CN108149574A - 一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具及预应力监测方法 - Google Patents

一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具及预应力监测方法 Download PDF

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杨懿杰
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Abstract

本发明公开了一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具及预应力监测方法，采用圆形压电陶瓷片帖设在钢绞线自由端，环形压电陶瓷片嵌入夹片式锚具的夹片内，或者矩形压电陶瓷片嵌入锚垫板内对夹片式锚具的锚固情况进行监测，由于预应力钢绞线松弛等因素导致钢绞线与夹片之间、锚具与锚垫板之间产生压力，导致构件的自振频率发生变化，根据压电陶瓷的正逆压电效应，并应用阻抗分析仪，从而测出构件本身的机械阻抗值的变化，通过提取共振频率和均方根偏差定义一个损失指标，用以识别夹片式锚具的锚固松紧情况，本装置构造简单，可以快速主动地对夹片式锚具的锚固松紧情况进行监测评估，为土木工程中预应力钢绞线锚固监测提供了一种简单有效的方法。

Description

一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具及预应力监测方法
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具及预应力监测方法。
背景技术
预应力技术的出现改善结构服役表现，提高了结构构件的抗裂度和刚度，提高了结构质量，而且预应力技术的发展还促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展，锚具作为保证预应力施工安全，结构可靠的关键设备，其锚固情况对结构的安全起到了决定性的作用，而预应力钢筋的预应力随着张拉、锚固过程和时间的推移会不可避免的出现降低的现象也即出现预应力损失，因此预应力损失值在设计施工以及后期运营中的监测显得尤为重要。
目前来说预应力损失总体上由以下两部分组成：
传力锚固时的损失：该部分损失主要包括预应力筋与管道壁之间摩擦引起的损失σl1，锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩造成的损失σl2，钢筋与台座间的温差引起的损失σl3，混凝土弹性压缩引起的损失σl4。
传力锚固后的损失：该部分损失与时间有关，主要包括预应力筋松弛引起的损失σl6和混凝土收缩徐变造成的损失σ16。
由于以上种种原因导致了预应力钢绞线在实际应力水平中难以始终保持初张拉力的应力水平，因而造成预应力损失，轻则造成结构开裂，重则产生结构失效甚至垮塌。因此对于实时掌握预应力钢绞线的锚固松紧情况具有十分重要的意义。
然而目前对于预应力损失的监控缺乏简单有效的方法，无损检测例如千斤顶测力法最为准确但是只适用于施工时采用，很难在后期运营实现连续监测；有损检测例如钢筋切断法将预应力束外部混凝土结构剥除，切断部分钢绞线来检测预应力大小。该方法操作复杂，且对结构会产生不可逆的伤害；钢筋应力释放法能够测试结构的应力，但是切割速度、切割温度等均为测试应力的扰动因素。因此实现对预应力结构的长期无损监测显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具及预应力监测方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具，包括锚板、锥形夹片以及监测系统，锥形夹片沿轴向设有用于夹持钢绞线组的轴向通孔，锥形夹片通过锚板套设在锥形夹片外侧缩小锥形夹片直径夹紧钢绞线组，锥形夹片外侧设有环形凹槽，锥形夹片的环形凹槽内设有压电陶瓷片，压电陶瓷片外侧设有环氧树脂层，环氧树脂层外侧设有金属屏蔽壳，还包括贴设于钢绞线组端部的端部压电陶瓷片，
监测系统包括精密阻抗分析仪和计算机处理系统，精密阻抗分析仪与端部压电陶瓷片和压电陶瓷片连接，精密阻抗分析仪用于激励信号的发射与接收，并将接收信号传送至计算机处理系统，计算机处理系统内设有存储模块，存储模块用于存储基准值以及接收到的精密阻抗分析仪数据，计算机处理系统用于接收精密阻抗分析仪发送的激励信号值并与存储模块内的基准值对比并显示。
进一步的，环氧树脂层厚度为0.08-0.1mm。
进一步的，锥形夹片管壁沿轴向设有开口槽，或者锥形夹片由半锥形夹片和右半锥形夹片拼合而成。
