CN107059958A - 预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统，包括钢绞线、岩体、托板、锚具、锚固体，岩体上设有钻孔，钻孔底部设有与岩体固接的锚固体；钢绞线一端通过钻孔锚固在钻孔底部的锚固体内，钢绞线另一端穿过托板和锚具；托板设置在钻孔孔口处，锚固于岩体中；锚具与托板保持接触；所述的锚具上设有加速度传感器及击振器，加速度传感器与电脑连接。本发明结构简单，检测成本较低，使用安全可靠，它不仅能适应大面积检测要求，而且能适应由钢绞线、钢绞线配套的锚具等组成的各种紧固构件的有效张拉力的检测。本发明还公开了一种预应力钢绞线锚索张拉力的检测方法。

Description

预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统与方法

技术领域

本发明涉及由钢绞线与锚具配套使用锚固岩体的锚固力检测装置及方法，尤其是预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统与方法。

背景技术

预应力钢绞线锚索锚固技术以其显著的技术经济效益，获得了广泛应用。早在1980年，北威尔士的煤矿加固工程，最早出现用钢筋加固岩层。1934年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程最早使预应力钢绞线锚索。我国1964年首次在眉山水库的坝基加固中采用了预应力钢绞线锚索，早期预应力钢绞线锚索采用钢丝绳，配套的锚具可靠性差，致使锚固效率低，并没有得到推广应用。随着高强钢绞线及配套锚具引入我国，我国自主制造的高强钢绞线及高锚固效率的配套锚具大量用于结构、桥梁施加预应力，形成了相应的高强钢绞线及配套锚具国家标准，预应力钢绞线锚索锚固工程技术的发展尤为迅速，几乎已触及土木建筑高边坡、大坝、深基坑等锚固支护。特别是广泛的高填深挖现象使预应力钢绞线锚索锚固技术变得尤为重要，它是一种主动支护手段，给岩体（岩土体）提供的主动压力能有效地限制岩体坡面变形且保持其稳定性，大大改善了支护结构的受力条件，不仅减轻了结构物本身自重、节省了工程材料，更重要的是在侧限受到严格限制的地带，支护中采用预应力钢绞线锚索更显示其独特的优越性。如深基坑桩锚技术、边坡框架预应力钢绞线锚索支挡结构等就是非常成功的应用。然而在施工和使用过程中，预应力钢绞线锚索不可避免地会出现一定量的预应力损失，损失因素包括锚固系统回缩、钢筋松弛、土体流变压缩等，如何使预应力钢绞线锚索保持长期稳定的预应力是关系到加固工程成败的一项基本因素。若预应力明显小于设计值，将导致锚固功能失效；若预应力明显大于设计值（超张拉）有可能导致锚固体破坏，基于此，为了确保有效的锚固功能及预应力钢绞线锚索在使用过程中的安全，有必要借助方便可靠的检测手段对预应力钢绞线锚索的预应力有效程度做出评估。目前检测方法有通过装传感器、贴应变片、杆体钻孔声波测距等获得应变来换算预应力，对于大工程成本过高且不方便，仅适于科研；还有油表控制法，其精度偏低（对损失判断粗糙）且不能长期监测预应力钢绞线锚索预应力的大小。

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，检测成本较低，使用安全可靠的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统及方法，它不仅能适应大面积检测要求，而且能适应由钢绞线、钢绞线配套的锚具等组成的各种紧固构件的有效张拉力的检测。

本发明采用的技术方案是：一种预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统，包括钢绞线、岩体、托板、锚具、锚固体，岩体上设有钻孔，钻孔底部设有与岩体固接的锚固体；钢绞线一端通过钻孔锚固在钻孔底部的锚固体内，钢绞线另一端穿过托板和锚具；托板设置在钻孔孔口处，锚固于岩体中；锚具与托板保持接触；所述的锚具上设有加速度传感器及击振器，加速度传感器与电脑连接。

上述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统中，加速度传感器经磁力吸座或橡胶泥或石膏泥固定安装在锚具端面处。

上述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统中，加速度传感器的振动方向平行于锚固后的钢绞线的轴线。

