CN103335747A - 预应力钢绞线张拉力智能检测方法 - Google Patents

Abstract

预应力钢绞线张拉力智能检测方法，本发明属于结构工程质量检测领域。通过采集锚具振动时程曲线，分析锚具-混凝土接触面摩擦刚度，计算出钢绞线张拉力。采用本发明的钢绞线张拉力智能检测方法能够对钢绞线的张拉力进行快速-无损检测。

Description

预应力钢绞线张拉力智能检测方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程无损检测技术，具体涉及一种预应力钢绞线张拉力智能检测方法。

背景技术

预应力能够提高结构的刚度和抗裂性能，能够充分发挥混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度，因此广泛运用在桥梁类结构当中。预应力损失是影响桥梁安全的最主要因素之一，纵向预应力损失过大或张拉力不足，会影响结构正常使用和耐久性。

目前国内外普遍采用的有效预应力检测方法大体分为两类：无损检测和局部破损检测。

无损检测方法借助专业设备，在不损坏被检测结构的情况下测定有效预应力。无损检测方法主要有：(1)声发射技术：声发射技术在美国得到一定研究。(2)电磁效应检测法：电磁效应检测包括涡流检测、测磁漏检测和磁粉检测三种，主要通过相关磁场的变化原理进行检测。(3)超声波检测法：根据超声波通过预应力钢绞线后频率变化来推断其应力大小。(4)动力检测法：该方法基于梁振动方程中频率与刚度的相关性，通过实测频率来计算梁的刚度，从而推算梁的有效预应力。(5)锚端预应力检测技术：该方法通过在锚固段安装传感器测量锚具受压状态，从而获得预应力变化值。

局部破损检测是利用仪器对构件局部进行损伤试验，根据所获取的数据，推定构件整体性能的检测手段。局部破损检测法主要有预应力筋直接检测技术和应力释放法。其中，预应力筋直接检测技术是在预应力筋上布置传感器，直接测量预应力筋的应力状态。应力释放法是通过机械切割将某区域的约束放掉，测试切割前后构件的应变，从而根据本构关系推算构件的应力状态。

目前已有的无损检测方法从原理上属于间接检测方法，检测过程受环境因素影响较大，其检测精度有待提高；有损检测操作复杂，过程繁琐，只能进行小范围抽检，不能够大面积推广应用；无损检测是PC结构检测技术的发展趋势，目前国内尚无成熟的预应力无损检测技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出一种预应力钢绞线张拉力智能检测方法。

本发明采用的基本原理是结构动力学基本原理，通过分析锚具的有阻尼自由振动特性，确定钢绞线的张拉力。

本发明对预应力钢绞线张拉力进行快速-无损检测的步骤如下：

1)进行室内模型试验，针对所测锚具和混凝土标定F-k双参数模型关系曲线；

2)将传感器(1)吸附在锚具(2)下方；

3)使用击振锤(3)敲击锚具(2)上方；

4)使用采集仪器采集锚具的位移时程曲线；

5)基于位移时程曲线，根据公式

求得锚具(2)振动特性的阻尼比ξ。其中，n表示周期数，y_n代表锚具的振动时程曲线中第n个周期的振幅，y_n+1代表锚具的振动时程曲线中第n+1个周期的振幅。ω为锚具无阻尼自由振动频率，ω′为锚具有阻尼自由振动频率，且ω≈ω′。T为锚具自由振动周期。

6)阻尼比ξ代入公式

求解锚具(2)与混凝土(5)的接触面摩擦刚度k；

7)k值带入F-k双参数模型即可求得预应力钢绞线张拉力。

本发明中，预应力钢绞线张拉力与锚具摩擦刚度的F-k双参数模型通过室内模型试验标定得到。F-k双参数模型关系曲线的标定过程包括如下步骤：

1)使用千斤顶对所述钢绞线进行分级张拉，分100级张拉到设计要求；

2)每级张拉完毕后使用穿心式压力传感器(8)读取所述钢绞线张拉力F(kN)；

3)使用击振锤敲击锚具，并且读出锚具的振动时程曲线；

4)通过公式

计算锚具的阻尼比ξ。其中，n表示周期数，y_n代表锚具的振动时程曲线中第n个周期的振幅，y_n+1代表锚具的振动时程曲线中第n+1个周期的振幅。ω为锚具无阻尼自由振动频率，ω′为锚具有阻尼自由振动频率，且ω≈ω′。T为锚具自由振动周期。

