CN107504903B - 一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置，该监测装置包括固定支架、金属环片、检测光栅、传输光纤；预应力筋、固定支架、金属环片和检测光栅均设置在混凝土内；预应力筋的一侧或周围设有固定支架；金属环片设置在固定支架上；预应力筋从金属环片的中间穿过，金属环片与预应力筋间有间隙；检测光栅设置在金属环片上，通过传输光纤连接。本发明提供的监测装置，该装置设置在混凝土内，又不与预应力筋直接接触，能够实现准确、高精度监测预应力筋应力的传递长度，使用该装置误差小，精度高，并且能够长期监测预应力筋应力的传递长度的变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种预应力混凝土结构预应力传递长度的监测装置，具体为一种基于光纤传感技术的先张预应力混凝土结构预应力传递长度监测装置及监测方法，属于土木工程混凝土结构健康监测领域。
背景技术
自二战以来，预应力混凝土结构在世界范围内大量使用。相比传统的钢筋混凝土结构，预应力结构能有效改善混凝土的抗裂性能，提高结构刚度和强度，从而减小构件尺寸，减轻自重，并提高建筑物的使用空间。根据应力锚固形式的不同，预应力结构可以分为两类，先张预应力结构和后张预应力结构。先张预应力混凝土结构通过预应力筋和混凝土之间的粘结力实现应力的锚固，无需使用永久锚具，其施工方便，工程造价低，在我国中小跨径桥梁和房屋结构中应用广泛。
预应力传递长度是进行先张预应力混凝土结构设计时必须要确定的一个重要参数，直接影响结构的抗裂性能和承载能力，它是指预应力筋通过与混凝土间的粘结力，从其应力为零的端面发展到有效应力截面间的距离。应力传递长度受材料属性、钢绞线直径、应力水平以及放张方式等多因素影响，其准确预测具有较大难度。尽管欧美、加拿大以及我国等都给出了相应的规范计算公式，但在具体的表达式上依然存在一定差异。
目前，尚有大量学者致力于应力传递长度的相关研究，无法避免的涉及到应力传递长度的实际测量。现有的应力传递长度测定方法主要有两种，一是在预应力筋表面张贴应变片，二是在混凝土表面张贴应变片。通过预应力筋放张时应变片沿构件长度的变化取值进行推断。然而，这两种方法均存在一定的缺陷，测定精度难以控制。对于前者，预应力表面的应变片会影响其与混凝土间的粘结，进而破坏了预应力筋原有的应力传递机制；尤其是工程中常用的多丝捻制钢绞线，单丝的应变并不能完全表征预应力筋的整体受力性能，此类监测方法误差大，不能真实反映预应力筋应力传递长度。对于后者，由于混凝土截面远大于预应力筋，加之剪力滞效应的影响，混凝土表面应变改变量并不大，而且并不能直观反映预应力筋的应变变化，监测误差大，很难准确监测到预应力筋应力传递长度。
此外，应变片多具有耐腐蚀性差、易破损、难以连续观测等问题。因此，上述的基于应变数据的测定方法无法实现对应力传递长度的长期监测。混凝土老化、预应力筋应力松弛等因素影响下，预应力筋的有效应力以及预应力传递长度必然也是一个长期的动态发展过程，现有技术的方法很难准确、有效、长期的监测预应力筋应力传递长度及传递长度的变化。预应力筋预应力传递长度随时间的发展变化过程也是研究热点之一。目前，尚缺乏预应力筋应力传递长度高精度长期的监测设备。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置，该装置设置在混凝土内，又不与预应力筋直接接触，能够实现准确、高精度监测预应力筋应力的传递长度，使用该装置误差小，精度高，并且能够长期监测预应力筋应力的传递长度的变化。
根据本发明提供的第一种实施方案，提供一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置。
一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置，该监测装置包括固定支架、金属环片、检测光栅、传输光纤。预应力筋、固定支架、金属环片和检测光栅均设置在混凝土内。预应力筋的一侧或周围设有固定支架。金属环片设置在固定支架上。预应力筋从金属环片的中间穿过，金属环片与预应力筋间有间隙。检测光栅设置在金属环片上。传输光纤的将所有检测光栅串联，并引出混凝土外部。
作为优选，该监测装置还包括温度补偿光栅。温度补偿光栅设置在金属环片上。
作为优选，该监测装置还包括监测控制分析系统。传输光纤伸出混凝土的一端连接监测控制分析系统。
作为优选，该监测装置包括n个金属环片。每一个金属环片上设有一个检测光栅。优选的是，n为2-10，优选n为3-8，更优选n为4-6。传输光纤串联的连接所有检测光栅。
在本发明中，该监测装置包括一个温度补偿光栅。温度补偿光栅设置在金属环片上。传输光纤串联的连接所有检测光栅和温度补偿光栅。温度补偿光栅可以与其中任一个检测光栅并排设置在金属环片上