上述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统中，锚固后的钢绞线设有外露段或不设有外露段。

上述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统中，锚固体采用的材料为能使岩体、钢绞线、锚固材料相互固结的材料。

一种利用上述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统的预应力钢绞线锚索张拉力的检测方法，包括如下步骤：

1）根据支挡结构的设计图纸进行施工放线，定出岩体的支挡结构钻孔位置，在岩体中施工形成钻孔，在钻孔内注入锚固材料，使之在钻孔的底部形成与岩体相互固结的锚固体；将钢绞线一端通过钻孔达到钻孔底部，与钻孔底部的锚固体锚固；将钢绞线另一端穿过托板和锚具，将托板置于钻孔的孔口处，并锚固于岩体中，并使得锚具与托板保持接触；

2）锚固体达到锚固强度后，张拉穿过锚具的钢绞线的一端，经锁定锚具后钢绞线成为预应力钢绞线锚索；

3）在锚具的端面上设置加速度传感器及击振器，并将加速度传感器通过数据采集器与电脑连接；

4）操作电脑，电脑发出信号采集命令，控制击振器动作，使锚具振动，锚具的振动信号通过数据采集器传输回电脑；

5）对采集的锚具的振动信号进行处理，获得预应力钢绞线锚索和锚具组成的系统在预应力钢绞线锚索长度方向振动的一阶振动频率，根据一阶振动频率获取预应力钢绞线锚索的张拉力。

上述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测方法中，步骤5）中按以下两个计算式对预应力钢绞线锚索的张拉力进行计算；

式中：为锚具与托板的法向接触刚度，为预应力钢绞线锚索和锚具组成的系统在预应力钢绞线锚索长度方向的振动系统的一阶振动频率， T预应力钢绞线锚索的张拉力，钢绞线竖向预应力筋长度，为钢绞线的弹性模量单位，为钢绞线单位长度的质量，为锚具的质量和外露段的质量之和。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（Ⅰ）本发明的检测系统结构简单，它不仅能适应大面积检测要求，而且能实现对现有由钢绞线、钢绞线配套的锚具等组成的各种紧固构件的有效张拉力的检测；尤其适用于岩（土）锚固的预应力钢绞线锚索张拉力的检测。

（Ⅱ）本发明的击振器能应用于各类型号钢绞线与钢绞线配套的锚具产生振动的测试振动信息的系统；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钢绞线配套的锚具端面处的，它与钢绞线配套的锚具端面处联结或分离均十分方便，提高了测试系统的快速监测能力。

（Ⅲ）本发明具有快速、重复安装与安全使用功能。

（Ⅳ）本发明彻底地解决了岩（土）锚固预应力损失过大导致失效的问题，对防止预应力钢绞线锚索加固结构失效、提高加固边坡及基坑的稳定性和可靠性具有重要作用，商业前景十分可观。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2是图1中A处的放大图。

图3为本发明预应力钢绞线锚索不设外露段时的检测系统的结构图。

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1-3所示，本发明的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统包括钢绞线1、岩体2、钻孔3、托板4、锚具5、锚固体11，岩体2上设有钻孔3，钻孔3底部设有与岩体2固接的锚固体11。钢绞线1一端通过钻孔3锚固在钻孔3底部的锚固体11内，钢绞线1的另一端穿过托板4和锚具5。托板4置于钻孔3的孔口处，锚固于岩体2中，锚具5与托板4保持接触。所述的锚具5上设有加速度传感器7及击振器8，加速度传感器7与电脑10连接。锚固体11采用的材料为能使岩体2、钢绞线1、锚固材料111相互固结的材料。

所述的锚具5上设有加速度传感器7及击振器8；加速度传感器7经磁力吸座71固定安装在锚具端面处，也可以通过橡胶泥或石膏泥固定安装在锚具端面处。加速度传感器7的振动方向平行于张拉后的钢绞线1的轴线。加速度传感器7通过数据采集器9与电脑10连接，数据采集器9与电源103连接。电脑10内设有用于联接数据采集器9的信号分析装置101和固有频率计算模块102。

