CN103837279A - 基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统，包括螺纹钢筋或钢绞线、锚具、波纹套管、锚垫板及锚固对象，锚固对象上开设有锚杆孔或锚索孔，螺纹钢筋或钢绞线通过螺纹钢筋或钢绞线的锚固段安装在锚固对象的锚杆孔或锚索孔中，波纹套管安装在锚固对象的锚杆孔或锚索孔中，套装在螺纹钢筋或钢绞线外，锚固对象的锚杆孔或锚索孔端口处设有锚垫板和锚具，锚垫板压紧波纹套管，锚具用于固定锚垫板，锚具一侧设有击振器，另一侧设有加速度传感器，加速度传感器、击振器分别通过数据采集器与电脑连接。本发明具有操作简便、实用性强、应用广泛等特点，对提高预应力锚固结构的可靠性，避免重大工程事故具有重要的技术经济意义。

Description

基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统

技术领域

本发明涉及一种预应力锚固结构张紧力检测系统，尤其是涉及一种针对不同预应力锚具类型（螺杆螺帽型或锚块锚塞型）的基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统。

背景技术

从上个世纪末，预应力锚固结构在我国桥梁、隧道与岩土工程等领域中得到了广泛应用，如桥梁工程中的预应力混凝土（刚构）箱梁桥三向预应力锚固体系、岩土工程中的预应力锚杆（锚索）技术及隧道工程中预应力锚杆（锚索）支护体系等，有效的提高锚固对象的强度、刚度及稳定性。同样，预应力锚固结构也存在预应力损失过大或失效的问题。据相关文献披露：通过现场调查、工程质量检查与检测和资料分析认为，除锚固对象的力学性质及环境腐蚀的影响外，预应力没有达到设计要求是影响预应力锚固结构失效破坏的最主要因素，换言之，预应力损失过大或失效，是导致预应力锚固对象正常运营性能减弱、没有达到设计目标的主要原因之一。本申请人在进行大跨度预应力混凝土箱梁桥施工监控和竖向预应力检测时，对预应力筋的各项损失进行了全面和长期测试，结果表明：造成预应力锚固结构张拉力失效的原因是第一次初张拉不到位引起的。虽然在预应力施工的过程中采用超张拉或二次张拉的方法减少预应力的损失或失效，但是人为因素与预应力施工环境因素造成预应力并没有达到设计要求，并且，在事后没有完备的预应力锚固结构张拉力检测标准，致使预应力锚固结构张拉力的施工、控制及检测处于一种无序的状态，进而恶化锚固对象的稳定性和安全性。解决预应力损失或失效问题最直接、最有效的途径是提出一种有效的检测方法并制定相应的检测标准。目前，预应力锚固结构张拉力测量的主流方法主要有在锚下安装压力传感器测量法、在预应力筋表面粘贴电阻应变片测量法、张拉千斤顶油表测试法、预应力筋延伸量测量法和振动测试法等，其中张拉千斤顶油表测试法和预应力延伸量测量法虽然简单易行，但仅适用于张拉时的预应力控制且精度较低，压力传感器和粘贴电阻应变片测量法，成本高，且不能重复使用，虽然可以得到很好的测试精度，但不能满足现场对预应力质量进行大面积检测的要求，无法推广应用，仅限于科学研究。振动测试法虽然能满足事后的检测标准，且测试精度较高，但相关操作过程相对繁琐，究其原理仅适用于精轧螺纹钢筋这一预应力锚固类型的张拉力的检测。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、检测成本低的基于单自由度系统预应力锚固类结构张拉力的检测系统，其不仅能适应大面积检测要求，而且能适应不同的锚具类型（螺杆螺帽型或锚块锚塞型）的各种紧固构件的检测。

本发明采用的技术方案是：包括螺纹钢筋或钢绞线、锚具、波纹套管、锚垫板及锚固对象，所述的锚固对象上开设有锚杆孔或锚索孔，螺纹钢筋或钢绞线通过螺纹钢筋或钢绞线的锚固段安装在锚固对象的锚杆孔或锚索孔中，波纹套管安装在锚固对象的锚杆孔或锚索孔中，套装在螺纹钢筋或钢绞线外，所述的锚固对象的锚杆孔或锚索孔端口处设有锚垫板和锚具，锚垫板压紧波纹套管，锚具用于固定锚垫板，锚具一侧设有击振器，另一侧设有加速度传感器，加速度传感器、击振器分别通过数据采集器与电脑连接。

上述的基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统中，所述的加速度传感器通过磁力吸座或橡胶泥或石膏泥固定安装于锚具外表面下缘，靠近锚垫板但不与锚垫板接触。

上述的基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统中，所述的加速度传感器的横向微幅振动方向垂直于螺纹钢筋或钢绞线的轴线。

