CN107290091B - 一种用于预应力钢绞线的张拉力测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于预应力钢绞线的张拉力测量系统及其测量方法，属于预应力工程技术领域。所述用于预应力钢绞线的张拉力测量系统，包括预应力混凝土中预应力筋的钢绞线、一预应力锚垫板、一预应力锚板、多个电磁传感器和一电磁测量仪。其中，预应力锚垫板设于预应力混凝土内且套设于钢绞线外；预应力锚板的一端与预应力锚垫板的端部连接，预应力锚板的另一端位于预应力混凝土外；电磁传感器套设于每根钢绞线外且位于预应力锚垫板内，电磁传感器与电磁测量仪连接；电磁测量仪通过穿过预应力锚板或预应力锚垫板的信号线与电磁传感器电连接。本发明可同时测量预应力钢绞线筋的整束张力及内部各根钢绞线所受的张拉力，且测量误差较小。

Description

一种用于预应力钢绞线的张拉力测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及预应力工程技术领域，具体涉及一种用于预应力钢绞线的张拉力测量系统及其测量方法。

背景技术

预应力混凝土结构是在荷载作用之前对构件施加压力,使荷载作用时截面受拉区预先存在压应力的混凝土结构。一般情况预应力是通过张拉梁内预应力筋(主要是高强度钢筋或钢绞线)，通过自锚固压缩结构而实现的。与普通混凝土结构相比，预应力能提高混凝土承受荷载时的抗拉能力，防止或延迟裂缝的出现，并增加结构的刚度，节省钢材和水泥，保证结构良好的耐久性，被广泛地应用于土木工程各种结构中。由于结构特点、材料特性等原因，施加预应力后的预应力混凝土结构，会产生预应力损失。预应力损失的大小影响到已建立的预应力，当然也影响到结构的工作性能，因此，如何确定有效预应力或永存预应力，是预应力混凝土结构设计和使用中的一个重要内容。预应力损失包括瞬时损失和长期损失，引起损失的因素较多，要做到准确计算是比较困难的。比较理想的方法是，采用长效性比较好的传感器对预应力筋的状况直接进行施工监控和长期监测。即对预应力张拉过程中的预应力张拉力值控制测量、运营期间的预应力测量以及预应力损失测量。

体内预应力结构的预应力筋位于混凝土结构的内部，属于隐蔽构件，采用常规的方法进行检测和张力测量比较困难。目前常用的方法有：(1)测力环传感器，该方法的测力传感器需要安装在预应力锚板下，为了传力均匀，一般在锚板下增加一个垫板，该方法测量的为整束预应力；(2)波纹管外套磁通量传感器，磁通量传感器是基于铁磁性材料的磁弹效应原理制成的，即当铁磁性材料受到外力作用时，其内部产生机械应力或应变，相应地磁导率发生改变，通过测定磁导率变化来反映应力变化。它由两个铜线圈组成，即初级线圈和次级线圈。该方法测量是将磁通量传感器直接套装在波纹管的外面，测量也是整束预应力力。由于磁通量传感器套装在波纹管的外面，传感器的内芯孔径比较大，测量误差大，也不能测量同束预应力筋内的各根钢绞线的受力及保证受力的均匀性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于预应力钢绞线的张拉力测量系统及其测量方法，该张拉力测量系统可同时测量预应力钢绞线筋的整束张力及内部各根钢绞线所受的张拉力，且测量误差较小。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于预应力钢绞线的张拉力测量系统，包括预应力混凝土中预应力筋的钢绞线，还包括：

一预应力锚垫板，所述预应力锚垫板设于所述预应力混凝土内且套设于所述钢绞线外；

一预应力锚板，所述预应力锚板的一端与所述预应力锚垫板的端部连接，所述预应力锚板的另一端位于所述预应力混凝土外，所述预应力锚板的位于所述预应力混凝土外的一端还通过一夹片与所述钢绞线固定连接；

