CN104198095A - 一种混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法，从粘贴在预应力混凝土梁的压电陶瓷的压电导纳信号中提取共振频率和均方根偏差识别预应力混凝土梁的预应力值，提取共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标识别预应力混凝土梁的预应力损失。为预应力混凝土梁预应力值和预应力损失的实时监测提供了新的途径。与现有技术相比，本发明可以实现快速监测，能够在没有布置测量预应力值的传感器的预应力混凝土梁快速得到预应力值和预应力损失，从而准确评估预应力混凝土梁正常使用状态下的承载力。

Description

一种混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法

技术领域

本发明涉及一种结构监测技术，特别涉及一种混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法。

背景技术

对于预应力混凝土梁桥，其正常使用状况下的承载力大小由预应力值决定。因此，如何确定有效预应力，是预应力混凝土梁桥结构设计和使用中的一个重要内容。如果桥梁建造时已在预应力筋上布置传感器用以测量预应力值或预应力力筋应变值，则通过传感器信号即可直接测得现存的预应力值。若并未布置相应传感器，或传感器已损坏，那么预应力就无法直接获取了。Abraham（Abraham M A, Park S, Stubbs N. Loss of prestress prediction based on nondestructive damage location algorithms[C]. San Diego, CA, USA: Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, 1995.）等对预应力混凝土梁建立有限元模型，研究预应力作用下梁自振频率、振型、振幅的变化，并进行损伤定位和识别，但该方法识别预应力损失精度很低。Lu（Lu Z R, Law S S. Identification of prestress force from measured structural responses[J]. Mechanical Systems and Signal Processing. 2006, 20(8): 2186-2199）和Law（Law S S, Lu Z R. Time domain responses of a prestressed beam and prestress identification [J]. Journal of Sound and Vibration, 2005, 288(4-5): 1011-1025）利用时程信号和时程灵敏度对中心布筋的预应力混凝土梁进行了预应力识别，发现在没有噪声和模型误差的情况下能够精确地识别出预应力值。Kim（Kim J T, Yun C B, Ryu Y S, et al. Identification of prestress-loss in PSC beams using modal information [J]. Structural Engineering and Mechanics, 2004, 17(3-4):467-482）等通过模态频率来识别预应力损失。然而，这些基于振动响应时程灵敏度的预应力识别方法的识别精度对模型误差非常敏感，对于模型的精确建立是个很困难的事情。

发明内容

本发明是针对现有预应力识别方法存在的问题，提出了一种混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法，通过粘贴在预应力混凝土梁的压电陶瓷的压电导纳信号中识别出预应力混凝土梁的预应力值和预应力损失。

本发明的技术方案为：一种混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法，具体包括如下步骤：

1）在预应力混凝土梁上粘贴压电陶瓷片，将阻抗分析仪与压电陶瓷片相连，采用千斤顶张拉预应力，压力环测量预应力值，通过阻抗分析仪得到压电陶瓷的压电导纳信号；

2）对压电导纳信号进行分析处理，得到共振频率和均方根偏差，根据共振频率和均方根偏差进行经验曲线拟合建立预应力值和共振频率、均方根偏差之间的关系；

3）选取锚固后的预应力混凝土梁的预应力值和测得的压电导纳信号作为参考信号，对共振频率和均方根偏差进行分析处理，得到共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标；

4）根据共振频率和均方根偏差得到预应力值，根据共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标得到预应力损失。

所述步骤2）均方根偏差的计算公式为：

        

式中：Y _k 为压电导纳信号，N为压电导纳信号的采样点数目，i为初始状态下的压电导纳信号，j为采集状态下的压电导纳信号。

所述步骤3）中共振频率偏移指标的计算公式为：

△f/△f _u =( f _j –f _i )/( f _u –f _i )，f _i 为初始状态下的共振频率，f _j 为采集状态下的共振频率，f _u 为最终状态下的共振频率，均方根偏差偏移指标的计算公式为：

△R/△R _u =(R _j –R _i )/(R _u –R _i )，R _i 为初始状态下的均方根偏差，R _j 为采集状态下的均方根偏差，R _u 为最终状态下的均方根偏差。

本发明的有益效果在于：本发明混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法，为预应力混凝土梁预应力值和预应力损失的实时监测提供了新的途径。与现有技术相比，本发明可以实现快速监测，能够在没有布置测量预应力值的传感器的预应力混凝土梁上快速得到预应力值和预应力损失，从而准确评估预应力混凝土梁正常使用状态下的承载力。

