CN106644202A - 桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置，包括数据采集器、监控计算机以及设置在桥梁内的智能钢绞线，智能钢绞线由中心丝和围绕中心丝缠绕的周边丝扭绞成型，中心丝为碳纤维丝，其内置有带光纤光栅传感器的光纤，智能钢绞线中的光纤光栅传感器的引出线通过光缆连接到数据采集器，数据采集器与监控计算机进行通讯，将采集的各点的预应力传递给监控计算机，监控计算机用于接收各点的预应力，进行统计分析桥梁有效预应力的分布状况以及其衰减状况。它利用光纤光栅传感器按监控要求分布在预应力筋上，显示各点的有效预应力大小，迅速准确地反映有效预应力的分布状况，还能随着时间的变异，测试出其衰减状况。
Description
技术领域
本发明涉及预应力桥梁建管养专用设备领域，具体涉及一种桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置。
背景技术
桥梁有效预应力的沿程分布及其衰减一直是土木工程界急需知晓，而又无法测试的一大难题。目前桥梁界采用管道摩阻测试方法，是以梁体两端面的力学变异来测试分析的，沿程分布规律无从知晓，以此为基准所计算的预应力沿程分布状况是片面的甚至是错误的。而且仅仅限于建设中，成桥后则毫无办法。至于有效预应力的衰减，只能借助埋设压力传感器，且限于无粘结筋。由于现场埋设条件偏离标定条件故精度低，加之传感器随温度、湿度、时间变化而变化，故需每年标定，这样就导致其实用价值非常差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置，它利用光纤光栅传感器按监控要求分布在预应力筋上，显示各点的有效预应力大小，并对其进行比较，迅速准确地反映有效预应力的分布状况，还能随着时间的变异，对某个点的有效预应力进行先后比较，测试出其衰减状况。既可用于无粘结预应力筋，也可用于有粘结预应力筋，既可用于新桥建设，也可用于旧桥体外束加固，为预应力桥梁测控技术，提供了建管养一体化测控手段，延长了桥梁使用寿命，降低了桥梁全寿命成本，确保桥梁运营安全。
本发明的目的是这样实现的：一种桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置，包括数据采集器、监控计算机以及设置在桥梁内的智能钢绞线，智能钢绞线的两端分别延伸出桥梁的两端，所述智能钢绞线由中心丝和围绕中心丝缠绕的周边丝扭绞成型，中心丝为碳纤维丝，其内置有带光纤光栅传感器的光纤，所述智能钢绞线中的光纤光栅传感器的引出线通过光缆连接到数据采集器，所述数据采集器与监控计算机进行通讯，将采集的各点的预应力传递给监控计算机，所述监控计算机用于接收各点的预应力，进行统计分析桥梁有效预应力的分布状况以及其衰减状况。数据采集器采用光纤光栅调解仪。
本桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置还包括位于桥梁两端的工作锚具，所述工作锚具与桥梁之间设有锚垫板，所述工作锚具设有若干锥孔，所述工作锚具的锥孔中设有用于夹紧钢绞线的工作夹片，桥梁一端的工作锚具中的工作夹片与桥梁另一端的工作锚具中的工作夹片相对设置，所述工作锚具设有中心锥孔，用于供智能钢绞线穿过，工作锚具上其余的锥孔环中心锥孔设置，用于供普通钢绞线穿过。
桥梁横截面上设置四根智能钢绞线，分布在桥梁横截面的上、下、左、右四个方向，利用智能钢绞线实现以一根代表一束钢绞线，以4束钢绞线代表一个横截面进行预应力分析，用于检测桥梁各断面预应力状况，对桥梁的运营安全起到警示作用，实现智慧桥梁建管养一体化的监控技术。
所述监控计算机与因特网连接，用于将数据发送到因特网。
