CN107084812B - 混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统及方法，系统包括钢绞线、波纹管、锚具、锚垫板、非张拉端锚垫板，非张拉端锚具；波纹管套装在钢绞线上，波纹管位于锚垫板、非张拉端锚垫板之间；钢绞线一端穿过锚垫板和锚具，锚具与锚垫板保持接触；另一端穿过非张拉端锚垫板、非张拉端锚具，锚固在混凝土箱梁桥腹板内；非张拉端锚垫板、非张拉端锚具、波纹管及锚垫板锚固于混凝土箱梁桥腹板内，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。本发明彻底地解决了预应力损失过大导致失效的问题，能够有效地防止预应力钢绞线的混凝土结构失效，提高结构稳定性和可靠性。

Description

混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统及方法。

背景技术

发明专利基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统（专利号：ZL2008 1 0143752.8，发明人钟新谷、沈明燕、杨涛）提出的竖向预应力精轧螺纹钢筋张拉力方法，已形成地方标准和行业标准，该方法基于不同大小的张拉力作用下螺母与竖向预应力筋外露段之间的咬合程度是不相同的，张拉力越大，螺母咬合越紧。不同的咬合程度就会使锚固段呈现不同的抗弯刚度，而抗弯刚度不同则导致钢筋外露段振动频率不同，因此可以通过力学分析模型求解出外露段的动力方程来反算螺母锚固段的刚度，通过现场标定试验数据拟合出频率、刚度变化以及张拉力的关系曲线，从而反推出竖向预应力筋中的有效应力。该发明的推广应用彻底解决了桥梁用竖向预应力精轧螺纹钢筋张拉力失效的问题。由于钢绞线外露段没有抗弯刚度，发明专利基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统不适用于混凝土箱梁桥腹板钢绞线竖向预应力筋张拉力的检测。

发明专利基于混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统应用之前，由于竖向预应力精轧螺纹钢筋张拉失效，工程师和学者提出钢绞线来代替精轧螺纹钢作为竖向预应力筋，相对于精轧螺纹钢来说，钢绞线张拉采用千斤顶张拉，规避了人工随意性。钢绞线最大的问题就是回缩量大和松驰，普遍采用二次张拉，消除回缩量和松弛的预应力损失，通过测量锚具二次张拉的位移测量确定是否张拉到位，实际工程中由于锚具预设的随机性，导致测量锚具二次张拉的位移量困难，实际二次张拉也成了摆设，对于采用二次张拉竖向预应力钢绞线锚固系统的有效张拉力并不确定。显然要实现混凝土箱梁桥腹板钢绞线竖向预应力筋张拉力的检测，必须结合钢绞线竖向预应力筋自身的特点寻求新的方法。近几年来发明人通过试验研究提出了混凝土箱梁桥腹板钢绞线竖向预应力筋张拉力检测方法，同样该方法推广应用将彻底解决了混凝土箱梁桥腹板钢绞线竖向预应力筋张张拉力失效的问题。

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，操作方便的混凝土箱梁桥腹板钢绞线竖向预应力筋张拉力系统与方法，它不仅能适应大面积检测要求，而且能适应由钢绞线、钢绞线配套的锚具组成的各种预应力混凝土结构的有效预应力检测，检测成本较低，系统适应面广，使用安全可靠。

本发明采用的技术方案是：包括钢绞线、波纹管、锚具、锚垫板、非张拉端锚垫板，非张拉端锚具；波纹管套装在钢绞线上，波纹管位于锚垫板、非张拉端锚垫板之间；钢绞线一端穿过锚垫板和锚具，锚具与锚垫板保持接触；另一端穿过非张拉端锚垫板、非张拉端锚具，锚固在混凝土箱梁桥腹板内；非张拉端锚垫板、非张拉端锚具、波纹管及锚垫板锚固于混凝土箱梁桥腹板内，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。

上述的混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋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。

上述的混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统中，加速度传感器的振动方向平行于张拉后的钢绞线的轴线。

上述的混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋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。

一种利用上述的混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统的混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测方法，包括如下步骤：

1）在混凝土箱梁施工阶段将波纹管套装在钢绞线上，使得波纹管位于锚垫板、非张拉端锚垫板之间；钢绞线一端穿过锚垫板，另一端穿过非张拉端锚垫板、非张拉端锚具锚固于混凝土箱梁桥腹板内；并将非张拉端锚垫板、非张拉端锚具、波纹管、锚垫板、锚固于混凝土箱梁桥腹板内；

2）在张拉钢绞线之前，穿过锚垫板的钢绞线一端再穿过锚具，并使锚具与锚垫板保持接触；

3）张拉穿过锚具钢绞线的一端，经锁定锚具后钢绞线成为钢绞线竖向预应力筋；

4）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；

5）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；

6）对采集的锚具的振动信号进行处理，获得钢绞线竖向预应力筋和锚具组成的系统在钢绞线竖向预应力筋长度方向振动的一阶振动频率，根据一阶振动频率获取钢绞线竖向预应力筋的张拉力。