多个电磁传感器，所述电磁传感器套设于每根所述钢绞线外且位于所述预应力锚垫板内，所述电磁传感器与一电磁测量仪连接，用于获得反映每根所述钢绞线受力的电压信号；

以及一电磁测量仪，所述电磁测量仪通过穿过所述预应力锚板或预应力锚垫板的信号线与所述电磁传感器电连接，用于输入脉冲电压信号并测量每根所述钢绞线受到的张拉力。

进一步地，所述电磁传感器为中间开设有小孔径通孔的小体积电磁传感器。

进一步地，所述预应力锚垫板由第一部分和第二部分组成，所述第一部分为外部设有环形凸起的中空圆柱体，所述第二部分为外侧表面呈内凹弧形的中空类圆锥体，所述第二部分的一端与所述第一部分一体成型，且所述第二部分与所述第一部分的内部相连通用以使所述预应力筋穿过，所述第二部分的另一端与所述预应力锚板相抵接，且所述第二部分的与所述预应力锚板相抵接的一端的外径大于与所述第一部分一体成型的一端。

进一步地，所述第一部分和第二部分的中空孔径相同，且所述中空孔径的大小与所述预应力筋相适配；所述第二部分靠近所述预应力锚板一端的内表面上对应钢绞线穿过的孔径位置还开设有环状凹槽，所述环状凹槽用于放置所述小体积电磁传感器。

进一步地，所述预应力锚板上开设有用于埋设信号线的埋线槽或走线孔，所述电磁传感器的信号线通过所述埋线槽或走线孔引出，并与所述电磁测量仪连接。

进一步地，所述埋线槽设于所述预应力锚板上与所述预应力锚垫板相对应的一面并延伸至所述预应力锚板的侧面，所述走线孔直接穿透所述预应力锚板。

进一步地，所述预应力锚板与所述电磁传感器的一端连接或所述预应力锚板与所述电磁传感器通过所述电磁传感器的信号线连接。

进一步地，所述电磁测量仪为多通道电磁测量仪。

本发明还提供了一种所述的用于预应力钢绞线的张拉力测量系统的测量方法，可用于钢绞线张拉过程及张拉后的张拉力测量，包括如下步骤：

(1)将多个所述电磁传感器中的每一电磁传感器套于每根所述钢绞线外并与所述电磁测量仪连接，以通过所述电磁测量仪向所述电磁传感器输入脉冲电压使所述电磁传感器获得反映每根所述钢绞线受力的感应电压；

(2)将所述电磁传感器的信号线从所述预应力锚板引出；

(3)将步骤(2)引出的电磁传感器的信号线插至电磁测量仪中，所述电磁测量仪根据所述感应电压及感应电压与应力的关系方程，即可测量出预应力筋内各根钢绞线的张拉力值。

进一步地，所述步骤(1)具体为，首先通过所述电磁测量仪向所述电磁传感器中的激励线圈输入激励的脉冲电压，则当通电瞬间，由于电磁感应，所述电磁传感器中的测量线圈中产生瞬时感应电压，所述感应电压即为反映每根所述钢绞线受力的电压信号。

进一步地，步骤(3)所述感应电压的积分值与应力F的关系方程为：

F＝C₀+C₁X+C₂X²+C₃X³

式中X表示测力时电磁测量仪直接测量得到的是积分电压值，C₀，C₁,C₂，C₃为常数系数；

考虑测量与标定时的温度差异，进行温度修正后的计算公式为：

FF＝C₀+C₁XX+C₂XX²+C₃XX³

式中，XX为温度修正后的积分电压值，且

XX＝VV_cb-VV_0b＝(V_c+μ(T_c-T_b))-(V₀+μ(T₀-T_b))＝(V_c-V₀)+μ(T_c-T₀)

其中，VV_cb为测量时的积分电压值，VV_0b为测量时的零点积分电压，T_b为标定时温度，μ为温度修正系数，T₀为测量零值时温度，V₀为未受力零值时积分电压值，T_c为张力测试时温度，V_c为张力测试时积分电压值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

(1)本发明中的电磁传感器为小孔径电磁传感器，可直接套于每根钢绞线外，可同时测量预应力钢绞线筋的整束张力及内部各根钢绞线所受的张拉力；且由于电磁传感器的孔径较小，使测量误差较小，可保证各根钢绞线的受力均匀。同时，本发明还根据电磁传感器的感应电压，通过感应电压的积分值与应力的三次近似线性的关系方程这一新的算法即可计算出钢绞线的张拉力值，方法简单有效，可便捷地计算出钢绞线的张拉力值。

(2)本发明通过在预应力锚板的侧面上开设第二凹槽引出电磁传感器的信号线，使本发明不仅可用于张拉过程中的测量，还可用于张拉后的测量，扩大了其使用范围。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中电磁传感器的结构示意图。

