CN106638275B - 一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，包括：采用压电材料作为替代预应力钢筋的实体材料，通过对于压电预应力构件两端电压的控制，根据逆压电效应实现压电材料预应力混凝土箱梁的预应力大小的改变；将压电材料应用于桥梁的受压区，并辅助以外电供给，从而实现结构体系内电能的自循环供给；通过桥梁监控系统实时监控压电发电装置的供电量、混凝土箱梁受拉区域的拉应力及压电预应力构件上预应力，从而实现桥梁结构体系的宏观调控。本发明具有安全可靠、节能环保、自动化程度高等特点，能够实现桥梁使用过程中对于结构体系的健康监控和预应力调整，从而增强了箱梁结构的耐久性和安全性。

Description

一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁

技术领域

本发明涉及一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，属于桥梁工程技术领域。

背景技术

随着国民经济的高速发展，我国的公路交通事业也在不断的加速前进，桥梁结构作为公路交通的重要组成部分，其对公路交通的发展起着非常重要的制约作用。大跨径预应力混凝土梁桥由于具有较大的跨径，能够满足跨江跨海的需要，因此得到了广泛应用。

随着预应力混凝土箱梁在土木建筑领域的广泛运用，其由于自身结构特性局限、材料特性局限而产生的工程应用缺陷就频繁地暴露了出来。首先，由于预应力混凝土生产工艺和材料的固有特性等原因，预应力钢筋的应力值从张拉、锚固直到构件安装使用的整个过程中不断降低。并且这种由预应力钢筋应力值降低所体现的预应力损失的来源是多方面的，具体包括：(1)锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失；(2)预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失；(3)混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失；(4)钢筋应力松弛引起的预应力损失；(5)混凝土的收缩徐变引起的预应力损失；(6)用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失等六项预应力损失。预应力损失现象的出现导致预应力钢筋中的应力值不断降低，随着时间的推移会危害结构的安全特性。其次，虽然预应力设计计算过程中设计人员会对预应力损失以及桥梁载荷的不断增长进行基于安全系数计算下的处理，但随着交通流量的不断增大，桥梁承受的活载日益剧增，原有的预应力设计不能满足现有交通需求状态的要求。最后，设计阶段预应力设计过大或导致桥梁上拱，影响具体桥梁结构的美观以及增大材料的利用量和施工的难度。

综上所述，现有的预应力技术由于材料、张拉工艺等技术限制，其预应力荷载都是一次成型的，在不计损失的情况下是不可以改变的，并不具备应对外界环境的自适应能力。换言之，就是不能根据实际需求的变化而发生变化。

因此，本发明摒弃了原有预应力混凝土箱梁中预应力钢筋采用的高强钢筋、钢绞线等材料，转而采用压电材料作为预应力钢筋的实体材料，通过对于压电材料两端电压的控制，根据逆压电效应实现预应力材料应力大小的改变，增强了该结构对于环境、荷载的适应性。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，具有安全可靠、节能环保、自动化程度高等特点，能够实现桥梁使用过程中对于结构体系的健康监控和预应力调整，从而增强箱梁结构的耐久性和安全性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，包括预应力调节系统、桥梁监控系统及控制中心，且预应力调节系统、桥梁监控系统均与控制中心相连；

其中，所述预应力调节系统包括压电预应力构件、压电发电装置、储能电路；压电预应力构件设置于混凝土内，用作原预应力混凝土的预应力钢筋；压电预应力构件由压电材料制成，通过逆压电效应控制压电预应力构件上的预应力大小；压电预应力构件的两端设置有放电装置，用于控制压电预应力构件两端的电压；压电发电装置设置于箱梁顶部受压区域，且通过储能电路与放电装置相连；压电发电装置由压电材料制成，通过正压电效应将所受机械能转换为电能储存于储能电路中；

所述桥梁监控系统包括A、B、C三组应力传感器，其中A组应力传感器设置于箱梁顶面，用于检测箱梁顶面的受压应力；B组应力传感器设置于箱梁底面，用于检测箱梁底面的受拉应力；C组应力传感器设置于压电预应力构件上，用于检测压电预应力构件上的预应力大小。