5)锚具的质量m为已知条件，通过公式

计算锚具的摩擦刚度k，得到一组F-k对应值，其中ω为锚具无阻尼自由振动频率；

6)全部100组F-k对应值拟合成为F-k双参数模型关系曲线。

本发明能够对预应力钢束的张拉力进行快速-无损检测，检测过程简便、快捷，能够大面积推广，能够有效控制施工过程中预应力钢绞线的张拉质量。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的原始模型图，图中：1为传感器，2为锚具，3为钢绞线，4为击振锤，5为混凝土。

图2是本发明的锚具-混凝土约束简化模型图，图中：1为传感器，2为锚具，3为钢绞线，4为击振锤，5为混凝土，6为阻尼，7为弹簧。

图3是本发明的锚具动力学简化计算模型图，其中，2为锚具，6为阻尼，7为弹簧，9为外部击振。

图4是传感器(1)测量得到位移时程曲线。

图5是本发明的F-k曲线标定试验模型图，图中：1为传感器，2为锚具，3为钢绞线，4为击振锤，5为混凝土，8为穿心式压力传感器。

图6是某种锚具的F-k关系曲线。

具体实施方式

本发明实施方式如下：

1)进行室内模型试验，针对所测锚具和混凝土标定F-k曲线；

2)将传感器吸附在锚具下方；

3)使用击振锤敲击锚具上方；

4)使用采集仪器采集锚具的位移时程曲线；

5)根据公式(16)或公式(17)求得阻尼比ξ；

6)阻尼比ξ代入公式(12)求解k；

7)k值带入F-k双参数模型即可求得预应力钢绞线张拉力。

下面参照附图，进行详细的说明。

本发明认为预应力钢绞线锚具跟混凝土接触面具有摩擦刚度，将两者的接触面约束简化为一个弹簧和一个阻尼，如图2所示。

在此基础上，进一步简化为图3所示的计算模型。

使用击振锤敲击锚具，采集锚具的位移时程曲线，如图4。

将预应力钢绞线锚具简化为单自由度振动体系，有阻尼自由振动方程如下：

F₁+F_R+F_c＝0    (1)

$m\stackrel{\·\·}{y}+\mathrm{\β}\stackrel{\·}{y}+\mathrm{ky}=0---\left(2\right)$

锚具的自由振动频率如下：

${\mathrm{\ω}}^2=\frac{k}{m}---\left(3\right)$

其中，k为弹簧刚度，m为锚具质量

令

$2k=\frac{\mathrm{\β}}{m}---\left(4\right)$

则

$\stackrel{\·\·}{y}+2k\stackrel{\·}{y}+{\mathrm{\ω}}^{2}y=0---\left(5\right)$

这是一个线性常系数齐次微分方程，其解的形式为：

y＝Ce^rt    (6)

r的特征方程为

r²+2kr+ω²＝0    (7)

其两个根为：

$r_{\mathrm{1,2}}=-k\±\sqrt{k^2-{\mathrm{\ω}}^2}---\left(8\right)$

该发明研究的情况属于小阻尼情况，即k＜ω，特征根r₁，r₂是两个复数，式(5)的通解为

$y=e^{-\mathrm{kt}}(B_1\cos \sqrt{{\mathrm{\ω}}^2-k^2}t+B_2\sin \sqrt{{\mathrm{\ω}}^2-k^2}t)$

                   (9)

$=e^{-\mathrm{kt}}(B_1\cos {\mathrm{\ω}}^{\′}t+B_2\sin {\mathrm{\ω}}^{\′}t)$

其中

${\mathrm{\ω}}^{\′}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2-k^2}---\left(10\right)$

且B₁＝y₀， $B_2=\frac{{\stackrel{\·}{y}}_0+{\mathrm{ky}}_0}{{\mathrm{\ω}}^{\′}}$

故

$y=e^{-\mathrm{kt}}(y_0\cos {\mathrm{\ω}}^{\′}t+\frac{{\stackrel{\·}{y}}_0+{\mathrm{ky}}_0}{{\mathrm{\ω}}^{\′}}\sin {\mathrm{\ω}}^{\′}t)---\left(11\right)$

由于使用公式(11)求解比较复杂，工程上还经常使用阻尼比ξ

$\mathrm{\ξ}=\frac{k}{\mathrm{\ω}}=\sqrt{\mathrm{mk}}---\left(12\right)$

则由公式(10)，

${\mathrm{\ω}}^{\′}=\mathrm{\ω}\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}---\left(13\right)$