图中，1-钢绞线，2-电磁传感器，21-激励线圈，22-测量线圈，23-温度传感器，3-预应力锚板，4-预应力锚垫板，5-电磁测量仪，6-预应力混凝土，7-第二凹槽，8-夹片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例

如图1和图2，一种用于预应力钢绞线的张拉力测量系统，包括预应力混凝土6中预应力筋的钢绞线1、一预应力锚垫板4、一预应力锚板3、多个电磁传感器2和一电磁测量仪5。其中，预应力锚垫板4设于预应力混凝土6内且套设于钢绞线1外。预应力锚板3的一端与预应力锚垫板4的端部连接，预应力锚板3的另一端位于预应力混凝土6外，预应力锚板3的位于预应力混凝土6外的一端还通过一夹片8与钢绞线1固定连接。预应力锚垫板4用于支撑预应力锚板3并将应力扩散到预应力混凝土6中。电磁传感器2的数量与组成预应力筋的钢绞线1的数量相同。本实施例中，电磁传感器的数量为8个，每个电磁传感器2套设于每根钢绞线1外且位于预应力锚垫板4内，电磁传感器2与一电磁测量仪5连接，用于获得反映每根钢绞线1受力的电压信号。本实施例中，在安装过程中，预应力锚板3还与电磁传感器2连接，其中预应力锚板3与电磁传感器2的连接可设为预应力锚板3与电磁传感器2的一端连接成一体，也可设为通过电磁传感器2的信号线连接(即预应力锚板3与电磁传感器2相互独立设置)，本实施例中优选为将预应力锚板3与电磁传感器2连接成一体，以使该相连接于一体的预应力锚板3与电磁传感器2占用空间尽量小。

本实施例的电磁测量仪5为多通道电磁测量仪，该电磁测量仪5与经过预应力锚板3的电磁传感器2的信号线电连接，用于输入脉冲电压信号及测量每根钢绞线1受到的张拉力。当然其他实施例中电磁测量仪5还可以与经过预应力锚垫板4的电磁传感器2的信号线电连接。

进一步地，本实施例中的电磁传感器2为中间开设有使单根钢绞线1穿过的小孔径通孔的小体积电磁传感器。电磁传感器2基于铁磁性材料的磁弹效应原理制成。当铁磁性材料承受的外界机械荷载发生变化时，其内部的磁导率发生变化，通过测量铁磁性材料制成的构件的磁导率变化，来测定钢绞线1的应力。电磁传感器2的结构示意图如图2所示，由激励线圈21、测量线圈22和温度传感器23组成，激励线圈21和测量线圈22上均连接有信号线，激励线圈21套于测量线圈22外并通过信号线与电磁测量仪5连接，测量线圈22套于钢绞线1外并通过信号线与电磁测量仪5连接。当将电磁传感器2套在单根钢绞线1外进行测量时，激励线圈21通过电磁测量仪5输入有脉冲电压，钢绞线1被磁化，则会在钢绞线1的纵向产生脉冲磁场。由于电磁感应，在测量线圈22中产生感应电压，由感应电压的积分值与应力的三次近似线性的关系方程计算出钢绞线1的应力值即张拉力值。温度传感器23的信号线与所述电磁测量仪5连接，温度传感器23用于测量工作时的温度，根据钢绞线的温度特性，计算出温度补偿。

进一步地，本实施例中预应力锚垫板4由第一部分41和第二部分42组成，第一部分41为外部设有环形凸起的中空圆柱体，第二部分42为外侧表面呈内凹弧形的中空类圆锥体，第二部分42的一端与第一部分41一体成型，且第二部分42与第一部分41的内部相连通用以使预应力筋穿过，所述第二部分42的另一端与所述预应力锚板3相抵接，且所述第二部分42的与所述预应力锚板3相抵接的一端的外径大于与所述第一部分41一体成型的一端。

进一步地，第一部分41和第二部分42的中空孔径相同，且中空孔径的大小与预应力筋相适配。且第二部分靠近预应力锚板3一端的内表面上对应钢绞线1穿过的孔径位置还开设有环状凹槽(图中未示出)，用于放置电磁传感器2，使电磁传感器2和钢绞线1均与预应力锚垫板4的中空内壁紧贴，使预应力锚垫板4的空心部分尽量小，以减少预应力对混凝土结构的影响。