上述的基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统中，所述的锚垫板的安装倾角在±2度以内。

上述的基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统中，锚具与锚垫板的接触形式为在预应力的作用下两粗糙界面的接触，接触面处材料形变均在材料的弹性形变范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明不仅能适应大面积检测要求，而且能实现各类锚具（螺杆螺帽型或锚块锚塞型）的紧固构件的检测；

（2）本发明的加速度传感器是经磁力吸座或橡胶泥或石膏泥固联于锚具外表面下缘，它与锚具的联接或分离均十分方便，提高了测试系统的检测效率；

（3）本发明结构简单，不仅可以快速安装，而且可以重复、安全使用，检测成本低；

（4）本发明彻底的解决了预应力锚固类结构预应力损失过大和失效的问题，提高了锚固结构的耐久性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的检测系统的结构示意图。

图2为本发明的检测系统预应力锚固结构张拉力计算原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明包括螺纹钢筋1（也可以是钢绞线）、锚具2、波纹套管5、锚垫板3及锚固对象6，所述的锚固对象6上开设有锚杆孔（也可以是锚索孔），螺纹钢筋1（或钢绞线）通过螺纹钢筋1（或钢绞线）的锚固段4安装在锚固对象6的锚杆孔（或锚索孔）中，波纹套管5安装在锚固对象6的锚杆孔（或锚索孔）中，套装在螺纹钢筋1（或钢绞线）外，所述的锚固对象6的锚杆孔（或锚索孔）端口处设有锚垫板3和锚具2，锚垫板3压紧波纹套管5，锚具2用于固定锚垫板3，锚具2与锚垫板3的接触形式为在预应力的作用下两粗糙界面的接触，接触面处材料形变均在材料的弹性形变范围内；所述的锚垫板3的安装倾角在±2度以内。锚具2一侧设有击振器8，另一侧通过磁力吸座71安装有加速度传感器7，也可以通过橡胶泥或石膏泥安装加速度传感器7，所述的加速度传感器7的横向微幅振动方向垂直于螺纹钢筋1（或钢绞线）的轴线。加速度传感器7、击振器8分别通过数据采集器9与电脑10连接。

本发明操作时，操作本发明的电脑10，在信号分析装置101的界面中点击信号采集命令，击振器8得指令动作，击振器8使锚具2和与之连接的加速度传感器7产生相对于锚垫板3的横向微幅振动，击振器8能用于测试各类型锚固系统输入特性曲线为一体的振动信息检测系统。加速度传感器7横向微幅振动方向是垂直于螺纹钢筋1轴线，能用于测试各类型锚固系统输出特性曲线的振动信息检测系统。本发明的锚具2的横向振动信号及击振器8作用在锚具2上的击振力输入信号，经信号分析装置101转换成锚具2与锚垫板3相接触的广义切向接触刚度，由信号分析装置101界面显示，其中，信号分析装置101主要以最小二乘法参数识别方法为工作原理；并应用电脑中螺纹钢筋1的张拉力与锚具2切向接触刚度的计算关系式102计算获取螺纹钢筋1通过锚具2施加在锚固对象6上的张拉力。克服了现有预应力锚固结构张拉力的检测系统均不能满足现场对预应力锚固结构张拉力质量进行大面积检测的缺陷，并且本发明的检测方法操作简便易行。

本发明的检测原理：

本发明在只考虑锚具2与锚垫板3接触面切向接触刚度的情况下，设接触面为随机粗糙表面，视预应力锚固结构的螺纹钢筋1（或钢绞线）、锚具2（螺杆螺帽型、锚块锚塞等）、张拉锚固端为一个广义质量系统，张拉端锚具2与锚垫板3的切向接触刚度为K_x（两接触物体的切向接触面也可视为串联弹簧）的弹簧联结，形成一个广义质量-弹簧的单自由度系统受迫振动模型，如图2所示。击振器8对锚具2施加的随时间变化的激振力F(t)使锚具2（为广义质量块m）在平衡位置l₀处作来回往复运动，其中x为任意时刻广义质量块m的切向位移，x₀为某一时刻广义质量块m的切向位移幅值。

不同的张拉力使得锚具2与锚垫板3的压紧程度不同，可以推断，在不同张拉力的情况下，螺纹钢筋1（或钢绞线）的锚具2与锚垫板3的接触面存在不同的广义切向接触刚度K_x，利用广义切向接触刚度K_x与张拉力F_N的关系，从而获取预应力锚固结构的张拉力。

按下面的公式计算张拉力：

$m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·}{x}\left(t\right)+K_{x}x\left(t\right)=F\left(t\right)---\left(1\right)$

式中：m为广义系统质量、c为广义系统切向阻尼、K_x为广义切向接触刚度、F(t)为击振器8对本发明的锚具2上施加击振力输入时程曲线，经多次试验测量，其幅值小于10^-1N，