附图说明

图1为本发明对预应力混凝土梁预应力值和预应力损失监测的原理示意图；

图2为本发明实施算例中预应力混凝土梁各力示意图；

图3为本发明实施算例中预应力混凝土梁的压电导纳图；

图4为本发明实施算例中以共振频率为指标的经验曲线拟合图；

图5为本发明实施算例中以均方根偏差为指标的经验曲线拟合图；

图6为本发明实施算例中以共振频率偏移为指标的经验曲线拟合图；

图7为本发明实施算例中以均方根偏差偏移为指标的经验曲线拟合图。

具体实施方式

一种基于压电阻抗法的预应力混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法，从粘贴在预应力混凝土梁的压电陶瓷的压电导纳信号中提取共振频率和均方根偏差识别预应力混凝土梁的预应力值，提取共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标识别预应力混凝土梁的预应力损失。进一步，其包括以下步骤：

1）对预应力混凝土梁进行压电阻抗测试并获取预应力值和压电陶瓷的压电导纳信号；

2）对压电导纳信号进行分析处理，得到共振频率和均方根偏差，对压电导纳信号进行分析处理，得到共振频率和均方根偏差，根据共振频率和均方根偏差进行经验曲线拟合建立预应力值和共振频率、均方根偏差之间的关系，均方根偏差的计算公式为：

       

式中：Y _k 为压电导纳信号，N为压电导纳信号的采样点数目，i为初始状态下的压电导纳信号，j为采集状态下的压电导纳信号；

3）选取锚固后的预应力混凝土梁的预应力值和测得的压电导纳信号作为参考信号，对共振频率和均方根偏差进行分析处理，得到共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标，共振频率偏移指标的计算公式为：

△f/△f _u =( f _j –f _i )/( f _u –f _i )，f _i 为初始状态下的共振频率，f _j 为采集状态下的共振频率，f _u 为最终状态下的共振频率，均方根偏差偏移指标的计算公式为：

△R/△R _u =(R _j –R _i )/(R _u –R _i )，R _i 为初始状态下的均方根偏差，R _j 为采集状态下的均方根偏差，R _u 为最终状态下的均方根偏差；

4）根据共振频率和均方根偏差得到预应力值，根据共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标得到预应力损失。

如图1所示对预应力混凝土梁预应力值和预应力损失监测的原理示意图，在预应力混凝土梁上粘贴压电陶瓷片，将阻抗分析仪与压电陶瓷片相连，采用千斤顶张拉预应力，压力环测量预应力值。

根据压电导纳信号提取预应力混凝土梁的预应力值所对应的共振频率和均方根偏差。

根据预应力混凝土梁的预应力值所对应的共振频率和均方根偏差，提取共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标。

由预应力值和共振频率、均方根偏差建立的关系得到预应力，由预应力损失和共振频率偏移指标、均方根偏差偏移指标建立的关系得到预应力损失。

压电阻抗法的工作原理：

基于压电陶瓷的压电阻抗法是应用压电陶瓷的力-电耦合特性，综合考虑压电陶瓷的动态特性和梁的阻抗信息而提出的一种实时监测方法。采用一维模型模拟压电陶瓷与预应力混凝土梁之间的相互作用，建模时需考虑压电陶瓷的动态特征和梁的阻抗，模拟时压电陶瓷在交变电压作用下被看成一个薄片，仅能产生纵向膨胀和收缩。压电陶瓷与梁结构耦合作用下的电导纳公式为

                       （2）

                 （3）

式中：Y(ω)为导纳值（阻抗的倒数），能够在压电陶瓷上测得；I、V分别为压电陶瓷的输出电流和电压；Z _a 、Z _s 分别为压电陶瓷和本体结构的压电阻抗值；w _a 、l _a 、h _a 分别为压电陶瓷的宽度、长度和厚度；ω为所加激励的角频率；，ρ为压电陶瓷的密度；为电场强度E ₃为零（或常数）时的复弹性模量，E _p 为弹性模量，η为机械损耗因数；d ₃₁为压电应变常数；E ₃为所加电场强度；为应力T ₁为零（或常数）时的复介电常数，为介电常数，δ为介电损耗因数。