上述的混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测方法中，步骤6）中，按以下两个计算式对钢绞线竖向预应力筋的张拉力进行计算；

式中：

为锚具与锚垫板的接触刚度，

为钢绞线竖向预应力筋和锚具组成的系统在钢绞线竖向预应力筋长度方向的振动系统的一阶振动频率，T钢绞线竖向预应力筋的张拉力，

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，不仅能适应大面积检测要求，而且能实现对现有钢绞线与钢绞线配套的锚具使用的混凝土结构的预应力筋张拉力检测，尤其是混凝土箱梁桥腹板钢绞线竖向预应力筋张拉力的检测。

（Ⅱ）本发明的检测系统设有击振器，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。

（Ⅲ）本发明的检测系统设有加速度传感器，加速度传感器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。

（Ⅳ）本发明的检测系统具有快速、重复安装与安全使用功能。

（Ⅴ）本发明彻底地解决了预应力损失过大导致失效的问题，能够有效地防止预应力钢绞线的混凝土结构失效，提高结构稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的设有外露段的混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统的主视图。

图2是图1中A处的放大图。

图3为本发明的不设有外露段的混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的检测系统和检测方法作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本发明的混凝土箱梁桥腹板钢绞线竖向预应力筋张拉力的检测系统包括钢绞线、波纹管2、锚具4、锚垫板3、非张拉端锚垫板11，非张拉端锚具12；波纹管2套装在钢绞线1上，波纹管2位于锚垫板3、非张拉端锚垫板11之间；钢绞线1一端穿过锚垫板3和锚具4，锚具4与锚垫板3保持接触；另一端穿过非张拉端锚垫板11、非张拉端锚具12，锚固在混凝土箱梁桥腹板5内；非张拉端锚垫板11、非张拉端锚具12、波纹管2及锚垫板3锚固于混凝土箱梁桥腹板5内。

所述的锚具4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。

本发明的混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测方法，包括如下步骤：

1）在混凝土箱梁施工阶段将波纹管2套装在钢绞线1上，使得波纹管2位于锚垫板3、非张拉端锚垫板11之间；钢绞线1一端穿过锚垫板3，另一端穿过非张拉端锚垫板11、非张拉端锚具12锚固于混凝土箱梁桥腹板5内；并将非张拉端锚垫板11、非张拉端锚具12、波纹管2、锚垫板3、锚固于混凝土箱梁桥腹板5内；

2）在张拉钢绞线1之前，穿过锚垫板3的钢绞线1一端再穿过锚具4，并使锚具4与锚垫板3保持接触；

3）张拉穿过锚具4钢绞线1的一端，经锁定锚具4后钢绞线1成为钢绞线竖向预应力筋1a；

4）在锚具4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；将击振器8与电脑10连接；

5）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4振动，锚具4的振动信号通过数据采集器9传输回电脑10；

6）信号分析装置101对采集的锚具4的振动信号进行处理，获得钢绞线竖向预应力筋和锚具4组成的系统在钢绞线竖向预应力筋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钢绞线竖向预应力筋1a的张拉力。

固有频率计算模块102按以下两个计算式对钢绞线竖向预应力筋（1a）的张拉力进行计算；

式中：

为锚具4与锚垫板的接触刚度，

为钢绞线竖向预应力筋和锚具组成的系统在钢绞线竖向预应力筋长度方向的振动系统的一阶振动频率，T钢绞线竖向预应力筋的张拉力，

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4的质量和外露段6的质量之和。

实施例A

①施工单位按照混凝土箱梁桥设计图纸安装普通钢筋，其中钢绞线1外套波纹管2并在波纹管2的上下两端安装锚垫板3、锚具4，并使钢绞线1穿过锚具4，预留钢绞线竖向预应力筋外露段6长度，施工时先按图纸设置模板，浇灌箱梁桥腹板混凝土51，混凝土达到强度后形成混凝土箱梁桥腹板5，然后张拉钢绞线1通过锚具4使钢绞线1受到张拉力，成为钢绞线竖向预应力筋1a。钢绞线竖向预应力筋1a外端按要求设置外露段，该外露段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。

②锚具4上设一加速度传感器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使钢绞线竖向预应力筋1a、锚具4、外露段6振动（设外露段6时），锚具4的振动信号经信号分析装置101转换成钢绞线竖向预应力筋1a、锚具4、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中钢绞线竖向预应力筋1a的张拉力与钢绞线竖向预应力筋1a、钢绞线1配套的锚具4、外露段6振动（设外露段6时）的固有频率计算模块102，从而获取钢绞线竖向预应力筋1a的张拉力。

实施例B

①经施工操作完成了由钢绞线1转变为钢绞线竖向预应力筋1a的过程，按要求钢绞线竖向预应力筋1a直径与根数由锚具4的型号确定，以JYM15.2—5型号的锚具4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4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钢绞线竖向预应力筋1a长度方向，如附图所示，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用屏蔽电缆相联，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的插座相联结。