作为优选，该监测装置包括2-8根固定支架，优选为2-5根固定支架。每一个金属环片与每个固定支架均连接。
优选的是，固定支架的方向与预应力筋的方向平行，预应力筋从金属环片的圆心穿过。
在本发明中，检测光栅包括检测光纤光栅、焊接玻璃、检测光栅外壳。检测光纤光栅通过焊接玻璃固定在金属环片上。检测光栅外壳设置在检测光纤光栅和焊接玻璃的外侧。
优选的是，焊接玻璃为低温焊接玻璃。
在本发明中，温度补偿光栅包括温度补偿光纤光栅、温度补偿光栅外壳。温度补偿光纤光栅通过温度补偿光栅外壳固定在金属环片上。
优选的是，温度补偿光纤光栅和温度补偿光栅外壳之间设有橡胶。
在本发明中，金属环片为弹性材料制作。优选的是，金属环片为不锈钢环片。
优选的是，金属环片的厚度为0.05-1mm，优选为0.1-0.5mm，更优选为0.15-0.3mm。
在本发明中，金属环片的宽度为1-20mm，优选为2-10mm，更优选为3-5mm。
在本发明中，该监测装置包括多个金属环片时，相邻金属环片间的距离相同或者不相同。
优选的是，相邻金属环片间的距离50-300mm，优选为80-250mm，更优选为100-200mm。
在本发明中，金属环片与预应力筋间的间隙为5-100mm，优选为10-80mm，更优选为15-60mm。
优选的是，传输光纤为铠装光缆。
根据本发明提供的第二种实施方案，提供一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测方法。
一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测方法，该方法包括以下步骤：
1)根据待浇筑混凝土的尺寸、预应力筋预计施加预应力的大小，确定金属环片的数量、金属环片与预应力筋间的间隙，并确定固定支架的长度；
2)将金属环片固定在固定支架上，将检测光栅和温度补偿光栅设置在金属环片上，采用传输光纤串联连接检测光栅和温度补偿光栅，传输光纤的另一端连接监测控制分析系统；
3)将预应力筋穿过所有的金属环片，记录每一个金属环片距离预应力筋首端的距离，计为Mi，对预应力筋施加预应力，浇筑混凝土；其中：Mi为第i个金属环片距离预应力筋首端的距离，i为1-n；
4)混凝土成型固化后，通过监测控制分析系统和检测光栅检测各自金属环片的初始环向应变，记录为初始环向应变值；
5)释放预应力筋的预应力，对预应力筋放张；放张后通过监测控制分析系统检测和采集每个金属环片上的检测光栅检测各自金属环片的环向应变，记录为监测环向应变值，再根据测得的初始环向应变值和监测环向应变值分析确定预应力筋应力传递长度。
优选的是，该方法还包括：
6)长期观测预应力筋应力传递长度，具体为：每隔一段时间，通过监测控制分析系统和检测光栅检测和分析(或采集)各金属环片上的环向应变，记录为观测环向应变值；比较观测环向应变值和初始环向应变值，确定不同时间预应力筋应力传递长度；比较观测环向应变值和监测环向应变值，判断预应力筋应力传递长度的变化。
在本发明中，所述每个金属环片上的检测光栅检测各自金属环片的情况包括：每个金属环片上的检测光栅检测各自金属环片的环向应变。
在本发明中，步骤4)具体为：通过监测控制分析系统和检测光栅检测和采集各自金属环片的环向应变，第i个金属环片的环向应变值计为Di0，其中：Di0为第i个金属环片的初始环向应变值；
在本发明中，步骤5)具体为：释放预应力筋的预应力，对预应力筋放张；放张后每个金属环片上的检测光栅(4)检测各自金属环片的环向应变，再次通过监测控制分析系统检测和采集各金属环片上检测光栅的环向应变值，检测到第i个金属环片的环向应变值计为Di；其中：Di为第i个金属环片(3)的监测环向应变值；
比较各金属环片(3)环向应变的差值Δi＝Di-Di0，如果Δi-1大于Δi，并且Δi等于Δi+1，则确定预应力筋应力传递长度为Mi。
在本发明中，步骤6)具体为：每隔一段时间，通过监测控制分析系统(8)检测和分析各金属环片(3)上检测光栅(4)的环向应变，观测到第i个金属环片(3)的环向应变值计为Di’；其中：Di’为第i个金属环片(3)的环向应变值；
比较Di和Di’，如果Di和Di’不同，则说明预应力筋应力传递长度发生变化；
比较各金属环片(3)环向应变的差值Δi’＝Di’-Di0，如果Δi-1’大于Δi’，并且Δi’等于Δi+1’，则确定该时间预应力筋应力传递长度为Mi；
在本发明中，所述的检测光栅数量与金属环片相等，并分别贴于金属环片表面。所述的金属环片套于被测预应力筋周围。所述的温度补偿光栅只设一个，贴于其中一个金属环片。所述的传输光纤用于连接各检测光栅和温度补偿光栅，并连接信号至监测控制分析系统。所述的固定支架用于固定各金属环片，固定支架自身绑扎固定于混凝土结构中的其他钢筋。