、x(t)分别为加速度传感器7测得的锚具2切向微幅振动信号经信号分析处理后的加速度、速度和位移输出时程曲线。

θ=[H(t)^TH(t)]^-1H(t)^TF(t)    (2)

式中： $H\left(t\right)=\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·\·}{x}}_1& {\stackrel{\·}{x}}_1& x_1\left(t\right)\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_2& {\stackrel{\·}{x}}_2& x_2\left(t\right)\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ {\stackrel{\·\·}{x}}_n\left(t\right)& {\stackrel{\·}{x}}_n\left(t\right)& x_n\left(t\right)\end{array}\right],$ $\mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{c}m\\ c\\ K_x\end{array}\right],$ $F\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{F}_1\left(t\right)\\ F_2\left(t\right)\\ \·\·\·\\ F_n\left(t\right)\end{array}\right],$ 下标1、2、3....n为输出或输入时程曲线上对应的固定时间间隔的某一时刻。

结合本发明锚具2上的输入与输出时程曲线，利用最小二乘法进行参数识别，通过（2）式求解微分方程（1）式中的广义系统质量、广义系统阻尼和广义切向接触刚度。

将（2）式求得的广义切向接触刚度K_x代入下式：

$K_x=\frac{4G^{\′}{F}_N}{E^{\′}\mathrm{\σ}}{[1-\frac{F\left(t\right)}{{\mathrm{\υF}}_N}]}^{1/3}---\left(3\right)$

F_N为螺纹钢筋1的张拉力。

式中： $G^{\′}=\frac{G_1{G}_2}{(2-v_1)G_2+(2-v_2)G_1}$

$E^{\′}=\frac{E_1{E}_2}{(1-v_1^2)E_2(1-v_2^2)E_1}$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_1^2+{\mathrm{\σ}}_2^2}$

其中，G′为锚具2与锚垫板3接触面的复合切变模量，E′为锚具2与锚垫板3接触面的等效弹性模量，E₁、G₁、ν₁分别为锚具2的材料的弹性模量、剪切弹性模量和泊松比，E₂、G₂、ν₂分别为锚垫板3的材料的弹性模量、剪切弹性模量和泊松比，σ₁、σ₂分别为锚具2与锚垫板3的表面粗糙度的均方根值，它们之间的接触可以用一个理想的刚性平表面与一个等效粗糙度均方根值为σ的接触表面来代替，不失为一般性。F(t)为击振器8对预应力锚固结构的锚具2上施加击振力的输入时程曲线，经多次试验测量，其幅值小于10^-1N，一般情况下切向击振力与张拉力的比值F(t)/υF_N极小，可忽略不计。

上述实施例中针对张拉端锚具2上的输入与输出时程曲线，利用最小二乘法识别广义切向接触刚度K_x，然后代入相关材料参数，则可计算出此时预应力锚固结构所承受的张拉力。

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以对此作出各种修改和变换。例如张拉端锚具经磁力吸座或橡胶泥或石膏泥达到快速安装加速度传感器，且加速度传感器安装在锚具的不同位置，将信号分析仪与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计算原理情况下的修正。然而，类似的这种变换和修改均属于本发明的实质。

Claims (5)

1.一种基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统，其特征在于：包括螺纹钢筋或钢绞线、锚具、波纹套管、锚垫板及锚固对象，所述的锚固对象上开设有锚杆孔或锚索孔，螺纹钢筋或钢绞线通过螺纹钢筋或钢绞线的锚固段安装在锚固对象的锚杆孔或锚索孔中，波纹套管安装在锚固对象的锚杆孔或锚索孔中，套装在螺纹钢筋或钢绞线外，所述的锚固对象的锚杆孔或锚索孔端口处设有锚垫板和锚具，锚垫板压紧波纹套管，锚具用于固定锚垫板，锚具一侧设有击振器，另一侧设有加速度传感器，加速度传感器、击振器分别通过数据采集器与电脑连接。

2.根据权利要求1所述的基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统，其特征在于：所述的加速度传感器通过磁力吸座或橡胶泥或石膏泥固定安装于锚具外表面下缘，靠近锚垫板但不与锚垫板接触。

3.根据权利要求1所述的基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统，其特征在于：所述的加速度传感器的横向微幅振动方向垂直于螺纹钢筋或钢绞线的轴线。

4.根据权利要求1所述的基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统，其特征在于：所述的锚垫板的安装倾角在                                                

度以内。

5.根据权利要求1所述的基于单自由度系统预应力锚固结构张拉力的检测系统，其特征在于：锚具与锚垫板的接触形式为在预应力的作用下两粗糙界面的接触，接触面处材料形变均在材料的弹性形变范围内。

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