进一步的，锥形夹片的轴向通孔内壁沿轴向均布有多个齿形槽。
进一步的，锥形夹片的通孔内钢绞线组由多条钢绞线螺旋绕制而成。
进一步的，精密阻抗分析仪发射信号为100Hz-1MHz的扫频信号，发射方式为连续发射和间断发射。
进一步的，计算机处理系统连接有检测报警系统，检测报警系统为声光报警。
一种智能夹片式锚具的预应力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：分别将端部压电陶瓷片和压电陶瓷片置于待检测钢绞线组端部和锥形夹片的环形凹槽内，并将端部压电陶瓷片和压电陶瓷片与精密阻抗分析仪的两个端口连接，通过精密阻抗分析仪产生的信号对压电陶瓷片进行激励，激励信号经端部压片陶瓷片反射后由精密阻抗分析仪接收，并将接收信号传送至计算机处理系统，与计算机存储模块预设基准值对比，如果接收信号小于计算机存储模块预设基准值，说明钢绞线与锚固件松动，如果接收信号等于计算机存储模块预设基准值，说明钢绞线与锚固件接触良好。
进一步的，将锥形夹片套设在待检测钢绞线组，然后通过夹具将锥形夹片与锥形夹片紧固，将端部压电陶瓷片作为信号激励端贴设在待检测钢绞线组端部；将压电陶瓷片作为信号接收端贴设在锥形夹片的环形凹槽内，然后将环形压电陶片外侧依次设置环氧树脂层和屏蔽壳。
进一步的，通过精密阻抗分析仪产生能量信号测量端部压电陶瓷片与压电陶瓷片连接的钢绞线组之间的机械阻抗值，基于压电陶瓷传感器测得的阻抗信号的能量指标和预应力钢绞线初张拉时所测得的信号能量指标，将计算得到的损失指数进行比对，若损失值在20％以上则激活报警系统进行报警并将数据存入计算机存储系统，若损失值低于20％则将直接将数据存入电脑的存储系统进行备份。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具及预应力监测方法，采用圆形压电陶瓷片帖设在钢绞线自由端，环形压电陶瓷片嵌入夹片式锚具的夹片内，或者矩形压电陶瓷片嵌入锚垫板内对夹片式锚具的锚固情况进行监测，由于预应力钢绞线松弛等因素导致钢绞线与夹片之间、锚具与锚垫板之间产生压力，导致构件的自振频率发生变化，根据压电陶瓷的正逆压电效应，并应用阻抗分析仪，从而测出构件本身的机械阻抗值的变化，通过提取共振频率和均方根偏差定义一个损失指标，用以识别夹片式锚具的锚固松紧情况，本装置构造简单，可以快速主动地对夹片式锚具的锚固松紧情况进行监测评估，为土木工程中预应力钢绞线锚固监测提供了一种简单有效的方法；阻抗法不仅能够对结构进行连续在线监测，而且可以实现对结构的高频激励和具有不基于任何物理模型的优点，本装置适用范围广泛，可用于预应力钢绞线，拉索，吊杆等众多需要预张拉的设备，构造简单，不影响结构本身的功能和安全性，成本低且维护方便，便于工厂化生产，且能够有效的对夹片式锚具的锚固情况进行实时主动地。
进一步的，环形压电陶瓷与夹片的形状相契合，能够更加全面的反映夹片式锚具的阻抗信号。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明轴侧图。
图3为本发明系统连接结构示意图。
图4为一维机电系统模型结构示意图。
图5为不同张拉力时钢绞线阻抗值示意图。
图6为10Hz-1MHz计算点阻抗实部值示意图。
图7为0MPa计算点处阻抗实部值示意图。
图8为60MPa计算点处阻抗实部值示意图。
其中，1、锚板；2、锥形夹片；3、钢绞线组；4、压电陶瓷片；5、端部压电陶瓷片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1至图3所示，一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具，包括锚板1、锥形夹片2以及监测系统，锥形夹片2沿轴向设有用于夹持钢绞线组的轴向通孔，锥形夹片2通过锚板1套设在锥形夹片2外侧缩小锥形夹片直径夹紧钢绞线组3，锥形夹片2外侧设有环形凹槽，锥形夹片2的环形凹槽内设有压电陶瓷片4，压电陶瓷片4外侧设有环氧树脂层，环氧树脂层外侧设有金属屏蔽壳，还包括贴设于钢绞线组端部的端部压电陶瓷片5，
监测系统包括精密阻抗分析仪和计算机处理系统，精密阻抗分析仪与端部压电陶瓷片5和压电陶瓷片4连接，精密阻抗分析仪用于激励信号的发射与接收，并将接收信号传送至计算机处理系统，计算机处理系统内设有存储模块，存储模块用于存储基准值以及接收到的精密阻抗分析仪数据，计算机处理系统用于接收精密阻抗分析仪发送的激励信号值并与存储模块内的基准值对比并显示。
环氧树脂层厚度为0.08-0.1mm；
锥形夹片管壁沿轴向设有开口槽，或者锥形夹片由半锥形夹片和右半锥形夹片拼合而成；
锥形夹片的轴向通孔内壁沿轴向均布有多个齿形槽；