在本发明中，所述的金属环片，具有较大的变形性能，可采用不锈钢材质，金属环片直径为20-200mm，金属环片厚度为0.05-1mm，宽度为1-20mm。金属环片闭合圆形，可以在检测光栅中间位置处断开。金属环片的数量为2-20个，优选的是，金属环片从构件断面开始沿预应力纵向方法进行等间距布置，间距为50mm-300mm。
在本发明中，所述的固定支架为圆杆，直径为3-10mm，可采用塑料、金属等材质，其长度为1.2-1.6米，也可根据实际需要进行确定；支架数量为两至三根，分别位于金属环片外侧，调整金属环片位置后，对其进行固定。
在本发明中，所述的传输光纤采用铠装光缆，用以连接各光纤光栅，沿金属环片和固定支架U型来回布置并进行固定。
本发明的工作原理是：先张预应力筋放张时，端部局部区域预应力筋应力减小，必然存在预应力筋回缩和直径增大现象，并且随着距离的增加，预应力筋的回缩量和直径增大现象逐渐减弱。即，应力传递长度范围内，预应力筋存在不同程度的直径增大显现，并引起周围混凝土膨胀。本发明设计多个金属环片预埋、套箍于被测预应力筋端部，通过光纤光栅测定金属环片沿预应力筋纵向的膨胀变形量，并以此来确定预应力筋的应力传递长度。
本发明的监测装置用来测预应力筋的应力传递长度。预应力筋设置在混凝土内，这是固有设置。本申请的监测装置用于检测混凝土内预应力筋的应力传递长度，本申请监测装置中的部分部件也设置在混凝土内，数据传输等部件将混凝土内的监测装置监测到的数据传送到混凝土的外侧，用于分析和监测使用。
在本发明中，监测装置的具体安装过程是：首先，根据预应力筋直径和预应力大小，确定金属环片的直径和数量，并确定固定支架长度，将金属环片等间距固定于固定支架；然后，安装检测光栅和温度补偿光栅，采用传输光纤对其进行连接，并预留引出较长的传输光纤以备数据测定；进而，通过固定支架将测试装置固定于测定预应力筋周围的钢筋上，预应力筋穿过金属环片(使被测预应力筋正好通过各金属环片的中心)后进行预应力张拉和混凝土浇筑(浇筑结构的混凝土，混凝土浇筑过程中注意对监测装置保护，防止其破坏，混凝土振动棒尽量远离测试装置。)；待混凝土达到设计强度时，对光纤光栅进行初始数据采集，此后进行预应力筋放张，放张后对光纤光栅再次进行数据采集，根据光纤光栅数据确定预应力筋应力传递长度。优选的是，长期观测，以后每隔一段时间均可再次对各光纤光栅进行数据采集，通过与初始值的对比可以确定不同时间预应力筋应力传递长度。
在本发明中，固定支架的作用是用于固定金属环片。预应力筋的一侧或周围设有固定支架是指，将固定支架设置在预应力筋的周围，用于检测预应力筋的应力变化，和用于固定金属环片。优选的是，固定支架的方向与预应力筋的方向平行，预应力筋从金属环片的圆心穿过。该设计能够更加准确的监测到预应力筋应力传递的距离。
在本发明中，金属环片的作用：将金属环片设置在预应力筋的外侧四周，并且金属环片与预应力筋之间有间隙，张拉预应力筋，浇筑混凝土后，金属环片与预应力筋之间的间隙填充紧密的混凝土，混凝土固化成型后，放张预应力筋，端部局部区域预应力筋应力减小，必然存在预应力筋回缩和直径增大现象，直径增大处的预应力筋扩张从而通过金属环片与预应力筋之间的混凝土使得该位置的金属环片扩张，环向应变变化，从而可以通过金属环向应变监测到预应力筋应力传递的长度。
在本发明中，检测光栅用于检测金属环片的环向应变。
在本发明中，预应力筋从金属环片的中间穿过是指，金属环片包围在预应力筋的周围，并且金属环片与预应力筋之间有间隙。
在本发明中，温度补偿光栅的作用是提高测试精度，消除预应力温度变化引起的检测光栅变形。光纤光栅通过其变形引起的光波波长变化信号对应变进行测定，外力作用和温度变化都会引起光纤光栅的变形，故需布置温度补偿光栅对温度变化引起的光栅变形进行扣除。具体的原理是：检测光纤光栅与金属环片固结，两者能够共同变形，检测光纤光栅测得的变形数据包括环片变形和温度变化两部分；而温度补偿光纤光栅并不与金属环片固结，其测得的变形数据仅包括温度变化部分，故检测光纤光栅测定的总变形量扣除温度补偿光纤光栅测定的温度变形，即可得到外力作用下金属环片的环向变形数据，监测控制分析系统对温度形变进行自动扣除，直接输出读数监测光栅的外力形变数据。
使用本发明装置时，监测控制分析系统根据检测光栅和温度补偿光栅反馈的数据，自动将从检测光栅测得的数据中扣除温度变化的影响因数(也就是温度补偿光栅测得的数据)；从而可以准确反应外力作用下金属环片的环向变形数据。
在本发明中，金属环片的数量、固定支架的数量、金属环片的厚度、金属环片的宽度、相邻金属环片间的距离、金属环片与预应力筋间的间隙均不受限制，可以根据实际生产和监控工艺、以及混凝土结构的用途设计。
与现有技术相比较，本发明的监测装置具有以下有益技术效果：
1、金属环片未与预应力筋接触，避免了对预应力筋和混凝土间粘结力的影响，不会扰动预应力筋原有的预应力传递机理，有效排除了系统误差；