本发明的预应力钢绞线锚索张拉力的检测方法，包括如下步骤：

1）根据支挡结构的设计图纸进行施工放线，定出岩体2的支挡结构钻孔3位置，在岩体2中施工形成钻孔3；在钻孔3内注入锚固材料，使之在钻孔3的底部形成与岩体2相互固接的锚固体11；将钢绞线1一端通过钻孔3达到钻孔3底部，锚固在钻孔3底部的锚固体11内；将钢绞线1另一端穿过托板4和锚具5，将托板4置于钻孔3的孔口处，并锚固于岩体2中，并使得锚具5与托板4保持接触。

2）锚固体11达到锚固强度后，张拉穿过锚具5的钢绞线1的一端，经锁定锚具5后钢绞线1成为预应力钢绞线锚索1a。

3）在锚具5的端面上设置加速度传感器7及击振器8，并将加速度传感器7通过数据采集器9与电脑10连接。

4）操作电脑10，电脑10发出信号采集命令，控制击振器8动作，使锚具5振动，锚具5的振动信号通过数据采集器9传输回电脑10。

5）对采集的锚具5的振动信号进行处理，获得预应力钢绞线锚索1a和锚具5组成的系统在预应力钢绞线锚索1a长度方向振动的一阶振动频率，根据一阶振动频率获取预应力钢绞线锚索1a的张拉力。

6）信号分析装置101对采集的锚具5的振动信号进行处理，获得预应力钢绞线锚索1a和锚具5组成的系统在预应力钢绞线锚索1a长度方向振动的一阶振动频率，固有频率计算模块102根据一阶振动频率获取预应力钢绞线锚索1a的张拉力。

固有频率计算模块102按以下两个计算式对预应力钢绞线锚索1a的张拉力进行计算；

式中：为锚具5与托板4的法向接触刚度，为预应力钢绞线锚索1a和锚具5组成的系统在预应力钢绞线锚索1a长度方向的振动系统的一阶振动频率， T预应力钢绞线锚索1a的张拉力，钢绞线竖向预应力筋1a长度，为钢绞线1的弹性模量单位，为钢绞线1单位长度的质量，为锚具5的质量和外露段6的质量之和。

实施例A

①施工单位根据支挡结构的设计图纸进行施工放线，定出岩体2的支挡结构钻孔3位置，在岩体2中施工形成钻孔3；在钻孔3内注入锚固材料，使之在钻孔3的底部形成与岩体2相互固结的锚固体11；将钢绞线1一端通过钻孔3达到钻孔3底部，与钻孔3底部的锚固体11锚固；将钢绞线1另一端穿过托板4和锚具5，将托板4置于钻孔3的孔口处，并锚固于岩体2中，并使得锚具5与托板4保持接触。

锚固体11达到锚固强度后，张拉穿过锚具5钢绞线1的一端，经锁定锚具5后钢绞线1成为预应力钢绞线锚索1a；预应力钢绞线锚索1a外端按要求设置外露段6，该外露段6的长度是张拉钢绞线1时必须预留的，长度应能确保张拉过程的可靠与安全，外露段6在张拉力达到设计要求后可以切割，即形成如图3所示的不设外露长度6的检测系统。

②在锚具5上设置一加速度传感器7及击振器8，加速度传感器7与数据采集器9、电脑10及电源103电连接，用于联接数据采集器9的信号分析装置101安装运行于电脑10中，操作电脑10，在信号分析装置101界面中点击信号采集命令，击振器8得指令动作，击振器8使预应力钢绞线锚索1a、锚具5、外露段6振动（设外露段6时），锚具5的振动信号经信号分析装置101转换成预应力钢绞线锚索1a、锚具5、外露段6（设外露段6时）振动的固有频率且由信号分析装置101界面显示，并应用信号分析装置101中预应力钢绞线锚索1a的张拉力与预应力钢绞线锚索1a、钢绞线1配套的锚具5、外露段6振动（设外露段6时）的固有频率计算模块102，从而获取预应力钢绞线锚索1a的张拉力。

