损失过大或张拉不到位而导致锚杆失效等缺陷。
本发明相比现有技术所产生的有益效果：（Ⅰ）预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪将信号采集器、信号分析装置、计算程序芯片等必要部件集成为一个整体，它简化了设备，能适应大面积检测要求；（Ⅱ）预应力螺纹钢筋锚杆与岩土体的结合是采用水泥浆或化学凝胶固化而成锚固体，使锚固结构更合理，提高了系统测试精度；（Ⅲ）选取的简化计算模型更接近工程实际，采用解析法解算模型结果更精确；（Ⅳ）采用预应力螺纹钢筋锚杆外露段的长度应大于预应力螺纹钢筋锚杆直径的5倍，能将剪切效应对计算方程精度的影响降低到3%以内；（Ⅴ）本系统彻底地解决了预应力螺纹钢筋锚杆预应力损失过大或张拉不到位而导致预应力螺纹钢筋锚杆失效的难题，对防止预应力螺纹钢筋锚杆加固工程失效，提高加固边坡及基坑等的稳定性和可靠性具有重要的技术、经济效果，商业前景十分可观；（Ⅵ）结构简单，操作维护快捷、方便、安全，可重复安装，集成度高，便于携带，使用成本低，应用范围扩大，测试范围在0～200吨之间，便于普及推广。
本发明适合大面积由预应力螺纹钢筋锚杆加固的不稳定岩土体边坡、挡土墙及深基坑等工程中预应力螺纹钢筋锚杆张拉力的即时检测及全程监控。
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为本发明预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统的主视图。
图2为本发明预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统预应力螺纹钢筋锚杆张拉力计算原理图。
图3为本发明预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统预应力螺纹钢筋锚杆张拉力与螺母长度内的横截面抗弯刚度关系曲线图。
图中：1、岩土体， 2、锚固体，3、螺纹钢筋，3a、预应力螺纹钢筋锚杆，4、托板，5、螺母，6、外露段，7、击振器，71、磁力吸座，8、加速度传感器，9、预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪，91、信号采集器，92、信号分析装置，93、计算程序芯片，94、充电电池，95、控制主板，L为螺母底面至预应力螺纹钢筋锚杆顶端处的长度，L1为螺母长度，L2为螺母顶面至预应力螺纹钢筋锚杆顶端处的长度，L3为螺母底面至预应力螺纹钢筋锚杆顶端处加速度传感器内边缘的长度。
具体实施方式
结合附图，预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统，它包括螺纹钢筋3，托板4，螺母5，于螺纹钢筋3一端设置锚固体2，锚固体2是由水泥浆或化学凝胶固化而成并与与岩土体1结合，使螺纹钢筋3锚固于岩土体1内并经张拉成预应力螺纹钢筋锚杆3a,于预应力螺纹钢筋锚杆3a外端设置外露段6, 预应力螺纹钢筋锚杆3a外露段6的长度应大于预应力螺纹钢筋锚杆3a直径的5倍，在外露段6顶端处设一加速度传感器8及击振器7，加速度传感器8与预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪9连接，该预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪9中内置信号采集器91，信号分析装置92，计算程序芯片93，充电电池94和控制主板95，计算程序芯片93中的方程采用解析法建立，使用击振器7，使预应力螺纹钢筋锚杆3a外露段6产生微幅振动，操作控制主板95，信号采集器91将加速度传感器8产生的电信号经信号分析装置92输出固有频率，然后经计算程序芯片93进行处理，从而获取预应力螺纹钢筋锚杆3a传给托板4的预紧力。
本发明的安装、检测原理。
实施例A。
①施工人员按照预应力螺纹钢筋锚杆3a支挡结构的设计图纸进行施工放线，定出挡土墙、桩基线和各个锚孔的孔位及预应力螺纹钢筋锚杆3a的倾斜角，然后安装螺纹钢筋3。预应力螺纹钢筋锚杆3a施工工序为：钻孔→螺纹钢筋3安装→灌浆形成锚固体2→张拉锁定→防腐保护。预应力螺纹钢筋锚杆3a外端按要求设置外露段6，该外露段6的长度是张拉螺纹钢筋3时必须预留的，为了使剪切效应对计算方程精度的影响降低到3%以内，要求外露段6的长度即螺母顶面至预应力螺纹钢筋锚杆顶端处的长度L2至少应大于螺纹钢筋3直径的5倍。