2、金属环片能有效反映预应力筋的膨胀变形，尤其是在金属环片在工作光纤光栅底部断开时，能够有效的汇集预应力筋膨胀变形量，测试精度高；
3、光纤光栅具有耐腐蚀性好、灵敏度较高等优势，能够实现预应力筋应力传递长度的高精度、长期监测。
附图说明
图1为本发明一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置的结构示意图；
图2为本发明一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置的横向剖面图；
图3为本发明检测装置中检测光栅和温度补偿光栅组合横向剖面图；
图4为本发明检测装置中检测光栅和温度补偿光栅组合俯向剖面图；
图5为本发明预应力筋和混凝土放张之前预应力筋受力示意图；
图6为本发明预应力筋和混凝土放张之后预应力筋受力示意图；
图7为使用本发明设置监测装置的使用示意图；
图8为使用本发明浇筑混凝土后的使用示意图；
图9为本发明预应力筋和混凝土放张之后的使用示意图。
附图标记：1：预应力筋；2：固定支架；3：金属环片；4：检测光栅；401：检测光纤光栅；402：焊接玻璃；403：检测光栅外壳；5：传输光纤；6：混凝土；7：温度补偿光栅；701：温度补偿光纤光栅；702：温度补偿光栅外壳；703：橡胶；8：监测控制分析系统。
具体实施方式
根据本发明提供的第一种实施方案，提供一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置。
一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置，该监测装置包括固定支架2、金属环片3、检测光栅4、传输光纤5。预应力筋1、固定支架2、金属环片3和检测光栅4均设置在混凝土6内。预应力筋1的一侧或周围设有固定支架2。金属环片3设置在固定支架2上。预应力筋1从金属环片3的中间穿过，金属环片3与预应力筋1间有间隙。检测光栅4设置在金属环片3上。传输光纤5的一端连接检测光栅4，传输光纤5的另一端伸出混凝土6。
作为优选，该监测装置还包括温度补偿光栅7。温度补偿光栅7设置在金属环片3上。
作为优选，该监测装置还包括监测控制分析系统8。传输光纤5伸出混凝土6的一端连接监测控制分析系统8。
作为优选，该监测装置包括n个金属环片3。每一个金属环片3上设有一个检测光栅4。优选的是，n为2-10，优选n为3-8，更优选n为4-6。传输光纤5串联的连接所有检测光栅4。
在本发明中，该监测装置包括一个温度补偿光栅7。温度补偿光栅7设置在金属环片3上。传输光纤5串联的连接所有检测光栅4和温度补偿光栅7。温度补偿光栅7可以与其中任一个检测光栅4并排设置在金属环片3上。
作为优选，该监测装置包括2-8根固定支架2，优选为3-5根固定支架2。每一个金属环片3与每个固定支架2均连接。
优选的是，固定支架2的方向与预应力筋1的方向平行，预应力筋1从金属环片3的圆心穿过。
在本发明中，检测光栅4包括检测光纤光栅401、焊接玻璃402、检测光栅外壳403。检测光纤光栅401通过焊接玻璃402固定在金属环片3上。检测光栅外壳403设置在检测光纤光栅401和焊接玻璃402的外侧。
优选的是，焊接玻璃402为低温焊接玻璃。
在本发明中，温度补偿光栅7包括温度补偿光纤光栅701、温度补偿光栅外壳702。温度补偿光纤光栅701通过温度补偿光栅外壳702固定在金属环片3上。
优选的是，温度补偿光纤光栅701和温度补偿光栅外壳702之间设有橡胶703。
在本发明中，金属环片3为弹性材料制作。优选的是，金属环片3为不锈钢环片。
优选的是，金属环片3的厚度为0.05-1mm，优选为0.1-0.5mm，更优选为0.15-0.3mm。
在本发明中，金属环片3的宽度为1-20mm，优选为2-10mm，更优选为3-5mm。
在本发明中，该监测装置包括多个金属环片3时，相邻金属环片3间的距离相同或者不相同。
优选的是，相邻金属环片3间的距离50-300mm，优选为80-250mm，更优选为100-200mm。
在本发明中，金属环片3与预应力筋1间的间隙为5-100mm，优选为10-80mm，更优选为15-60mm。
优选的是，传输光纤5为铠装光缆。
根据本发明提供的第二种实施方案，提供一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测方法。
一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测方法，该方法包括以下步骤：
1)根据待浇筑混凝土6的尺寸、预应力筋1预计施加预应力的大小，确定金属环片3的数量、金属环片3与预应力筋1间的间隙，并确定固定支架2的长度；