实施例B

①经施工操作完成了由钢绞线1转变为预应力钢绞线锚索1a的过程，按要求预应力钢绞线锚索1a直径与根数由锚具5的型号确定，以JYM15.2—5型号的锚具5为例，其钢绞线1直径为15.2 mm，钢绞线1根数为5根。

②锚具5端面处通过磁力吸座71（或橡胶泥或石膏泥）固联安装加速度传感器7，加速度传感器7的振动方向应平行于预应力钢绞线锚索1a长度方向，如图1、3所示，加速度传感器7选购YD—65型产品，电荷灵敏度为414.15，频率测量范围5至2000Hz，并有配套磁力吸座71。

③加速度传感器选购DH—5922数据采集器9，通过配套的电荷适调器H5857-1与加速度传感器7用屏蔽电缆相连，电缆两端为插针式，通过与加速度传感器7的插座与数据采集器9配套的电荷适调器H5857-1的插座相连接。

④数据采集器9与电脑10用1394连接方式连接。

⑤接通数据采集器9，使用信号分析装置101安装运行于电脑10中且与数据采集器9配套，按照数据采集器9配套的信号分析装置101操作说明输入加速度传感器7的灵敏度系数，点击数据采集器9的信号采集界面开始信号采集，使用击振器8，该击振器8应能使预应力钢绞线锚索1a、锚具5产生振动，并能用于测试各类振动信息检测系统，由人工启动击振器8的击振按扭击振锚具5的端面处，击振的方向应平行于预应力钢绞线锚索1a长度方向，3秒钟后点击数据采集器9配套的信号分析装置101的停止采集界面，按照系数说明书操作信号分析装置101，截取的振动信号进行频率分析，获取预应力钢绞线锚索1a、锚具5、外露段6的固有频率。

⑥预应力钢绞线锚索1a张拉力的计算。

1）预应力钢绞线锚索1a张拉力计算原理：

视预应力钢绞线锚索1a、锚具5、外露段6为在预应力钢绞线锚索1a长度方向的振动系统，不同的张拉力使得锚具5与托板3有不同的法向接触刚度k，则预应力钢绞线锚索1a、锚具5、外露段6在预应力钢绞线锚索1a长度方向的振动系统相应有不同的固有振动频率，利用固有频率与锚具5与托板3的法向接触刚度k的关系，通过测试固有频率，推断锚具5与托板3的法向接触刚度k，从锚具5与托板3的法向接触刚度k的变化获得张拉力。

按下列两式计算张拉力：

（1）

式中：为锚具5与托板3的法向接触刚度，为预应力钢绞线锚索1a、锚具5、外露段6在预应力钢绞线锚索1a长度方向的振动系统的一阶振动频率。其中为钢绞线1的弹性模量单位，预应力钢绞线锚索1a长度，为钢绞线1的截面积（多根钢绞线1时为多根钢绞线1的总截面积，本例包含五根钢绞线1，为5倍直径15.2mm的钢绞线1的截面积）、为钢绞线1单位长度的质量（计算方法与截面积相同）， 为锚具5的质量和外露段6的质量之和，外露段6的质量= ，为外露段6长度；不设外露段6时，L1取值为0。

将（1）式求得的代入下式：

（单位：kN） （2）

T为预应力钢绞线锚索1a的张拉力。

上述实施例中，设外露段时：预应力钢绞线锚索L=4m，外露段6长度L1=0.8m，测出的一阶振动频率为=845.5×，预应力钢绞线锚索15.2mm，弹性模量=1.96×10⁹MPa，JYM15.2—5型锚具的质量M=3.32kg。计算参数代入（1）式得=212058245N/m。代入（2）式得张拉力T=255.7kN。不设外露段时：预应力钢绞线锚索L=4m，测出的一阶振动频率为=846.0×，预应力钢绞线锚索15.2mm，弹性模量=1.96×10⁹MPa，JYM15.2—5型锚具的质量M=3.32kg。计算参数代入（1）式得=187790613N/m。代入（2）式得张拉力T=212.0kN。

