CN110261015A - 锚索预应力自动测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锚索预应力自动测量系统及方法，包括锚索，锚索加长工装，X射线发生器，测角仪，测量控制服务器；锚索加长工装包括固定端和加长端，固定端与锚索相连接；加长端包括钢绞线，钢绞线与锚索为轴对中位置；锚索加长工装钢绞线的旁侧放置有X射线发生器位和测角仪，X射线发生器用于产生X射线光源照射到钢绞线上，测角仪用于测量X射线的衍射角；测量控制服务器分别与X射线发生器和测角仪相连接，用于控制X射线发生器和测角仪工作并接收测量数据，根据测量数据计算预应力值；该系统可通过X射线衍射原理对锚索的实际预应力值进行自动测量。

Description

锚索预应力自动测量系统及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种锚索预应力自动测量系统及测量方法。

背景技术

目前在边坡加固工程中，可通过将锚索张拉后的预应力来增强加固岩体的强度，改善边坡的应力状态和提高边坡的稳定性。

通常在工程施工中，当锚索的预应力施加到位后，锚索张拉端的外露部分会被剪断，一般留的长度小于100mm。但随时间推移，边坡自身变形或锚索被腐蚀等原因，锚索预应力可能出现较大的损失，此时需要对锚索进行再次张拉以恢复设计的预应力值，进而保障工程质量。

在再次张拉前，需要对锚索进行预应力值的测量，这样才能确定再次张拉的张拉力，但锚索已经被剪断了且外露段很短只有不到100mm，这样短的锚索既不方便测量，也不方便再次张拉。

同时，锚索预应力值的常用测量方法包括压力表测定法、电阻应变片监测法、振动频率法、磁通量法等。其中，压力表测定法误差较大且操作不便；电阻应变片法的监测结果易受到外界环境的影响；振动频率法的测量结果同样不够精确；磁通量法响应较慢，不易获得动态参数。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种锚索预应力自动测量系统，以解决现有技术中对已剪断的锚索，测量其预应力值操作不便，测量精度不高的技术问题。

本发明采用的技术方案是，一种锚索预应力自动测量系统，包括锚索，锚索加长工装，X射线发生器，测角仪和测量控制服务器；锚索加长工装包括固定端和加长端，固定端与锚索相连接，加长端包括钢绞线，钢绞线与锚索为轴对中位置；

X射线发生器和测角仪分别放置在锚索加长工装的旁侧，用于将产生的X射线光源照射到锚索加长工装加长端的钢绞线上，测角仪用于测量照射到钢绞线上的X射线的衍射角；

测量控制服务器与X射线发生器相连接，用于控制X射线发生器工作；测量控制服务器还与测角仪相连接，用于控制测角仪工作并接收测量数据；测量控制服务器还用于根据测量数据计算预应力值。

进一步的，锚索加长工装包括内锚盘，外锚盘，紧固插销A，紧固插销B，钢绞线；内锚盘和紧固插销A构成锚索加长工装的固定端，所述外锚盘，紧固插销B和钢绞线构成锚索加长工装的加长端；

外锚盘底部套设在内锚盘外面，外锚盘底部内壁与内锚盘外侧面采用螺纹连接方式紧固；

内锚盘顶部有锚孔A，锚孔A为通孔，锚索穿过锚孔A，内锚盘套设在锚索上；所述紧固插销A在锚孔A内位于锚索和内锚盘之间，用于卡接锚索和内锚盘，固定锚索和内锚盘之间的相对位置；

外锚盘顶部有锚孔B，锚孔B为通孔，钢绞线穿过锚孔B；所述紧固插销B在锚孔B内位于钢绞线和外锚盘之间，用于卡接钢绞线和外锚盘，固定钢绞线和外锚盘之间的相对位置。

进一步的，锚索加长工装的钢绞线长度为0.6-1m。

进一步的，锚索加长工装的锚孔A和锚孔B为锥孔，紧固插销为楔形插销。

进一步的，锚索预应力自动测量系统还包括锚具，锚具从顶面到底面方向有通孔，锚索穿过该通孔，锚具套设在锚索上；锚索加长工装还包括套筒外壳，套筒外壳套设在外锚盘的外面，套筒外壳顶部有通孔，钢绞线穿过该通孔后外露，套筒外壳底部向下顶住锚具顶部。

进一步的，锚索预应力自动测量系统还包括一个数控三轴移动平台，数控三轴移动平台与测量控制服务器相连接，测量控制服务器可控制数控三轴移动平台在X、Y、Z轴向上的位移；