2)将金属环片3固定在固定支架2上，将检测光栅4和温度补偿光栅7设置在金属环片3上，采用传输光纤5串联连接检测光栅4和温度补偿光栅7，传输光纤5的另一端连接监测控制分析系统8；
3)将预应力筋1穿过所有的金属环片3，记录每一个金属环片3距离预应力筋1首端的距离，计为Mi，对预应力筋1施加预应力，浇筑混凝土；其中：Mi为第i个金属环片3距离预应力筋1首端的距离，i为1-n；
4)混凝土成型固化后，通过监测控制分析系统8和检测光栅4检测各自金属环片3的初始环向应变，记录为初始环向应变值；
5)释放预应力筋1的预应力，对预应力筋1放张；放张后通过监测控制分析系统8和检测光栅4检测每个金属环片3上的环向应变，记录为监测环向应变值，根据测得的初始环向应变值和监测环向应变值分析确定预应力筋应力传递长度。
优选的是，该方法还包括：
6)长期观测预应力筋应力传递长度，具体为：每隔一段时间，通过监测控制分析系统8和检测光栅4检测各金属环片3上的环向应变，记录为观测环向应变值；比较观测环向应变值和初始环向应变值，确定不同时间预应力筋应力传递长度；比较观测环向应变值和监测环向应变值，判断预应力筋应力传递长度的变化。
在本发明中，所述每个金属环片3上的检测光栅4检测各自金属环片3的环向应变。
在本发明中，步骤4)具体为：通过监测控制分析系统8和检测光栅4检测和采集各自金属环片3的环向应变，第i个金属环片3的环向应变值计为Di0，其中：Di0为第i个金属环片3的初始环向应变值；
在本发明中，步骤5)具体为：释放预应力筋1的预应力，对预应力筋1放张；放张后每个金属环片3上的检测光栅4检测各自金属环片3的环向应变，再次通过监测控制分析系统8检测和采集各金属环片3上检测光栅4的环向应变值，检测到第i个金属环片3的环向应变值计为Di；其中：Di为第i个金属环片3的监测环向应变值；
比较各金属环片3环向应变的差值Δi＝Di-Di0，如果Δi-1大于Δi，并且Δi等于Δi+1，则确定预应力筋应力传递长度为Mi；
在本发明中，步骤6)具体为：每隔一段时间，通过监测控制分析系统8检测和分析各金属环片3上检测光栅4的环向应变，观测到第i个金属环片3的环向应变值计为Di’；其中：Di’为第i个金属环片3的观测环向应变值；
比较Di和Di’，如果Di和Di’不同，则说明预应力筋应力传递长度发生变化；
比较各金属环片3环向应变的差值Δi’＝Di’-Di0，如果Δi-1’大于Δi’，并且Δi’等于Δi+1’，则确定该时间预应力筋应力传递长度为Mi。
实施例1
如图1-4所示，一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置，该监测装置包括2根固定支架2、5个金属环片3、检测光栅4、传输光纤5。预应力筋1、固定支架2、金属环片3和检测光栅4均设置在混凝土6内。预应力筋1的一侧或周围设有固定支架2。金属环片3设置在固定支架2上。预应力筋1从金属环片3的中间穿过，金属环片3与预应力筋1间有间隙。每一个金属环片3上设有一个检测光栅4。传输光纤5的一端连接检测光栅4，传输光纤5的另一端伸出混凝土6。该监测装置还包括1个温度补偿光栅7。温度补偿光栅7设置在金属环片3上。温度补偿光栅7与第一个检测光栅4并排设置在金属环片3上。传输光纤5串联的连接所有检测光栅4和温度补偿光栅7。2根固定支架2的方向与预应力筋1的方向平行，预应力筋1从金属环片3的圆心穿过。传输光纤5为铠装光缆。
检测光栅4包括检测光纤光栅401、焊接玻璃402、检测光栅外壳403。检测光纤光栅401通过焊接玻璃402固定在金属环片3上。检测光栅外壳403设置在检测光纤光栅401和焊接玻璃402的外侧。焊接玻璃402为低温焊接玻璃。
温度补偿光栅7包括温度补偿光纤光栅701、温度补偿光栅外壳702。温度补偿光纤光栅701通过温度补偿光栅外壳702固定在金属环片3上。温度补偿光纤光栅701和温度补偿光栅外壳702之间设有橡胶703。
实施例2
重复实施例1，只是该监测装置还包括监测控制分析系统8。传输光纤5伸出混凝土6的一端连接监测控制分析系统8。
实施例3
重复实施例2，只是金属环片3为不锈钢环片；金属环片3的厚度为0.2mm；金属环片3的宽度为4mm；相邻金属环片3间的距离相同，为200mm；金属环片3与预应力筋1间的间隙为30mm。
实施例4
重复实施例2，只是金属环片3为不锈钢环片；金属环片3的厚度为0.6mm；金属环片3的宽度为8mm；相邻金属环片3间的距离不相同，相邻金属环片3间的距离均在60-250mm之间；金属环片3与预应力筋1间的间隙为20mm。
实施例5
如图5至图9所示，使用实施例3的方法，一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测方法，该方法包括以下步骤：