智能钢绞线内的光纤光栅传感器沿智能钢绞线轴向按监控要求分布。
所述数据采集器与监控计算机通过无线连接。
智能钢绞线外设有PE保护层。
一种智能钢绞线的标定装置，包括反力装置、压力采集装置和张拉千斤顶，智能钢绞线安装在反力装置上，智能钢绞线的两端分别延伸出反力装置，智能钢绞线的固定端依次穿过第一锚垫板、第一工作锚具，与第一工作锚具锥孔中的第一工作夹片卡接，智能钢绞线的张拉端依次穿过第二锚垫板、第二工作锚具与张拉千斤顶连接，所述张拉千斤顶通过管路与液压泵站连接，第二工作锚具的锥孔中设有第二工作夹片，第二工作夹片与第一工作夹片相对设置，所述智能钢绞线中的光纤光栅传感器的引出线通过光缆与数据采集器连接，所述数据采集器与监控计算机进行通讯，将光纤光栅传感器采集的光波波长数据传递给监控计算机，所述监控计算机根据设置的标定点力值控制液压泵站，控制张拉千斤顶按照标定点力值大小对智能钢绞线进行依次张拉，所述压力采集装置用于采集智能钢绞线内的压力值，并输出。智能钢绞线的张拉端安装0.5%FS的压力传感器。
所述第二工作锚具与千斤顶之间设有套管，所述第二工作夹片一端伸入第二工作锚具的锥孔中，另一端位于套管中。
智能钢绞线位于反力装置的反力沟槽中，其两端分别伸出反力装置的反力沟槽的两端。反力装置可以采用反力架。
压力采集装置包括压力传感器和压力显示表，所述压力传感器位于第二锚垫板与第二工作锚具之间，所述压力传感器用于将采集的压力信号传递给压力显示表，用于实时显示智能钢绞线内的压力值。
一种智能钢绞线的标定方法，采用了上述标定装置，包括如下步骤：
1）在监控计算机内设置几个标定点；
2）按照标定点力值大小，张拉千斤顶按照标定点力值大小对智能钢绞线进行依次张拉，计算机采集智能钢绞线的光波波长数据，与各标定点一一对应，同时，压力采集装置采集智能钢绞线内的压力值，与计算机采集的光波波长数据一一对应，张拉到最大标定力值后，慢慢放张，利用压力采集装置的压力值数据和光波波长数据，得出线性关系；
3）监控计算机启用步骤2）得到的线性关系，用于将计算机采集的智能钢绞线的光波波长数据对应转换为力值数据，再次对智能钢绞线进行张拉，将压力采集装置采集的压力值与计算机转换得到的力值进行比较，两者若能重合或两者之差在误差允许的范围内，及标定成功，否则，返回步骤2）进行重新标定；
4）记录保存标定数据，并和标定的钢绞线进行编号对应。
本发明的有益效果为：由于本发明的桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置，包括数据采集器、监控计算机以及设置在桥梁内的智能钢绞线，智能钢绞线的两端分别延伸出桥梁的两端，所述智能钢绞线由中心丝和围绕中心丝缠绕的周边丝扭绞成型，中心丝为碳纤维丝，其内置有带光纤光栅传感器的光纤，所述智能钢绞线中的光纤光栅传感器的引出线通过光缆连接到数据采集器，所述数据采集器与监控计算机进行通讯，将采集的各点的预应力传递给监控计算机，所述监控计算机用于接收各点的预应力，进行统计分析桥梁有效预应力的分布状况以及其衰减状况。计算机系统实现上网发送。由于采用了上述技术方案，通过在桥梁建设（或加固）中，设置带光纤光栅传感系统的智能钢绞线，对桥梁施工中预应力进行全程跟踪测试，在钢绞线内的光纤光栅传感器按监控要求分布，能准确的显示出各点的预应力大小及其沿程分布状况，并根据其显示的数据分析张拉施工顺序对有效预应力大小与均匀度的影响，其中，先后张拉将影响到梁体的刚度，导致先张拉者衰减明显。成桥后在荷载试验中，能反映荷载对预应力（主要是纵向力）的影响，从而探求出规律性。通过在桥梁横截面上的上、下、左、右四个方向上设置智能钢绞线，实时反馈钢绞线上的预应力大小，并利用《桥梁预应力及索力张拉施工质量检测验收规程》CQJTG/T F81—2009中的相关标准，来判断预应力的实时状态，并利用四根代表截面来分析桥梁的截面变形（扭转、翘曲）情况。利用该发明技术便于在运营中对桥梁预应力状态及与交通荷载等状况影响进行综合分析，对桥梁健康的诊断意义重大，从而形成桥梁建管养一体化的测控综合技术。