在一般情况下，ξ是一个很小的数，因此有

ω′≈ω    (14)若在某一时刻t_n振幅为y_n，经过一个周期后振幅为y_n+1，则

$\frac{y_n}{y_{n+1}}=\frac{{\mathrm{be}}^{{\mathrm{kt}}_n}}{{\mathrm{be}}^{-k(t_n+T)}}=e^{\mathrm{kT}}=e^{\mathrm{\ξ\ωT}}---\left(15\right)$

两边取对数得

$\ln \frac{y_n}{y_{n+1}}=\mathrm{\ξ\ωT}=\mathrm{\ξ\ω}\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}^{\′}}\≈2\mathrm{\π\ξ}---\left(16\right)$

同理经过j个周期后，

$\ln \frac{y_n}{y_{n+j}}=2\mathrm{\πj\ξ}---\left(17\right)$

现场检测可以采集锚具的位移时程曲线，通过公式(16)或公式(17)可以求得阻尼比ξ。锚具的质量m为已知条件，ξ代入(12)可求解锚具与混凝土直接摩擦刚度k.

本发明认为，预应力钢绞线的张拉力F和摩擦刚度k具有一一对应的关系。F-k双参数模型可以通过室内模型试验建立。

F-k关系曲线通过图5所示室内模型标定。标定步骤如下：

1、使用千斤顶对钢绞线进行分级张拉，分100级张拉到设计要求；

2、每级张拉完毕后使用穿心式压力传感器(8)读取钢绞线张拉力F(kN)；

3、使用击振锤敲击锚具，并且读出锚具的振动时程曲线；

4、通过公式(16)计算锚具的阻尼比ξ；

5、锚具的质量m为已知条件，通过公式(12)计算锚具的摩擦刚度k，得到一组F-k对应值；

6、全部100组F-k对应值拟合成为F-k关系曲线。

实验室内标定某锚具的F-k关系曲线如图6。其中，F＜F_max，k＜k_mas。F_max即为钢绞线的抗拉强度设计值，k_max为对应于F_max的摩擦刚度，需要通过试验测定。

F-k双参数模型跟锚具类型、锚具质量以及混凝土种类的多种因素有关，使用不同种类的锚具和混凝土都会使得F-k双参数模型发生改变。因此，使用本发明检测预应力钢绞线张拉力，必须事先针对相应的锚具和混凝土进行F-k曲线标定。

锚具与混凝土摩擦刚度k值带入F-k双参数模型即可求得预应力钢绞线张拉力。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种预应力钢绞线张拉力检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)进行室内模型试验，针对所测锚具和混凝土标定F-k双参数模型关系曲线；

2)将传感器(1)吸附在锚具(2)下方；

3)使用击振锤(3)敲击锚具(2)上方；

4)使用采集仪器采集锚具的位移时程曲线；

5)基于位移时程曲线，根据公式

求得锚具(2)振动特性的阻尼比ξ。其中，n表示周期数，y_n代表锚具的振动时程曲线中第n个周期的振幅，y_n+1代表锚具的振动时程曲线中第n+1个周期的振幅。ω为锚具无阻尼自由振动频率，ω′为锚具有阻尼自由振动频率，且ω≈ω′。T为锚具自由振动周期。

6)阻尼比ξ代入公式

求解锚具(2)与混凝土(5)的接触面摩擦刚度k；

7)k值带入F-k双参数模型即可求得预应力钢绞线张拉力。

2.根据权利要求1所述的预应力钢绞线张拉力检测方法，其中所述针对所测锚具和混凝土标定F-k双参数模型关系曲线的标定过程包括如下步骤：

1)使用千斤顶对所述钢绞线进行分级张拉，分100级张拉到设计要求；

2)每级张拉完毕后使用穿心式压力传感器(8)读取所述钢绞线张拉力F(kN)；

3)使用击振锤敲击锚具，并且读出锚具的振动时程曲线；

4)通过公式

计算锚具的阻尼比ξ。其中，n表示周期数，y_n代表锚具的振动时程曲线中第n个周期的振幅，y_n+1代表锚具的振动时程曲线中第n+1个周期的振幅。ω为锚具无阻尼自由振动频率，ω′为锚具有阻尼自由振动频率，且ω≈ω′。T为锚具自由振动周期。

5)锚具的质量m为已知条件，通过公式

计算锚具的摩擦刚度k，得到一组F-k对应值，其中ω为锚具无阻尼自由振动频率；

6)全部100组F-k对应值拟合成为F-k双参数模型关系曲线。

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