1)根据待浇筑混凝土6的尺寸、预应力筋1预计施加预应力的大小，确定金属环片3的数量、金属环片3与预应力筋1间的间隙，并确定固定支架2的长度；
2)将金属环片3固定在固定支架2上，将检测光栅4和温度补偿光栅7设置在金属环片3上，采用传输光纤5串联连接检测光栅4和温度补偿光栅7，传输光纤5的另一端连接监测控制分析系统8；
3)将预应力筋1穿过所有的金属环片3，记录每一个金属环片3距离预应力筋1首端的距离，计为Mi，对预应力筋1施加预应力，浇筑混凝土；其中：Mi为第i个金属环片3距离预应力筋1首端的距离，i为1-n；第一个金属环片3距离预应力筋1首端的距离M1为200mm，第二个金属环片3距离预应力筋1首端的距离M2为400mm，第三个金属环片3距离预应力筋1首端的距离M3为600mm，第四个金属环片3距离预应力筋1首端的距离M4为800mm，第五个金属环片3距离预应力筋1首端的距离M5为1000mm；
4)混凝土成型固化后，通过监测控制分析系统8和检测光栅4检测各自金属环片3的环向应变，记录为初始环向应变值，第i个金属环片3的初始环向应变值计为Di0，第一个金属环片3的初始环向应变D10为10με，第二个金属环片3的初始环向应变D20为8με，第三个金属环片3的环向应变D30为9με，第四个金属环片3的初始直径D40为10με，第五个金属环片3的初始直径D50为9με；
5)释放预应力筋1的预应力，对预应力筋1放张；放张后再次通过监测控制分析系统8和检测光栅4检测各自金属环片3的环向应变，，检测到第i个金属环片3的监测环向应变值计为Di。第一个金属环片3的环向应变D1为200με，第二个金属环片3的环向应变D2为149με，第三个金属环片3的环向应变D3为100με，第四个金属环片3的环向应变D4为99με，第5个金属环片3的环向应变D5为100με；
比较各金属环片3环向应变的差值Δi＝Di-Di0，如果Δi-1大于Δi，并且Δi等于Δi+1，则确定预应力筋应力传递长度为Mi。第一个金属环片3环向应变的差值Δ1为190με；第二个金属环片3环向应变的差值Δ2为141με；第三个金属环片3环向应变的差值Δ3为90με；第四个金属环片3环向应变的差值Δ4为89με；第五个金属环片3环向应变的差值Δ5为91με；第三个金属环片3环向应变的差值Δ3小于第二个金属环片3环向应变的差值Δ2，并且基本等于第四个金属环片3环向应变的差值Δ4，因此预应力筋的预应力传递长度为M3，即为600mm。
实施例6
重复实施例5，只是该方法还包括：
6)长期观测预应力筋应力传递长度，具体为：30天后，通过监测控制分析系统8和检测光栅4监测各金属环片3的环向应变，观测到第i个金属环片3的观测环向应变值为Di’。第一个金属环片3的观测环向应变值D1’为221με，第二个金属环片3的观测环向应变值D2’为171με，第三个金属环片3的观测环向应变值D3’为128με，第四个金属环片3的观测环向应变值D4’为103με，第五个金属环片3的观测环向应变值D5’为102με；；
比较Di和Di’，由于Di和Di’不同，则说明预应力筋应力传递长度发生变化；
比较各金属环片3环向应变的差值Δi’＝Di’-Di0，如果Δi-1’大于Δi’，并且Δi’等于Δi+1’，则确定预应力筋应力传递长度为Mi。第一个金属环片3环向应变的差值Δ1’为211με；第二个金属环片3环向应变的差值Δ2’为163με；第三个金属环片3环向应变的差值Δ3’为119με；第四个金属环片3环向应变的差值Δ4’为93με；第五个金属环片3环向应变的差值Δ5’为93με；第四个金属环片3环向应变的差值Δ4’小于第三个金属环片3环向应变的差值Δ3’，并且基本等于第五个金属环片3环向应变的差值Δ5’，因此预应力筋的预应力传递长度为M4，即为800mm。
Claims (31)
1.一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置，该监测装置包括固定支架(2)、金属环片(3)、检测光栅(4)、传输光纤(5)；预应力筋(1)、固定支架(2)、金属环片(3)和检测光栅(4)均设置在混凝土(6)内；预应力筋(1)的一侧或周围设有固定支架(2)；金属环片(3)设置在固定支架(2)上；预应力筋(1)从金属环片(3)的中间穿过，金属环片(3)与预应力筋(1)间有间隙；检测光栅(4)设置在金属环片(3)上；传输光纤(5)将所有检测光栅(4)串联，并通过传输光纤(5)接出混凝土(6)。
2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于：该监测装置还包括温度补偿光栅(7)，温度补偿光栅(7)设置在金属环片(3)上；和/或
该监测装置还包括监测控制分析系统(8)，传输光纤(5)伸出混凝土(6)的一端连接监测控制分析系统(8)。