④数据采集器9与电脑10用1394联结方式联接。

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应能使钢绞线竖向预应力筋1a、锚具4、外露段6（设外露段6时）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4的端面处，击振的方向应平行于钢绞线竖向预应力筋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，获取钢绞线竖向预应力筋1a、锚具4、外露段6（设外露段6时）的固有频率。

⑥钢绞线竖向预应力筋1a张拉力计算。

1）钢绞线竖向预应力筋1a张拉力计算原理：

视钢绞线竖向预应力筋1a、锚具4、外露段6（设外露段6时）为在钢绞线竖向预应力筋1a长度方向的振动系统，不同的张拉力使得锚具4与锚垫板3有不同的法向接触刚度，则钢绞线竖向预应力筋1a、锚具4、外露段6（设外露段6时）在钢绞线竖向预应力筋1a长度方向的振动系统相应有不同的固有振动频率，利用固有频率与法向接触刚度的关系，通过测试固有频率，推断法向接触刚度，从法向接触刚度的变化获得张拉力。

按下列两式计算张拉力：

（1）

式中：

为锚具4与锚垫板3的法向接触刚度，

为钢绞线竖向预应力筋1a、锚具4、外露段6（设外露段（6）时）在钢绞线竖向预应力筋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，

钢绞线竖向预应力筋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）， 设外露段6时，

为锚具4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

为锚具4的质量。

将（1）式求得的

代入下式：

（单位：kN） （2）

T为钢绞线竖向预应力筋1a的张拉力。

上述实施例中

设外露长度：钢绞线竖向预应力筋L=4m，外露段长度L1=0.8m，测出的一阶振动频率为

=1345.5×

，钢绞线竖向预应力筋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

=537706977N/m。

代入（2）式得张拉力T=566.1kN。

不设外露段长度：钢绞线竖向预应力筋L=4m，测出的一阶振动频率为

=1525.0×

，钢绞线竖向预应力筋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

=488723274N/m。

代入（2）式得张拉力T=419.2kN。

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，钢绞线竖向预应力筋1a设置或不设置外露段6，以及在波纹管2内灌注水泥砂浆等，锚具4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4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 (1)

1.一种混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测方法，其采用混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统实现，混凝土箱梁桥腹板竖向预应力筋张拉力的检测系统包括钢绞线（1）、波纹管（2）、锚具（4）、锚垫板（3）、非张拉端锚垫板（11），非张拉端锚具（12）；波纹管（2）套装在钢绞线（1）上，波纹管（2）位于锚垫板（3）、非张拉端锚垫板（11）之间；钢绞线（1）一端穿过锚垫板（3）和锚具（4），锚具（4）与锚垫板（3）保持接触；另一端穿过非张拉端锚垫板（11）、非张拉端锚具（12），锚固在混凝土箱梁桥腹板（5）内；非张拉端锚垫板（11）、非张拉端锚具（12）、波纹管（2）及锚垫板（3）锚固于混凝土箱梁桥腹板（5）内，所述的锚具（4）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；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；

包括如下步骤：

1）在混凝土箱梁桥腹板施工阶段将波纹管（2）套装在钢绞线（1）上，使得波纹管（2）位于锚垫板（3）、非张拉端锚垫板（11）之间；钢绞线（1）一端穿过锚垫板（3），另一端穿过非张拉端锚垫板（11）、非张拉端锚具（12）锚固于混凝土箱梁桥腹板（5）内；并将非张拉端锚垫板（11）、非张拉端锚具（12）、波纹管（2）、锚垫板（3）、锚固于混凝土箱梁桥腹板（5）内；

2）在张拉钢绞线（1）之前，穿过锚垫板（3）的钢绞线（1）一端再穿过锚具（4），并使锚具（4）与锚垫板（3）保持接触；

3）张拉穿过锚具（4）钢绞线（1）的一端，经锁定锚具（4）后钢绞线（1）成为钢绞线竖向预应力筋（1a）；

4）在锚具（4）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；

5）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（4）振动，锚具（4）的振动信号通过数据采集器（9）传输回电脑（10）；

6）对采集的锚具（4）的振动信号进行处理，获得钢绞线竖向预应力筋和锚具（4）组成的系统在钢绞线竖向预应力筋（1a）长度方向振动的一阶振动频率，根据一阶振动频率获取钢绞线竖向预应力筋（1a）的张拉力；按以下两个计算式对钢绞线竖向预应力筋（1a）的张拉力进行计算；

式中：k为锚具（4）与锚垫板（3）的法向接触刚度，ω为钢绞线竖向预应力筋（1a）和锚具（4）组成的系统在钢绞线竖向预应力筋（1a）长度方向的振动系统的一阶振动频率；T为钢绞线竖向预应力筋（1a）的张拉力；L为钢绞线竖向预应力筋（1a）长度，E为钢绞线（1）的弹性模量单位，m为钢绞线（1）单位长度的质量，M为锚具（4）的质量和外露段（6）的质量之和。

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