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对此做出各种修改和变换。例如，预应力钢绞线锚索1a设置或不设置外露段6，以及在钻孔内灌注水泥砂浆等，改变锚固材料，锚具5的端面经磁力吸座71或橡胶泥或石膏泥达到快速安装加速度传感器7，且加速度传感器7安装在锚具5的端面不同的位置，将信号分析装置101与电脑10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9与电脑10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原理情况下的修正。击振器击振方式改变，然而，类似的这种变换和修改均属于本发明的实质。

Claims (7)

1.一种预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统，其特征在于：包括钢绞线（1）、岩体（2）、托板（4）、锚具（5）及锚固体（11），岩体（2）上设有钻孔（3），钻孔（3）底部设有与岩体（2）固接的锚固体（11）；钢绞线（1）一端通过钻孔（3）锚固在钻孔（3）底部的锚固体（11）内，钢绞线（1）的另一端穿过托板（4）和锚具（5）；托板（4）设置在钻孔（3）的孔口处，锚固于岩体（2）中；锚具（5）与托板（4）相接触；所述的锚具（5）上设有加速度传感器（7）及击振器（8），加速度传感器（7）与电脑（10）连接。

2.根据权利要求1所述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统，其特征在于：所述的加速度传感器（7）用磁力吸座（71）或橡胶泥或石膏泥固定安装在锚具（5）端面处。

3.根据权利要求1所述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统，其特征在于：所述的加速度传感器（7）的振动方向平行于锚固后的钢绞线（1）的轴线。

4.根据权利要求1所述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统与方法，其特征在于：锚固后的钢绞线（1）设有外露段（6）或不设有外露段（6）。

5.根据权利要求1所述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统，其特征在于：锚固体（11）采用的材料为能使岩体（2）、钢绞线（1）、锚固材料（111）相互固结的材料。

6.一种利用权利要求1-5中任一权利要求所述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测系统的预应力钢绞线锚索张拉力的检测方法，包括如下步骤：

1）根据支挡结构的设计图纸进行施工放线，定出岩体（2）的支挡结构钻孔（3）位置，在岩体（2）中施工形成钻孔（3），在钻孔（3）内注入锚固材料，使之在钻孔（3）的底部形成与岩体（2）相互固结的锚固体（11）；将钢绞线（1）一端通过钻孔（3）达到钻孔（3）底部，与钻孔（3）底部的锚固体（11）锚固；将钢绞线1另一端穿过托板（4）和锚具（5），将托板（4）置于钻孔（3）的孔口处，并锚固于岩体（2）中，并使得锚具（5）与托板（4）保持接触；

2）锚固体（11）达到锚固强度后，张拉穿过锚具（5）的钢绞线（1）的一端，经锁定锚具（5）后钢绞线（1）成为预应力钢绞线锚索（1a）；

3）在锚具（5）的端面上设置加速度传感器（7）及击振器（8），并将加速度传感器（7）通过数据采集器（9）与电脑（10）连接；

4）操作电脑（10），电脑（10）发出信号采集命令，控制击振器（8）动作，使锚具（5）振动，锚具（5）的振动信号通过数据采集器（9）传输回电脑（10）；

5）对采集的锚具（5）的振动信号进行处理，获得预应力钢绞线锚索和锚具（5）组成的系统在预应力钢绞线锚索（1a）长度方向振动的一阶振动频率，根据一阶振动频率获取预应力钢绞线锚索（1a）的张拉力。

7.根据权利要求6所述的预应力钢绞线锚索张拉力的检测方法，步骤5）中按以下两个计算式对预应力钢绞线锚索（1a）的张拉力进行计算；

式中：为锚具（5）与托板（4）的法向接触刚度，为预应力钢绞线锚索（1a）和锚具（5）组成的系统在预应力钢绞线锚索（1a）长度方向的振动系统的一阶振动频率，T预应力钢绞线锚索（1a）的张拉力，钢绞线竖向预应力筋（1a）长度，为钢绞线（1）的弹性模量单位，为钢绞线（1）单位长度的质量，为锚具（5）的质量和外露段（6）的质量之和。