本发明利用光纤光栅传感器按监控要求分布在预应力筋上，显示各点的有效预应力大小，并对其进行比较，迅速准确地反映有效预应力的分布状况，还能随着时间的变异，对某个点的有效预应力进行先后比较，测试出其衰减状况。既可用于无粘结预应力筋，也可用于有粘结预应力筋，既可用于新桥建设，也可用于旧桥体外束加固，为预应力桥梁测控技术，提供了建管养一体化测控手段，延长了桥梁使用寿命，降低了桥梁全寿命成本，确保桥梁运营安全。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置单一孔道示意图；
图2为智能钢绞线梁体断面布置示意图；
图3为图2的A处放大图；
图4为智能钢绞线内部示意图；
图5为智能钢绞线标定示意图；
图6为力值变化对应光波波长变化的线性关系示意图。
1为智能钢绞线，2为碳纤维丝，3为光纤，4为光栅光纤传感器，5为工作夹片，6为工具锚具，7为锚垫板，8为反力装置，9为压力传感器，10为套筒，11为千斤顶，12为连接插头，13为接长线，14为数据采集器，15为压力显示表，16为液压泵站，17为监控计算机，18为混凝土梁体，19为普通钢绞线。
具体实施方式
参见图1至图5，一种桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置，包括数据采集器14、监控计算机17以及设置在桥梁内的智能钢绞线1，智能钢绞线的两端分别延伸出桥梁的两端，所述智能钢绞线由中心丝和围绕中心丝缠绕的周边丝扭绞成型，中心丝为碳纤维丝2，其内置有带光纤光栅传感器4的光纤3。智能钢绞线内的光纤光栅传感器沿智能钢绞线轴向按监控要求分布。所述智能钢绞线中的光纤光栅传感器的引出线通过光缆连接到数据采集器14，所述数据采集器14与监控计算机17进行通讯，将采集的各点的预应力传递给监控计算机，所述监控计算机用于接收各点的预应力，进行统计分析桥梁有效预应力的分布状况以及其衰减状况。本实施例的所述数据采集器与监控计算机通过无线连接。数据采集器采用光纤光栅调解仪。
现场监测点采集数据后，发送到服务器，由服务器对数据进行智能化的分析处理形成对整束、单片梁和成桥预应力施工质量的全面评价与综合分析，产生一系列的统计产品（报表、曲线、饼状图、柱状图等），用户可以在办公室随时通过网络访问服务器中的所有检测数据及统计分析结果，便于业主、监理、设计等部门对预应力施工质量进行实时跟踪监控。同时对于重大桥梁，借助预应力沿程分佈测控系统进行桥梁健康诊断，形成建、管、养一体化的智慧桥梁。
图4是智能钢绞线的组成，光纤经过光处理形成光纤光栅传感器，光纤光栅传感器通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，按照绞线长度和沿程测试点的要求，通过光处理形成相应位置的光纤光栅传感器个数，再将光纤丝置入碳纤维丝中，形成智能碳杆，再将碳杆替代钢绞线的中心丝形成智能钢绞线。在钢绞线一个端头，接出光纤的连接插头12，以便与接长线13相连，通过接长线与数据采集器连接，再通过有线或者无线装置与监控计算机相连。数据采集器进行数据采集，监控计算机中安装了监控软件，利用软件将根据其采集的数据对沿程分布和应力衰减的规律进行统计分析，并将结果发送至因特网上指定的监控界面便于远程监控。
本桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置还包括位于桥梁两端的工作锚具6，所述工作锚具与桥梁之间设有锚垫板7（钢板），所述工作锚具设有若干锥孔，所述工作锚具的锥孔中设有用于夹紧钢绞线的工作夹片5，桥梁一端的工作锚具中的工作夹片与桥梁另一端的工作锚具中的工作夹片相对设置，所述工作锚具设有中心锥孔，用于供智能钢绞线穿过，工作锚具上其余的锥孔环中心锥孔设置，用于供普通钢绞线19穿过。应用如图1，有效预应力沿程分布规律的测试。根据混凝土梁体的波纹管布置要求，转向块会导致摩阻变异，摩阻增加，传力衰减，故应该在每2个相邻转向位置之间中心处设置一个光纤光栅传感器，从而避开转向块对钢绞线该段应力的影响，要求在智能钢绞线制作中予以解决。应用梳编穿束专利和成品束技术，将一根智能钢绞线置于成品束中，在穿入波纹管后，实施整束张拉，由于绞线受力均匀，以一根带整束，即可用智能钢绞线上的各位置的光纤光栅传感器，测出锚下有效预应力的分布规律，同时还可以分别测出张拉过程中和放张后的分布规律。
桥梁横截面上设置四根智能钢绞线，图2中A、B、C、D处为4根智能钢绞线的位置，分布在桥梁横截面的上、下、左、右四个方向，用于检测桥梁各断面预应力状况。应用张拉跟踪控制系统（张拉施工过程控制仪器），利用联机通讯的四台张拉施工过程控制仪器可确保各束绞线在同一断面上的受力均匀性，因此可以典型四束（即用四根智能钢绞线）有效预应力在各断面（梁体1/2、1/4、3/4等）的受力状态，结合桥梁的设计要求，可以对梁体预应力的衰减规律和健康状况进行诊断分析。通过光缆传到数据采集器，通过监控计算机，发送到因特网，从而便于远程控制形成桥梁建管养一体化技术。各点力的差异反应了静态摩阻的状况，施工完毕后，随着时间的推移，由于力的衰减到一定时期，基本成收敛状态，进入正常运营期，一旦发生突变，成非收敛状态，桥梁将产生病害，必须进行加固处理。
参见图5，一种智能钢绞线的标定装置，包括反力装置8、压力采集装置和张拉千斤顶，智能钢绞线安装在反力装置上，智能钢绞线的两端分别延伸出反力装置，智能钢绞线的一端依次穿过第一锚垫板、第一工作锚具，与第一工作锚具锥孔中的第一工作夹片卡接，智能钢绞线的另一端依次穿过第二锚垫板、第二工作锚具与张拉千斤顶11连接，所述张拉千斤顶通过管路与液压泵站连接，第二工作锚具的锥孔中设有第二工作夹片，第二工作夹片与第一工作夹片相对设置，所述智能钢绞线中的光纤光栅传感器的引出线与数据采集器连接，数据采集器与监控计算机进行通讯，将光纤光栅传感器采集的预应力传递给监控计算机，所述监控计算机根据设置的标定点控制液压泵站16，控制张拉千斤顶按照标定点力值大小对智能钢绞线进行依次张拉，所述压力采集装置用于采集各个标定点力值，并将采集的标定点力值传递给监控计算机。所述第二工作锚具与千斤顶之间设有套管10，所述第二工作夹片一端伸入第二工作锚具的锥孔中，另一端位于套管中。智能钢绞线位于反力装置的反力沟槽中，其两端分别伸出反力装置的反力沟槽的两端。压力采集装置包括压力传感器9和压力显示表15。压力传感器用于将采集的压力信号传递给压力显示表显示，并输出。压力采集装置设置两套，用于相互校核和采集力值。第一压力传感器、第二压力传感器位于第二锚垫板与第二工作锚具之间。
带有光纤光栅碳杆的智能钢绞线，由于碳杆与光纤制造相当精准，其受力状态下的应变与力学精度都具有高精度的重复性，一次标定确认后，具有通用性，无需对同类产品再次进行标定。然而量产钢绞线后，由于钢绞线制造精度（含几何尺寸与杂质成分）相对较差，变异性大，不确定度可达10%以上，所以对每一产品，必须进行标定。标定如图5：将智能钢绞线安装在反力装置上，绞线前后端埋设工作夹片5、工具锚6、压力传感器9。加载千斤顶11，液压泵站16，通过千斤顶泵站系统多次加载和保压，即可对多个光纤光栅传感器2进行力学精度标定具体线性关系公式通过压力显示表15与监控计算机17进行。由于该标定复杂，尤其是需要反力沟槽8太长否则将咬伤绞线，因此在生产智能钢绞线1中，应进一步提高绞线原材料与加工中几何尺寸精度，以确保其重复精度控制在3%~5%以内，使同一批次生产的钢绞线首尾段的各项机械性能屈服强度、抗拉强度保持一致。这样就可以只对一个光纤光栅传感器2进行标定。就具有多个光纤光栅传感器2在该智能钢绞线1上的标定系数，即可通用，不用再重复标定了。