②预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统，它包括螺纹钢筋3在托板4和螺母5与岩土体1共同的作用，整个内部螺纹钢筋3分为锚固段和自由段，锚固段的长度即锚固体的长度与岩性和设计张拉力有关，岩石强度越低、设计张拉力越大则锚固段越长，施工后在托板4和锚固体2之间的自由段螺纹钢筋3受张拉力，使螺纹钢筋3成为预应力螺纹钢筋锚杆3a。
③预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统，于预应力螺纹钢筋锚杆3a外端设置外露段6, 在外露段6顶端处设一加速度传感器8及击振器7，加速度传感器8与预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪9连接，信号采集器91、信号分析装置92、计算程序芯片93、充电电池94和控制主板95内置于预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪9中，信号采集器91采集加速度传感器8产生的电信号，信号分析装置92与信号采集器91相连用于分析电信号，计算程序芯片93中设有预应力螺纹钢筋锚杆3a张拉力与预应力螺纹钢筋锚杆3a外露段6的固有频率、物理几何要素有关的通过解析法建立的方程，操作控制主板95的界面，向计算程序芯片93输入外露段6的物理几何要素，再运行信号采集器91采集命令，使用击振器7使预应力螺纹钢筋锚杆3a外露段6微幅振动，信号采集器91拾取预应力螺纹钢筋锚杆3a外露段6的振动电信号，振动电信号经信号分析装置92转换成预应力螺纹钢筋锚杆3a外露段6的固有频率谱且由控制主板95的界面显示，在控制主板95的界面中选中固有频率，并将选中的固有频率传输给计算程序芯片93，计算程序芯片93综合固有频率和物理几何要素，通过调用存储的相关方程计算预紧力，并将结果返回给控制主板95的界面，从而获取预应力螺纹钢筋锚杆3a传给托板4的预紧力。
实施例B。
①经施工操作完成了由螺纹钢筋3转变为预应力螺纹钢筋锚杆3a的过程，按要求预应力螺纹钢筋锚杆3a上部外露段6的长度应大于预应力螺纹钢筋锚杆3a直径的5倍，预应力螺纹钢筋锚杆3a在支挡结构中普遍使用的直径为22～32mm螺纹钢筋3,以 
精轧螺纹钢为例，其螺纹型号为M34*3.0，配套螺母5高度72mm，外形为六角形，对边距为62mm，外露段6长度大于160mm，本实施例的外露段6长度设置为165mm。
②预应力螺纹钢筋锚杆3a外露段6的顶端处通过磁力吸座81固联安装加速度传感器8，加速度传感器8的振动方向应垂直于预应力螺纹钢筋锚杆3a上部外露段6轴线，如附图所示，传感器8选购YD—65型产品，电荷灵敏度为414.15，频率测量范围5至1000Hz，并有配套磁力吸座81，传感器8和磁力吸座81及联结丝杆的总重量为209g，传感器8和磁力吸座81的直径为32mm。
③本实施例可确定螺母5长度L1为72mm；螺母5顶面至预应力螺纹钢筋锚杆3a顶端处的长度L2为165 mm；螺母5底面到预应力螺纹钢筋锚杆3a顶端处的长度L=L1+L2为237mm；螺母5底面至预应力螺纹钢筋锚杆3a顶端处加速度传感器8内边缘的长度L3=L-加速度传感器8的直径32mm后为205mm；螺母5长度L1和加速度传感器8直径在同一个加固工程中是固定值，对于不同的预应力螺纹钢筋锚杆3a样本，只要测定螺母5顶面到预应力螺纹钢筋锚杆3a顶端处的长度L2，则整个由外露段6、螺母5及加速度传感器8组成的预应力螺纹钢筋锚杆3a外端的几何要素得到确定，即阶梯形悬臂梁模型得到确定，几何要素是求解阶梯形悬臂梁模型动力学方程的关键。
④加速度传感8通过屏蔽电缆与预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪9中的信号采集器91相联。
⑤数据采集器91、信号分析装置92、计算程序芯片93与控制主板95之间通过集成电路联接，点击预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪9界面，通过控制主板95运行信号采集器91和信号分析装置92及调用计算程序芯片93中的相关方程。