式(1)中的第一项是压电陶瓷本身的导纳值，随频率的增加而逐渐增大；第二项包括压电陶瓷和预应力混凝土梁的阻抗，预应力混凝土梁在运营过程中预应力值发生改变影响到梁的工作性能，从而导致预应力混凝土梁的阻抗Z _s发生变化，而PZT粘贴在预应力混凝土梁上，它本身的阻抗Z _a是不变的，因此预应力混凝土梁的阻抗值Z _s唯一地决定第二项的数值变化。因此，可以认为任何导纳信号的改变都是由预应力混凝土梁的预应力变化引起的。

经验曲线拟合：

因为共振频率和预应力有很大的关联，为了更明显的描述共振频率随预应力变化而变化趋势，因此建立预应力和共振频率、均方根偏差之间的关系来预测预应力，建立预应力损失和共振频率偏移指标、均方根偏差偏移指标之间的关系来预测预应力损失。采用线性函数来进行曲线拟合。

                       （4）

式中：x分别为共振频率、共振频率偏移、均方根偏差和均方根偏差偏移指标；y分别为预应力值或预应力损失，预应力损失△F/F计算公式为△F/F=(F _PSN - F _PSi)/F _PSN (i=1, 2, …, N-1)，F _PSi为i工况下的预应力值，F _PSN为最终工况下的预应力值；a ₁和a ₂分别为经验拟合系数。

同时，采用确定系数r ²来判断拟合曲线对测量值的拟合程度，r ²越高，表明拟合曲线对测量值的拟合程度越高。确定系数r ²的计算公式为：

                （5）

式中：y _i 为测量值；f _i 为用拟合公式计算的拟合值，n为测量点的数目。

如图2所示实施算例中预应力混凝土梁各力示意图，该预应力混凝土梁长度4m、宽15cm、高35cm，在距梁底6cm处布置一根7φ5低松弛钢绞线，在预应力筋上布置压力环。在锚定板上粘贴尺寸为10mm×10mm×0.2mm的压电陶瓷片。具体实施步骤为：

1）对梁进行分级张拉预应力，通过压力环得到预应力值，通过阻抗分析仪得到压电陶瓷的压电导纳信号，压电陶瓷的压电导纳信号见图3。

2）对压电导纳信号进行分析处理，得到共振频率和均方根偏差，根据共振频率和均方根偏差进行经验曲线拟合建立预应力值和共振频率、均方根偏差之间的关系（如图4和图5），由这种关系得到预应力混凝土梁的预应力值。

3）选取锚固后的预应力混凝土梁的预应力值和测得的压电导纳信号作为参考信号，对共振频率和均方根偏差进行分析处理，得到共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标。根据共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标进行经验曲线拟合建立预应力损失和共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标之间的关系（如图6和图7），由这种关系得到预应力混凝土梁的预应力损失。

Claims (3)

1.一种混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）在预应力混凝土梁上粘贴压电陶瓷片，将阻抗分析仪与压电陶瓷片相连，采用千斤顶张拉预应力，压力环测量预应力值，通过阻抗分析仪得到压电陶瓷的压电导纳信号；

2）对压电导纳信号进行分析处理，得到共振频率和均方根偏差，根据共振频率和均方根偏差进行经验曲线拟合建立预应力值和共振频率、均方根偏差之间的关系；

3）选取锚固后的预应力混凝土梁的预应力值和测得的压电导纳信号作为参考信号，对共振频率和均方根偏差进行分析处理，得到共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标；

4）根据共振频率和均方根偏差得到预应力值，根据共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标得到预应力损失。

2.根据权利要求1所述混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法，其特征在于，所述步骤2）均方根偏差的计算公式为：

       

式中：Y _k 为压电导纳信号，N为压电导纳信号的采样点数目，i为初始状态下的压电导纳信号，j为采集状态下的压电导纳信号。

3.根据权利要求2所述混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法，其特征在于，所述步骤3）中共振频率偏移指标的计算公式为：

△f/△f _u =( f _j –f _i )/( f _u –f _i )，f _i 为初始状态下的共振频率，f _j 为采集状态下的共振频率，f _u 为最终状态下的共振频率，均方根偏差偏移指标的计算公式为：

△R/△R _u =(R _j –R _i )/(R _u –R _i )，R _i 为初始状态下的均方根偏差，R _j 为采集状态下的均方根偏差，R _u 为最终状态下的均方根偏差。