智能钢绞线的制作过程及说明
1. 根据设计图纸和预应力的沿程分布监控位置要求，利用激光设备在光纤丝上指定位置设光纤光栅传感器，再把光纤丝装入碳纤维丝内；
2.区别于其他智能钢绞线的制作，采购与实际工程同一型号的施工用钢绞线，对用于制作智能钢绞线的材料成份以及钢绞线的制作工艺有严格的技术要求，使同一批次的钢绞线的机械性能一致，利用对同一盘钢绞线的首尾段进行取样检测，横截面积、抗拉强度和屈服强度差别不超过1.0%。按实际工程设计下料长度对钢绞线进行切割。
3. 把钢绞线分离成独立的7根钢丝（1根中心丝、6根周边丝）；并按次序放置，以免混乱影响后期制作；
4. 把分离出来的6根周边丝缠绕在带光纤光栅传感器的碳纤维丝上，裹紧形成初步的带光纤光栅传感器的钢绞线；
5. 对初步制作的带光纤光栅传感器的钢绞线进行力学标定（标定方法见下文）；
6. 对标定合格的带光纤光栅传感器的钢绞线制作PE保护层，形成最终的光纤光栅传感系统；若标定不合格的需重新标定直至合格为止，方能制作PE保护层并使用；
7. 把制作好的光纤光栅传感系统盘裹成圈，用保护材料进行缠绕保护，以便安全运送到施工现场。
光纤光栅传感系统标定是一项较复杂的工作，具体标定过程如下：
1. 按照标定要求安装反力架，垫板和带光纤光栅传感器的钢绞线。在反力架一端装设压力传感器、工具锚、工作夹片、张拉千斤顶、油泵；反力架另一端装设钢绞线用工具锚和工作夹片锚固。
2. 把光纤光栅传感器的插头连接到数据采集器，压力传感器与压力显示表连接，数据采集器与计算机连接形成一个体系。
3. 根据标定力值的大小确定几个标定点，在计算机上设置标定程序。比如在某加固工程中用的钢绞线设计力值为151.5KN，我们标定的上限设为170KN。设置50KN、80KN、110KN、130KN、150KN、170KN共六个标定点。
4. 按照标定点力值大小，从小到大依次张拉，计算机采集智能钢绞线的光波波长数据，与各标定点一一对应，同时，压力采集装置采集智能钢绞线内的压力值，与计算机采集的光波波长数据一一对应， 张拉到最大标定力值（170KN）后，慢慢放张，利用压力采集装置的压力值数据和光波波长数据，得出力值变化对应光波波长变化的线性关系（形如公式：力值=光波波长×系数+常数），并以此线性关系（公式）做下一步使用，线性关系曲线如图所示6；
5.监控计算机启用步骤4得到的线性关系，用于将计算机采集的智能钢绞线的光波波长数据对应转换为力值数据，再次对智能钢绞线进行张拉，将压力采集装置采集的压力值与计算机转换得到的力值进行比较，两者若能重合或两者之差在误差允许的范围内，及标定成功，否则，返回步骤2）进行重新标定。
6. 记录保存标定数据，并和标定的钢绞线进行编号对应。
本发明不仅仅局限于上述实施例，在不背离本发明技术方案原则精神的情况下进行些许改动的技术方案，应落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置，其特征在于：包括数据采集器、监控计算机以及设置在桥梁内的智能钢绞线，智能钢绞线的两端分别延伸出桥梁的两端，所述智能钢绞线由中心丝和围绕中心丝缠绕的周边丝扭绞成型，中心丝为碳纤维丝，其内置有带光纤光栅传感器的光纤，所述智能钢绞线中的光纤光栅传感器的引出线通过光缆连接到数据采集器，所述数据采集器与监控计算机进行通讯，将采集的各点的预应力传递给监控计算机，所述监控计算机用于接收各点的预应力，进行统计分析桥梁有效预应力的分布状况以及其衰减状况。