本发明在现有预应力混凝土箱梁的基础上，利用压电材料的正、逆压电效应实现了箱梁的预应力调整和电能采集，并达到了结构体系内供电的自平衡。对梁体的横、纵截面而言，压电材料制造的预应力构件在具体布置位置方面与原有的预应力钢筋并没有差别，只是形成材料上的替换。而压电发电装置利用箱梁在自身恒载作用及车辆荷载活载作用下梁体受压区的压应力将机械能转化为电能，以此来实现箱梁自身供电的自平衡。

大量适应性实验表明，压电材料的工程强度、应力强度略低于普通预应力钢筋，但完全满足工程建设的需要，并且压电材料和混凝土这两种力学性能不同的材料能够有效地结合在一起工作。在外部荷载的作用下，由于压电材料与混凝土之间有着良好的粘结特性，保证了两者能够可靠的结合成一个整体，完成预应力箱梁所需的结构功能；压电材料种类繁多，选取温度膨胀系数与混凝土温度膨胀系数接近的压电材料取代原预应力钢筋可以保证当温度变化时，不致产生较大的温度应力而破坏两者之间的粘结；同时，包围在压电材料之外的混凝土也起到保护压电材料免收锈蚀的作用，从而保证了压电材料与混凝土的共同作用。

优选的，为了满足桥梁运营阶段监控人员对于各部件应力状态的监控需求，从而实现压电发电装置与压电预应力构件电能供给的相对平衡以及桥梁整体的安全监控，所述桥梁监控系统包括正压电监控系统、抗裂监控系统及预应力监控系统；

其中，正压电监控系统与A组应力传感器相连，用于计算并监控压电发电装置的发电量；抗裂监控系统与B组应力传感器相连，用于监控箱梁受拉区域的拉应力，从而保证箱梁在荷载作用下不会产生裂缝；预应力监控系统与C组应力传感器相连，用于监控压电预应力构件上的预应力大小。

优选的，为了避免供电不足而导致预应力调整不到位，所述储能电路包括蓄电池及变压器，压电发电装置通过变压器与蓄电池相连充电，蓄电池通过变压器与放电装置相连放电，且蓄电池与外电网连接充电。

优选的，为了实现整体系统的宏观调控，从而保证桥梁处于理想受力状态及电能供给平衡，所述控制中心与正压电监控系统、抗裂监控系统及预应力监控系统相连，用于接收所反馈的箱梁底面拉应力、压电发电装置供电量及压电预应力构件上预应力大小；

控制中心通过放电装置控制压电预应力构件两端的电压来调整压电预应力构件上的预应力大小，从而保证箱梁底面的拉应力始终在允许值内；

当检测出压电发电装置供电量不足以提供压电预应力构件两端所需的电势差时，控制中心控制蓄电池从外电网输电，从而保证压电预应力构件上的预应力始终可控。

优选的，所述压电发电装置包括沿箱梁宽度方向并列设置的若干压电杆，且压电杆沿箱梁长度方向延伸，其两端与储能电路相连。

优选的，为了保证应力检测数据的准确性，所述每组应力传感器包括五个应力传感器，且分别设置于箱梁中轴线或压电预应力构件的两端、中点及1/4处。

有益效果：本发明提供的一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，相对于现有技术，具有以下优点：1、能够根据环境及荷载变化对预应力大小进行调整，从根本上避免了桥梁裂缝病害的发生，增强了结构的耐久性；2、将压电材料应用于桥梁的受压区，并辅助以外电供给，基本实现了结构体系内电能的自循环供给，节能环保；3、建立了一套完整的桥梁监控、安全监测系统，从而保证了桥梁运营过程的安全性和独立性。

附图说明

图1为本发明实施例的纵截面图；

图2为本发明实施例的横截面图；

图3为本发明实施例的结构示意图；

图4为本发明实施例中储能电路的简单电路图；

图5为本发明实施例的控制原理图；

图中包括：1、压电预应力构件，2、压电发电装置，3、放电装置，4、A组应力传感器，5、B组应力传感器，6、C组应力传感器，7、储能电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，其特征在于，包括预应力调节系统、桥梁监控系统及控制中心，且预应力调节系统、桥梁监控系统均与控制中心相连；