进一步地，预应力锚板3上开设有用于埋设信号线的埋线槽7，电磁传感器2的信号线通过所述埋线槽7引出，并与电磁测量仪5连接。其中，该埋线槽7设于所述预应力锚板3上与所述预应力锚垫板4相对应的一面并延伸至其侧面。当然其他实施例中也可在预应力锚板3上开设用于引出电磁传感器2的信号线的走线孔，或利用预应力锚板3上的夹片孔直接出线。但预应力锚板3上开设用于引出所述电磁传感器2的信号线的走线孔，或利用预应力锚板3上的夹片孔直接出线这两种方法只能用于张拉后的结果测量，不能用于张拉过程中，张拉千斤顶尚未撤离前的测量。而在预应力锚板3的侧面上开设第二凹槽7引线，不仅可用于张拉过程中的测量，还可用于张拉后的测量。

本发明一种用于预应力钢绞线的张拉力测量系统的测量方法，可用于钢绞线张拉过程及张拉后的张拉力测量，包括如下步骤：

(1)将多个电磁传感器2中的每一电磁传感器2套于每根钢绞线1外并与电磁测量仪5连接，以通过电磁测量仪5向电磁传感器2输入脉冲电压使电磁传感器2获得反映每根钢绞线1受力的电压信号；具体为首先在电磁传感器2中的激励线圈21中通过电磁测量仪5输入激励的脉冲电压，则当通电瞬间，由于电磁感应，电磁传感器2中的测量线圈22中产生瞬时感应电压，该感应电压即为反映每根钢绞线1受力的电压信号；

(2)将电磁传感器2的信号线从预应力锚板3引出；

(3)将步骤(2)引出的电磁传感器2的信号线插至电磁测量仪5中，

电磁测量仪5根据电压信号及电压与应力的三次近似线性的关系方程，即可测量出预应力筋内各根钢绞线1的应力值即张拉力值。

电磁传感器2产生的感应电压的积分值与应力值的关系可用三次曲线来拟合，公式如下：

F＝C₀+C₁X+C₂X²+C₃X³

式中X表示测力时电磁测量仪直接测量得到的是积分电压值，C₀，C₁,C₂，C₃为标定公式的常数系数。

考虑测量与标定时的温度差异，进行温度修正后的计算公式为：

FF＝C₀+C₁XX+C₂XX²+C₃XX³

式中，XX为温度修正后的积分电压值，且

XX＝VV_cb-VV_0b＝(V_c+μ(T_c-T_b))-(V₀+μ(T₀-T_b))＝(V_c-V₀)+μ(T_c-T₀)

其中，VV_cb为测量时的积分电压值，VV_0b为测量时的零点积分电压，T_b为标定时温度，μ为温度修正系数，T₀为测量零值时温度，V₀为未受力零值时积分电压值，T_c为张力测试时温度，V_c为张力测试时积分电压值。

本发明中的电磁传感器2为小孔径电磁传感器，可直接套于每根钢绞线1外，可同时测量预应力钢绞线筋的整束张力及内部各根钢绞线1所受的张拉力。且由于电磁传感器2的孔径较小，使测量误差较小，可保证各根钢绞线1的受力均匀。同时，本发明还根据电磁传感器2的感应电压，通过感应电压的积分值与应力的三次近似线性的关系方程这一新的算法即可计算出钢绞线1的张拉力值，方法简单有效，可便捷地计算出钢绞线1的张拉力值。此外，本发明通过在预应力锚板3的侧面上开设第二凹槽7引出电磁传感器2的信号线，使本发明不仅可用于张拉过程中的测量，还可用于张拉后的测量，扩大了其使用范围。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (7)

1.一种用于预应力钢绞线的张拉力测量系统，包括预应力混凝土中预应力筋的钢绞线，其特征在于，还包括：

一预应力锚垫板，所述预应力锚垫板设于所述预应力混凝土内且套设于所述钢绞线外；

一预应力锚板，所述预应力锚板的一端与所述预应力锚垫板的端部连接，所述预应力锚板的另一端位于所述预应力混凝土外，所述预应力锚板的位于所述预应力混凝土外的一端还通过一夹片与所述钢绞线固定连接；