2.根据权利要求1所述的桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置，其特征在于：还包括位于桥梁两端的工作锚具，所述工作锚具与桥梁之间设有锚垫板，所述工作锚具设有若干锥孔，所述工作锚具的锥孔中设有用于夹紧钢绞线的工作夹片，桥梁一端的工作锚具中的工作夹片与桥梁另一端的工作锚具中的工作夹片相对设置。
3.根据权利要求2所述的桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置，其特征在于：所述工作锚具设有中心锥孔，用于供智能钢绞线穿过，工作锚具上其余的锥孔环中心锥孔设置，用于供普通钢绞线穿过。
4.根据权利要求1或2所述的桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置，其特征在于：桥梁横截面上设置四根智能钢绞线，分布在桥梁横截面的上、下、左、右四个方向，利用智能钢绞线实现以一根代表一束钢绞线，以4束钢绞线代表一个横断面进行预应力分析，用于检测桥梁各断面预应力状况。
5.根据权利要求1所述的桥梁有效预应力沿程分布及其衰减测试装置，其特征在于：所述监控计算机与因特网连接，用于将数据发送到因特网。
6.一种权利要求1所述的智能钢绞线的标定装置，其特征在于：包括反力装置、压力采集装置和张拉千斤顶，智能钢绞线安装在反力装置上，智能钢绞线的两端分别延伸出反力装置，智能钢绞线的一端依次穿过第一锚垫板、第一工作锚具，与第一工作锚具锥孔中的第一工作夹片卡接，智能钢绞线的另一端依次穿过第二锚垫板、第二工作锚具与张拉千斤顶连接，所述张拉千斤顶通过管路与液压泵站连接，第二工作锚具的锥孔中设有第二工作夹片，第二工作夹片与第一工作夹片相对设置，所述智能钢绞线中的光纤光栅传感器的引出线通过光缆与数据采集器连接，所述数据采集器与监控计算机进行通讯，将光纤光栅传感器采集的光波波长数据传递给监控计算机，所述监控计算机根据设置的标定点力值控制液压泵站，控制张拉千斤顶按照标定点力值大小对智能钢绞线进行依次张拉，所述压力采集装置用于采集智能钢绞线内的压力值，并输出。
7.根据权利要求6所述的智能钢绞线的标定装置，其特征在于：所述第二工作锚具与千斤顶之间设有套管，所述第二工作夹片一端伸入第二工作锚具的锥孔中，另一端位于套管中。
8.根据权利要求6所述的智能钢绞线的标定装置，其特征在于：压力采集装置包括压力传感器和压力显示表，所述压力传感器位于第二锚垫板与第二工作锚具之间，所述压力传感器用于将采集的压力信号传递给压力显示表，用于实时显示智能钢绞线内的压力值。
9.一种权利要求1所述的智能钢绞线的标定方法，其特征在于，采用了权利要求5所述的标定装置，包括如下步骤：
1）在监控计算机内设置几个标定点；
2）按照标定点力值大小，张拉千斤顶按照标定点力值大小对智能钢绞线进行依次张拉，计算机采集智能钢绞线的光波波长数据，与各标定点一一对应，同时，压力采集装置采集智能钢绞线内的压力值，与计算机采集的光波波长数据一一对应，张拉到最大标定力值后，慢慢放张，利用压力采集装置的压力值数据和光波波长数据，得出线性关系；
3）监控计算机启用步骤2）得到的线性关系，用于将计算机采集的智能钢绞线的光波波长数据对应转换为力值数据，再次对智能钢绞线进行张拉，将压力采集装置采集的压力值与计算机转换得到的力值进行比较，两者若能重合或两者之差在误差允许的范围内，及标定成功，否则，返回步骤2）进行重新标定。
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