3.根据权利要求1或2所述的监测装置，其特征在于：该监测装置包括n个金属环片(3)，每一个金属环片(3)上设有一个检测光栅(4)。
4.根据权利要求3所述的监测装置，其特征在于：n为2-10，传输光纤(5)串联的连接所有检测光栅(4)。
5.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于：n为3-8。
6.根据权利要求5所述的监测装置，其特征在于：n为4-6。
7.根据权利要求3所述的监测装置，其特征在于：该监测装置包括一个温度补偿光栅(7)，温度补偿光栅(7)与其中任一个检测光栅(4)并排设置在金属环片(3)上；传输光纤(5)串联的连接所有检测光栅(4)和温度补偿光栅(7)；和/或
该监测装置包括2-8根固定支架(2)，每一个金属环片(3)与每个固定支架(2)均连接。
8.根据权利要求4-6中任一项所述的监测装置，其特征在于：该监测装置包括一个温度补偿光栅(7)，温度补偿光栅(7)与其中任一个检测光栅(4)并排设置在金属环片(3)上；传输光纤(5)串联的连接所有检测光栅(4)和温度补偿光栅(7)；和/或
该监测装置包括2-8根固定支架(2)，每一个金属环片(3)与每个固定支架(2)均连接。
9.根据权利要求7所述的监测装置，其特征在于：该监测装置包括3-5根固定支架(2)，固定支架(2)的方向与预应力筋(1)的方向平行，预应力筋(1)从金属环片(3)的圆心穿过。
10.根据权利要求8所述的监测装置，其特征在于：该监测装置包括3-5根固定支架(2)，固定支架(2)的方向与预应力筋(1)的方向平行，预应力筋(1)从金属环片(3)的圆心穿过。
11.根据权利要求2所述的监测装置，其特征在于：检测光栅(4)包括检测光纤光栅(401)、焊接玻璃(402)、检测光栅外壳(403)；检测光纤光栅(401)通过焊接玻璃(402)固定在金属环片(3)上，检测光栅外壳(403)设置在检测光纤光栅(401)和焊接玻璃(402)的外侧；和/或
温度补偿光栅(7)包括温度补偿光纤光栅(701)、温度补偿光栅外壳(702)；温度补偿光纤光栅(701)通过温度补偿光栅外壳(702)固定在金属环片(3)上。
12.根据权利要求11所述的监测装置，其特征在于：焊接玻璃(402)为低温焊接玻璃；和/或
温度补偿光纤光栅(701)和温度补偿光栅外壳(702)之间设有橡胶(703)。
13.根据权利要求1-2、4-7、9-12中任一项所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)为弹性材料制作。
14.根据权利要求3所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)为弹性材料制作。
15.根据权利要求13所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)为不锈钢环片；金属环片(3)的厚度为0.05-1mm。
16.根据权利要求14所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)为不锈钢环片；金属环片(3)的厚度为0.05-1mm。
17.根据权利要求15或16所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)的厚度为0.1-0.5mm。
18.根据权利要求17所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)的厚度为0.15-0.3mm。
19.根据权利要求13所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)的宽度为1-20mm；和/或
该监测装置包括多个金属环片(3)时，相邻金属环片(3)间的距离相同或者不相同。
20.根据权利要求14-16、18中任一项所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)的宽度为1-20mm；和/或
该监测装置包括多个金属环片(3)时，相邻金属环片(3)间的距离相同或者不相同。
21.根据权利要求19所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)的宽度为2-10mm；和/或
相邻金属环片(3)间的距离50-300mm。
22.根据权利要求20所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)的宽度为2-10mm；和/或
相邻金属环片(3)间的距离50-300mm。
23.根据权利要求21或22所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)的宽度为3-5mm；和/或