锥形夹片的通孔内钢绞线组由多条钢绞线螺旋绕制而成；
精密阻抗分析仪发射信号为100Hz-1MHz的扫频信号，发射方式为连续发射和间断发射；
计算机处理系统连接有检测报警系统，检测报警系统为声光报警。
如图4所示，压电陶瓷片和锥形夹片之间的机电阻抗耦合效应可以简化为一个一维的机电系统模型来进行说明，在确保两者之间的机械传递良好的情况下，压电陶瓷片可以认为是一个只在施加电压方向轴向振动的细棒；一端固定，另一端与夹片连接，这两个独立结构相互作用的假设与压电陶瓷片到夹片力传递作用效果是等价的。
一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具预应力监测方法，包括以下步骤：
分别将端部压电陶瓷片和压电陶瓷片置于待检测钢绞线组端部和锥形夹片的环形凹槽内，并将端部压电陶瓷片和压电陶瓷片与精密阻抗分析仪的两个端口连接，通过精密阻抗分析仪产生的信号对压电陶瓷片进行激励，激励信号经端部压片陶瓷片反射后由精密阻抗分析仪接收，并将接收信号传送至计算机处理系统，与计算机存储模块预设基准值对比，如果接收信号小于计算机存储模块预设基准值，说明钢绞线与锚固件松动，如果接收信号等于计算机存储模块预设基准值，说明钢绞线与锚固件接触良好。
具体的，将锥形夹片套设在待检测钢绞线组，然后通过夹具将锥形夹片与锥形夹片紧固，将端部压电陶瓷片作为信号激励端贴设在待检测钢绞线组端部；将压电陶瓷片作为信号接收端贴设在锥形夹片的环形凹槽内，然后将环形压电陶片外侧依次设置环氧树脂层和屏蔽壳。
具体的，通过精密阻抗分析仪产生能量信号测量端部压电陶瓷片与压电陶瓷片连接的钢绞线组之间的机械阻抗值，电阻抗的变化可以反映整个机电阻抗系统特性的变化，而系统机电阻抗的变化也受到压电陶瓷片和主体结构动力特性的影响，因此压电陶瓷片的机械阻抗Za定义为频域范围内在角频率ω点处，交流输入电压V(ω)与相应输出电流I(ω)之间的比值；同样地，当主体结构简化为单自由度系统时，其机械阻抗Zs定义为在角频率ω点处，简谐激励作用力F0(ω)对速度输出响应的比值；则针对此压电陶瓷片的波动方程的解即可用来表示系统的电导纳(阻抗倒数)求解此方程：
其中ω——驱动电压的角频率
Y(ω)——角频率ω处的电导纳；
k——波数
——波速
ρ——密度；
Za——压电陶瓷片的机械阻抗；
Zs——夹片的机械阻抗；
wa、la、la——压电陶瓷片的宽度、长度、厚度；
——压电陶瓷片在零点场作用下的复杨氏模量；
da1——压电陶瓷片在无外界压力作用下z和x方向的压电耦合系数；
——在零压力作用下沿z方向的复介电常数。
为了定量分析夹片式锚具的锚固情况以及评估预应力损失程度，根据平方根偏差(RMSD)提出了一种损失指数，以此来定量分析压电陶瓷片阻抗信号的变化：
其中Y(ωi)——在第i个测点的导纳信号；
Y0(ωi)-——初始张拉时结构在第i个测点的基准导纳信号；
N——一个信号中的总测点数；
基于压电陶瓷传感器测得的阻抗信号的能量指标和预应力钢绞线初张拉时所测得的信号能量指标，就可以得出夹片式锚具的锚固情况。
将计算得到的损失指数进行比对，若损失值在20％以上则激活报警系统进行报警并将数据存入计算机存储系统，若损失值低于20％则将直接将数据存入电脑的存储系统进行备份。
精密阻抗分析仪发射频率为100Hz-1MHz的高斯脉冲扫频信号，通过扫频信号峰值确定预应力钢绞线锚固系统的中心频率，然后设置激励端信号的脉冲波形详细参数。
实施例
选用小于钢绞线公称直径的圆形压电陶瓷片，同样地，将在压电陶瓷片表面的正负极焊接导线，导线焊接完毕后应在他点陶瓷表面涂以环氧树脂，以保证压电陶瓷片的绝缘性和防水性，待环氧树脂风干后使用502胶水将其整体粘在钢绞线的自由端，最后在压电陶瓷片上盖上铜制的金属屏蔽壳；
试验选取strand1860成品钢绞线，所选钢绞线规格采用符合GB/T5224-2014要求的1×7×15.2mm的钢绞线fpk＝1860Mpa，钢绞线的弹性模量Ep＝1.95×105Mpa；
张拉预应力钢绞线时按应力控制张拉，分别按钢绞线抗拉强度标准值的20％、40％、60％、80％采用液压千斤顶分四级等速张拉，加载速度为每分钟约100MPa，达到80％后持荷1h；每达到预定的张拉应力时使用该监测系统进行一次测量最终达到80％后再次测量，根据不同程度的张拉力大小来模拟不同程度的预应力损失情况，并进行对比分析。
如图5至图8所示，分别为在不同拉力和压强下钢绞线阻抗值分布图。
对预应力钢绞线进行压电阻抗试验并获取预应力大小和压电陶瓷片的压电导纳信号，根据平方根偏差(RMSD)提出了一种损失指数，以此来定量分析压电陶瓷片阻抗信号的变化。
基于压电陶瓷传感器测得的阻抗信号的能量指标和预应力钢绞线初张拉时所测得的信号能量指标，就可以得出夹片式锚具的锚固情况。