多个电磁传感器，所述电磁传感器套设于每根所述钢绞线外且位于所述预应力锚垫板内，所述电磁传感器与一电磁测量仪连接，用于获得反映每根所述钢绞线受力的电压信号；所述电磁传感器为中间开设有使单根钢绞线穿过的小孔径通孔的小体积电磁传感器；

以及一电磁测量仪，所述电磁测量仪通过穿过所述预应力锚板或预应力锚垫板的信号线与所述电磁传感器电连接，用于输入脉冲电压信号并测量每根所述钢绞线受到的张拉力；

所述用于预应力钢绞线的张拉力测量系统的测量方法，可用于钢绞线张拉过程及张拉后的张拉力测量，包括如下步骤：

(1)将多个所述电磁传感器中的每一电磁传感器套于每根所述钢绞线外并与所述电磁测量仪连接，以通过所述电磁测量仪向所述电磁传感器输入脉冲电压使所述电磁传感器获得反映每根所述钢绞线受力的感应电压；

(2)将所述电磁传感器的信号线从所述预应力锚板引出；

(3)将步骤(2)引出的电磁传感器的信号线插至电磁测量仪中，所述电磁测量仪根据所述感应电压及感应电压的积分值与应力的关系方程，即可测量出预应力筋内各根钢绞线的张拉力值；

所述感应电压的积分值与应力F的关系方程为：

F＝C₀+C₁X+C₂X²+C₃X³

式中X表示测力时电磁测量仪直接测量得到的是积分电压值，C₀、C₁、C₂和C₃为常数系数；

考虑测量与标定时的温度差异，进行温度修正后的计算公式为：

FF＝C₀+C₁XX+C₂XX²+C₃XX³

式中，XX为温度修正后的积分电压值，且

XX＝VV_cb-VV_0b＝(V_c+μ(T_c-T_b))-(V₀+μ(T₀-T_b))＝(V_c-V₀)+μ(T_c-T₀)

其中，VV_cb为测量时的积分电压值，VV_0b为测量时的零点积分电压，T_b为标定时温度，μ为温度修正系数，T₀为测量零值时温度，V₀为未受力零值时积分电压值，T_c为张力测试时温度，V_c为张力测试时积分电压值。

2.如权利要求1所述的用于预应力钢绞线的张拉力测量系统，其特征在于，所述预应力锚垫板由第一部分和第二部分组成，所述第一部分为外部设有环形凸起的中空圆柱体，所述第二部分为外侧表面呈内凹弧形的中空类圆锥体，所述第二部分的一端与所述第一部分一体成型，且所述第二部分与所述第一部分的内部相连通用以使所述预应力筋穿过，所述第二部分的另一端与所述预应力锚板相抵接，且所述第二部分的与所述预应力锚板相抵接的一端的外径大于与所述第一部分一体成型的一端。

3.如权利要求2所述的用于预应力钢绞线的张拉力测量系统，其特征在于，所述第一部分和第二部分的中空孔径相同，且所述中空孔径的大小与所述预应力筋相适配；所述第二部分靠近所述预应力锚板一端的内表面上对应钢绞线穿过的孔径位置还开设有环状凹槽，所述环状凹槽用于放置所述小体积电磁传感器。

4.如权利要求1所述的用于预应力钢绞线的张拉力测量系统，其特征在于，所述预应力锚板上开设有用于埋设信号线的埋线槽或走线孔，所述电磁传感器的信号线通过所述埋线槽或走线孔引出，并与所述电磁测量仪连接。

5.如权利要求4所述的用于预应力钢绞线的张拉力测量系统，其特征在于，所述埋线槽设于所述预应力锚板上与所述预应力锚垫板相对应的一面并延伸至所述预应力锚板的侧面，所述走线孔直接穿透所述预应力锚板。

6.如权利要求1所述的用于预应力钢绞线的张拉力测量系统，其特征在于，所述预应力锚板与所述电磁传感器的一端连接或所述预应力锚板与所述电磁传感器通过所述电磁传感器的信号线连接。

7.如权利要求1所述的用于预应力钢绞线的张拉力测量系统，其特征在于，所述步骤(1)具体为，首先通过所述电磁测量仪向所述电磁传感器中的激励线圈输入激励的脉冲电压，则当通电瞬间，由于电磁感应，所述电磁传感器中的测量线圈中产生瞬时感应电压，所述感应电压即为反映每根所述钢绞线受力的电压信号。

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