相邻金属环片(3)间的距离80-250mm。
24.根据权利要求1-2、4-7、9-12、14-16、18-19、21-22中任一项所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)与预应力筋(1)间的间隙为5-100mm；和/或
传输光纤(5)为铠装光缆。
25.根据权利要求3所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)与预应力筋(1)间的间隙为5-100mm；和/或
传输光纤(5)为铠装光缆。
26.根据权利要求24所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)与预应力筋(1)间的间隙为10-80mm。
27.根据权利要求25所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)与预应力筋(1)间的间隙为10-80mm。
28.根据权利要求26或27所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)与预应力筋(1)间的间隙为15-60mm。
29.一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测方法，该方法包括以下步骤：
1)根据待浇筑混凝土(6)的尺寸、预应力筋(1)预计施加预应力的大小，确定金属环片(3)的数量、金属环片(3)与预应力筋(1)间的间隙，并确定固定支架(2)的长度；
2)将金属环片(3)固定在固定支架(2)上，将检测光栅(4)和温度补偿光栅(7)设置在金属环片(3)上，采用传输光纤(5)串联连接检测光栅(4)和温度补偿光栅(7)，传输光纤(5)的另一端连接监测控制分析系统(8)；
3)将预应力筋(1)穿过所有的金属环片(3)，记录每一个金属环片(3)距离预应力筋(1)首端的距离，计为Mi，对预应力筋(1)施加预应力，浇筑混凝土；其中：Mi为第i个金属环片(3)距离预应力筋(1)首端的距离，i为1-n；
4)混凝土成型固化后，通过监测控制分析系统(8)和检测光栅(4)检测各自金属环片(3)的初始环向应变，记录为初始环向应变值；
5)释放预应力筋(1)的预应力，对预应力筋(1)放张；放张后通过监测控制分析系统(8)和每个金属环片(3)上的检测光栅(4)检测各自金属环片(3)的环向应变，记录为监测环向应变值，根据测得的初始环向应变值和监测环向应变值分析确定预应力筋应力传递长度。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于：该方法还包括：
6)长期观测预应力筋应力传递长度，具体为：每隔一段时间，通过监测控制分析系统(8)和检测光栅(4)检测各金属环片(3)的环向应变，记录为观测环向应变值；比较观测环向应变值和初始环向应变值，确定不同时间预应力筋应力传递长度；比较观测环向应变值和监测环向应变值，判断预应力筋应力传递长度的变化。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于：所述每个金属环片(3)上的检测光栅(4)检测各自金属环片(3)的情况包括：每个金属环片(3)上的检测光栅(4)检测各自金属环片(3)的环向应变；
步骤4)具体为：通过监测控制分析系统(8)和检测光栅(4)检测和采集各金属环片(3)的环向应变值，第i个金属环片(3)的环向应变值计为Di0，其中：Di0为第i个金属环片(3)的初始环向应变值；
步骤5)具体为：释放预应力筋(1)的预应力，对预应力筋(1)放张；放张后每个金属环片(3)上的检测光栅(4)检测各自金属环片(3)的环向应变，再次通过监测控制分析系统(8)检测和采集各金属环片(3)上检测光栅(4)的环向应变值，检测到第i个金属环片(3)的环向应变值计为Di；其中：Di为第i个金属环片(3)的监测环向应变值；
比较各金属环片(3)环向应变的差值Δi＝Di-Di0，如果Δi-1大于Δi，并且Δi等于Δi+1，则确定预应力筋应力传递长度为Mi；
步骤6)具体为：每隔一段时间，通过监测控制分析系统(8)检测和分析各金属环片(3)上检测光栅(4)的环向应变，观测到第i个金属环片(3)的环向应变值计为Di’；其中：Di’为第i个金属环片(3)的观测环向应变值；
比较Di和Di’，如果Di和Di’不同，则说明预应力筋应力传递长度发生变化；
比较各金属环片(3)环向应变的差值Δi’＝Di’-Di0，如果Δi-1’大于Δi’，并且Δi’等于Δi+1’，则确定该时间预应力筋应力传递长度为Mi。
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