Claims (10)

1.一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具，其特征在于，包括锚板(1)、锥形夹片(2)以及监测系统，锥形夹片(2)沿轴向设有用于夹持钢绞线组的轴向通孔，锥形夹片(2)通过锚板(1)套设在锥形夹片(2)外侧缩小锥形夹片直径夹紧钢绞线组(3)，锥形夹片(2)外侧设有环形凹槽，锥形夹片(2)的环形凹槽内设有压电陶瓷片(4)，压电陶瓷片(4)外侧设有环氧树脂层，环氧树脂层外侧设有金属屏蔽壳，还包括贴设于钢绞线组端部的端部压电陶瓷片(5)，
监测系统包括精密阻抗分析仪和计算机处理系统，精密阻抗分析仪与端部压电陶瓷片(5)和压电陶瓷片(4)连接，精密阻抗分析仪用于激励信号的发射与接收，并将接收信号传送至计算机处理系统，计算机处理系统内设有存储模块，存储模块用于存储基准值以及接收到的精密阻抗分析仪数据，计算机处理系统用于接收精密阻抗分析仪发送的激励信号值并与存储模块内的基准值对比并显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具，其特征在于，环氧树脂层厚度为0.08-0.1mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具，其特征在于，锥形夹片管壁沿轴向设有开口槽，或者锥形夹片由半锥形夹片和右半锥形夹片拼合而成。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具，其特征在于，锥形夹片的轴向通孔内壁沿轴向均布有多个齿形槽。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具，其特征在于，锥形夹片的通孔内钢绞线组由多条钢绞线螺旋绕制而成。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具，其特征在于，精密阻抗分析仪发射信号为100Hz-1MHz的扫频信号，发射方式为连续发射和间断发射。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电阻抗法的智能夹片式锚具，其特征在于，计算机处理系统连接有检测报警系统，检测报警系统为声光报警。
8.一种基于权利要求1所述的智能夹片式锚具的预应力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：分别将端部压电陶瓷片和压电陶瓷片置于待检测钢绞线组端部和锥形夹片的环形凹槽内，并将端部压电陶瓷片和压电陶瓷片与精密阻抗分析仪的两个端口连接，通过精密阻抗分析仪产生的信号对压电陶瓷片进行激励，激励信号经端部压片陶瓷片反射后由精密阻抗分析仪接收，并将接收信号传送至计算机处理系统，与计算机存储模块预设基准值对比，如果接收信号小于计算机存储模块预设基准值，说明钢绞线与锚固件松动，如果接收信号等于计算机存储模块预设基准值，说明钢绞线与锚固件接触良好。
9.根据权利要求8所述的智能夹片式锚具的预应力监测方法，其特征在于，将锥形夹片套设在待检测钢绞线组，然后通过夹具将锥形夹片与锥形夹片紧固，将端部压电陶瓷片作为信号激励端贴设在待检测钢绞线组端部；将压电陶瓷片作为信号接收端贴设在锥形夹片的环形凹槽内，然后将环形压电陶片外侧依次设置环氧树脂层和屏蔽壳。
10.根据权利要求8所述的智能夹片式锚具的预应力监测方法，其特征在于，通过精密阻抗分析仪产生能量信号测量端部压电陶瓷片与压电陶瓷片连接的钢绞线组之间的机械阻抗值，基于压电陶瓷传感器测得的阻抗信号的能量指标和预应力钢绞线初张拉时所测得的信号能量指标，将计算得到的损失指数进行比对，若损失值在20％以上则激活报警系统进行报警并将数据存入计算机存储系统，若损失值低于20％则将直接将数据存入电脑的存储系统进行备份。
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