如图2、3所示，所述预应力调节系统包括压电预应力构件1、压电发电装置2、储能电路7；压电预应力构件1设置于混凝土内，用作原预应力混凝土的预应力钢筋；压电预应力构件1由压电材料制成，通过逆压电效应控制压电预应力构件1上的预应力大小；压电预应力构件1的两端设置有放电装置3，用于控制压电预应力构件1两端的电压；压电发电装置2设置于箱梁顶部受压区域，且通过储能电路7与放电装置3相连；压电发电装置2由压电材料制成，通过正压电效应将所受机械能转换为电能储存于储能电路7中；

如图1、2所示，所述桥梁监控系统包括A、B、C三组应力传感器，其中A组应力传感器4设置于箱梁顶面，用于检测箱梁顶面的受压应力；B组应力传感器5设置于箱梁底面，用于检测箱梁底面的受拉应力；C组应力传感器6设置于压电预应力构件1上，用于检测压电预应力构件1上的预应力大小。

本实施例中，所述每组应力传感器包括五个应力传感器，且分别设置于箱梁中轴线或压电预应力构件1的两端、中点及1/4处；所述压电发电装置2包括沿箱梁宽度方向并列设置的若干压电杆，且压电杆沿箱梁长度方向延伸，其两端与储能电路7相连。

本实施例中，所述桥梁监控系统包括正压电监控系统、抗裂监控系统及预应力监控系统；其中，正压电监控系统与A组应力传感器4相连，用于计算并监控压电发电装置2的发电量；抗裂监控系统与B组应力传感器5相连，用于监控箱梁底面的受拉应力，从而保证箱梁底面在荷载作用下不会产生裂缝；预应力监控系统与C组应力传感器6相连，用于监控压电预应力构件1上的预应力大小。

如图4所示，所述储能电路7包括蓄电池及变压器，压电发电装置2通过变压器与蓄电池相连充电，蓄电池通过变压器与放电装置3相连放电，且蓄电池与外电网连接充电。

如图5所示，所述控制中心与正压电监控系统、抗裂监控系统及预应力监控系统相连，用于接收所反馈的箱梁底面拉应力、压电发电装置2供电量及压电预应力构件1上预应力大小；

控制中心通过放电装置3控制压电预应力构件1两端的电压来调整压电预应力构件1上的预应力大小，从而保证箱梁底面的拉应力始终在允许值内；

当检测出压电发电装置2供电量不足以提供压电预应力构件1两端所需的电压时，控制中心控制蓄电池从外电网输电，从而保证压电预应力构件1上的预应力始终可控。

本发明的理想状态受力模型基于《桥规》(JTG D62)规定的部分预应力混凝土A类构件——在作用(或荷载)短期效应下，控制截面受拉边缘允许出现拉应力，但控制拉应力不得超过某个允许值，(对于这种情况，国际上习惯称为有限预应力混凝土)。本发明的理想状态为，箱梁截面受拉边缘允许出现的拉应力略小于裂缝产生所需的拉应力，这样既保证了桥梁的耐久性，又能使箱梁截面受拉区域仍为受拉状态。