⑥联接传感器8和数据采集器91，操作预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪9界面，通过控制主板95运行信号采集器91开始信号采集，同时使用击振器7，该击振器7应能使预应力螺纹钢筋锚杆3a外端外露段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预应力螺纹钢筋锚杆3a外露段6的顶端处，击振的方向应垂直于预应力螺纹钢筋锚杆3a外露段6轴线，3秒钟后操作预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪9，通过控制主板95使信号采集器91停止采集并运行信号分析装置92，对预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪9界面显示的固有频谱图进行分析，选取预应力螺纹钢筋锚杆3a外露段6的固有频率。
⑦调用计算程序芯片93中的相关方程进行预应力螺纹钢筋锚杆3a张拉力计算。
参见附图。
1）计算原理。
视由按要求设置的外露段6、螺母5及加速度传感器8组成的预应力螺纹钢筋锚杆3a外端为一阶梯形悬臂梁，不同的张拉力作用下螺母5部分的预应力螺纹钢筋锚杆3a与螺母5及螺母5与托板4之间的接触程度不同，可以推断，不同的张拉力，整个预应力螺纹钢筋锚杆3a外端为一有不同横向抗弯刚度的阶梯形悬臂梁，则相应有不同的固有振动频率，利用固有频率与刚度的内在关系，通过测试固有频率，识别出刚度，通过横向抗弯刚度与张拉力的一一对应关系推断张拉力，使用解析法构建横向抗弯刚度与频率的关系，较能量法不同，解析法识别出的横向抗弯刚度不随外露段6长度即螺母5顶面至预应力螺纹钢筋锚杆3a顶端处的长度L2变化，所以结果更稳定准确。
按三段均匀梁列无阻尼动力方程如下：
代入12个边界条件，联立12个方程，得其矩阵表达式：
利用摄动法令包含频率和刚度的系数矩阵行列式为零
式中：
、
、
为不全为零的方程系数，
为仅包括一阶振动圆频率
和刚度参数
两个未知数的矩阵，其中
为预应力螺纹钢筋锚杆3a上部按要求设置的外露段6的抗弯刚度，为预应力螺纹钢筋锚杆3a外端按要求设置的外露段6的弹性模量及其惯性矩的乘积，
为预应力螺纹钢筋锚杆3a外端按要求设置的螺母5锚固区的单位长度的质量，
为预应力螺纹钢筋锚杆3a外端按要求设置的外露段6的单位长度的质量，
为考虑加速度传感器8和磁力吸座81的质量线度。
将（5）式求得的
代入经试验标定的-
关系（图3）方程：
上述实施例中螺母5顶面至预应力螺纹钢筋锚杆3a顶端处的长度L2为165mm，所测出的固有频率为530.4Hz，则张拉力为55.358吨。
本发明的测试范围在0～200吨之间，张拉力为0吨即为工程中常见的漏拉现象，将直接导致失效，本发明可以对此进行有效监督。
Claims (2)
1.预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统，其特征在于它包括螺纹钢筋（3）及托板（4）和螺母(5)，于螺纹钢筋（3）一端设置锚固体（2），锚固体（2）由水泥浆固化而成并与岩土体（1）结合，使螺纹钢筋（3）锚固于岩土体（1）内并经张拉成预应力螺纹钢筋锚杆（3a）,于预应力螺纹钢筋锚杆（3a）外端设置外露段（6）, 预应力螺纹钢筋锚杆（3a）外露段（6）的长度即螺母（5）顶面至预应力螺纹钢筋锚杆（3a）顶端处的长度L2应大于预应力螺纹钢筋锚杆（3a）直径的5倍，在外露段（6）顶端处设一加速度传感器(8)及击振器(7)，加速度传感器(8)与预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪（9）连接，该预应力螺纹钢筋锚杆张拉力检测仪（9）中内置信号采集器(91)，信号分析装置（92），计算程序芯片（93），充电电池（94）和控制主板（95），使用击振器(7)，使预应力螺纹钢筋锚杆（3a）外露段（6）产生微幅振动，操作控制主板（95），信号采集器(91)将加速度传感器(8)产生的电信号经信号分析装置（92）输出固有频率，然后经计算程序芯片（93）进行处理，从而获取预应力螺纹钢筋锚杆（3a）传给托板（4）的预紧力。
2.根据权利要求1所述的预应力锚杆加固工程的预紧力动态监测系统，其特征在于计算程序芯片（93）中的方程采用解析法建立。
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