本发明的理想结构状态为：

σ_lf＝σ_fd-σ_cond

其中，σ_lf——梁底裂缝产生所需的拉应力，即箱梁底面拉应力的允许值；

σ_fd——由桥梁自身承受恒载和由车辆等产生的活载作用在梁底面所产生的拉应力；

σ_cond——由压电预应力构件抵消的梁底拉应力。

本发明在正压电效应理论的基础上提出了关于箱形梁理想受压区压电材料发电量的经验计算公式模型，即：

式中，D_n——电位移；

d_nj——压电应变常数；

T_i——分别代表左梁端、左1/4处、梁中点、右1/4处以及右梁端处箱形梁表面的传感器应力数值；

α_i——分别代表左梁端、左1/4处、梁中点、右1/4处以及右梁端处应力张量的加权修正系数；

β——加权平均修正系数；

K₁——梁截面类型修正系数(主要表示翼缘板宽度与腹板宽度的比值)；

K₂——梁长修正系数；

K₃——梁高修正系数；

K₄——梁体混凝土材料修正系数。

本发明在负压电效应理论的基础上提出了关于压电预应力构件在应力需求条件下对应的两端电位移加载工程经验公式，即：

T_j＝K₁·K₂·K₃·K₄·K₅·K₆·e_mj·E_j

式中，K₁——摩阻力损失系数；

K₂——锚具变形损失系数；

K₃——温差效应系数；

K₄——混凝土预应力效应作用下的压缩影响系数；

K₅——压电材料自身应力损失系数；

K₆——混凝土长期荷载作用下收缩、徐变影响系数；

T_j——应力；

e_mj——压电常数；

E_j——外加电场。

本发明的具体实施方式如下：

如图5所示，当上述箱梁投入工作使用阶段后，三组传感器开始工作，对梁体的各个部位进行监控。当图1中B组传感器5检测到梁底拉应力逐步增大并有促使梁底面开裂的趋势时，传感器将应力数据传递到控制中心，控制中心通过放电装置3改变压电预应力构件1两端的电势差从而达到控制预应力大小的目的；在调整过程中，通过图1中C组传感器6读取即时预应力大小，通过图1中B组传感器5读取即时底面压应力大小，从而实现闭环控制。

在全运营过程中，图1中A组传感器4全天候监控箱梁顶部压应力大小，并分析压电发电装置2的产能结果；当检测到压电发电装置2由机械能转化的电量不足应完全供给压电预应力构件用电需求时，我们将外电网连入结构体系。

本发明中，全部指令、数据都可以与控制中心相连的控制面板来发布和读取，通过控制面板可以读出梁底部的受拉应力、预应力大小、即时供电量，并可对预应力大小、供电需求进行调控。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，其特征在于，包括预应力调节系统、桥梁监控系统及控制中心，且预应力调节系统、桥梁监控系统均与控制中心相连；

其中，所述预应力调节系统包括压电预应力构件(1)、压电发电装置(2)、储能电路(7)；压电预应力构件(1)设置于混凝土内，用作原预应力混凝土的预应力钢筋；压电预应力构件(1)由压电材料制成，通过逆压电效应控制压电预应力构件(1)上的预应力大小；压电预应力构件(1)的两端设置有放电装置(3)，用于控制压电预应力构件(1)两端的电压；压电发电装置(2)设置于箱梁顶部受压区域，且通过储能电路(7)与放电装置(3)相连；压电发电装置(2)由压电材料制成，通过正压电效应将所受机械能转换为电能储存于储能电路(7)中；

所述桥梁监控系统包括A、B、C三组应力传感器，其中A组应力传感器(4)设置于箱梁顶面，用于检测箱梁顶面的受压应力；B组应力传感器(5)设置于箱梁底面，用于检测箱梁底面的受拉应力；C组应力传感器(6)设置于压电预应力构件(1)上，用于检测压电预应力构件(1)上的预应力大小。

2.根据权利要求1所述的一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，其特征在于，所述桥梁监控系统包括正压电监控系统、抗裂监控系统及预应力监控系统；

其中，正压电监控系统与A组应力传感器(4)相连，用于计算并监控压电发电装置(2)的发电量；抗裂监控系统与B组应力传感器(5)相连，用于监控箱梁底面的受拉应力，从而保证箱梁底面在荷载作用下不会产生裂缝；预应力监控系统与C组应力传感器(6)相连，用于监控压电预应力构件(1)上的预应力大小。

3.根据权利要求2所述的一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，其特征在于，所述储能电路(7)包括蓄电池及变压器，压电发电装置(2)通过变压器与蓄电池相连充电，蓄电池通过变压器与放电装置(3)相连放电，且蓄电池与外电网连接充电。

4.根据权利要求3所述的一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，其特征在于，所述控制中心与正压电监控系统、抗裂监控系统及预应力监控系统相连，用于接收所反馈的箱梁底面拉应力、压电发电装置(2)供电量及压电预应力构件(1)上预应力大小；

控制中心通过放电装置(3)控制压电预应力构件(1)两端的电压来调整压电预应力构件(1)上的预应力大小，从而保证箱梁底面的拉应力始终在允许值内；

当检测出压电发电装置(2)供电量不足以提供压电预应力构件(1)两端所需的电压时，控制中心控制蓄电池从外电网输电，从而保证压电预应力构件(1)上的预应力始终可控。

5.根据权利要求1所述的一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，其特征在于，所述压电发电装置(2)包括沿箱梁宽度方向并列设置的若干压电杆，且压电杆沿箱梁长度方向延伸，其两端与储能电路(7)相连。

6.根据权利要求1所述的一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，其特征在于，每组所述应力传感器包括五个应力传感器，且分别设置于箱梁中轴线或压电预应力构件(1)的两端、中点及1/4处。