X射线发生器和测角仪放在数控三轴移动平台上。

进一步的，数控三轴移动平台使用伺服电机实现X、Y、Z轴向上的位移。

一种锚索预应力自动测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S1.将锚索加长工装安装在锚索上；

S2.将X射线发生器和测角仪放置在锚索加长工装旁侧，分别与测量控制服务器相连接；

S3.确定钢绞线的测量点，清洁测量点处的钢绞线表面；

S4.调节X射线发生器、测角仪与钢绞线的相对距离，使测量点位于测角仪测角器圆盘的圆心；

S5.测量控制服务器控制X射线发生器，对测量点进行数次不同角度的X射线照射；

S6.测角仪测量出数次X射线的衍射角，将测量数据传输到测量控制服务器，测量控制服务器根据测得的X射线衍射角的变化，计算出钢绞线的实际预应力值，该预应力值即为锚索的实际预应力值。

由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：

1.使用X射线衍射原理，可以无损、精确的测量钢绞线的应力值。

2.将已剪断锚索和锚索加长工装连接在一起构成一个整体，锚索和锚索加长工装以卡接的方式形成紧配合，有效保证已剪断锚索的预应力传递到锚索加长工装的钢绞线上，测得钢绞线的预应力值即为已剪断锚索的预应力；钢绞线的长度为0.6-1m，便于工程实地操作。

3.使用数控三轴移动平台，可以实现X射线发生器和测角仪在X、Y、Z轴向上的自动位移，可测量钢绞线上多处位置的预应力值，将多个预应力值取算术平均值后可得到平均预应力值，消除数据的离散度，使测量结果更加精确。

4.套筒外壳在后续施工再次张拉时，可以稳定张拉设备，便于施工操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的系统架构示意图。

图2为本发明的锚索加长工装结构图。

附图标记：

1-内锚盘，2-外锚盘，3-紧固插销A，4-紧固插销B，5-钢绞线，6-套筒外壳，7-锚孔A，8-锚孔B，9-锚索，10-锚具，11-套筒外壳顶部通孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种锚索预应力自动测量系统，包括锚索，锚索加长工装，X射线发生器，测角仪和测量控制服务器；锚索加长工装包括固定端和加长端，固定端与锚索相连接，加长端包括钢绞线，钢绞线与锚索为轴对中位置；

X射线发生器和测角仪分别放置在锚索加长工装的旁侧，用于将产生的X射线光源照射到锚索加长工装加长端的钢绞线上，测角仪用于测量照射到钢绞线上的X射线的衍射角；

测量控制服务器与X射线发生器相连接，用于控制X射线发生器工作；测量控制服务器还与测角仪相连接，用于控制测角仪工作并接收测量数据；测量控制服务器还用于根据测量数据计算预应力值。

下面对锚索预应力自动测量系统的具体工作原理加以说明：

(1)安装锚索加长工装

如图2所示，锚索加长工装包括内锚盘，外锚盘，紧固插销A，紧固插销B，，钢绞线；

首先，将内锚盘和锚索连接固定在一起。内锚盘顶部有数个锚孔A，锚孔A为通孔，将锚索从内锚盘底部到顶部方向穿过锚孔A，使内锚盘套在锚索上；将内锚盘往锚具方向推动直至抵住锚具；将紧固插销A放进锚孔A内，使紧固插销A位于锚索和内锚盘之间，对紧固插销A施加一外力使其紧紧卡在锚索和内锚盘之间，形成紧配合，固定锚索和内锚盘之间的相对位置；

然后，将外锚盘和钢绞线连接固定在一起。外锚盘顶部有数个锚孔B，锚孔B为通孔，将钢绞线从外锚盘顶部向底部方向穿过锚孔B，使穿出锚孔B的钢绞线一端略微露出锚孔B；将紧固插销B放进锚孔B内，使紧固插销B位于锚索和外锚盘之间，对紧固插销B施加一外力使其紧紧卡在锚索和外锚盘之间，形成紧配合，固定钢绞线和外锚盘之间的相对位置；

最后，将外锚盘和内锚盘连接固定在一起。将外锚盘底部套在内锚盘外侧面，按顺时针方向旋转外锚盘，使外锚盘底部内壁与内锚盘外侧面采用螺纹连接方式紧固。控制外锚盘和内锚盘螺纹旋合长度误差为50丝，以保证当螺纹连接旋转紧固到位后，锚索和钢绞线的位置为轴对中。或者对外锚盘有螺纹处对应的外表面上作一竖线标识，对内锚盘螺纹处的表面上也作一竖线标识，当螺纹连接旋转到最后一圈，两个竖线标识重合于同一直线时表明此时锚索和钢绞线的位置为轴对中。

对上述锚索加长工装作进一步优化，首先，锚索上还套设有锚具，锚具从顶面到底面方向有通孔，锚索穿过该通孔；其次，锚索加长工装还包括套筒外壳，套筒外壳顶部有通孔，将通孔对准钢绞线后往锚具方向推放，让钢绞线穿过该孔，使套筒外壳套设在外锚盘外，套筒外壳底部向下顶住锚具顶部。

上述实施例中，优选的，钢绞线的长度为0.6-1m，锚索加长工装的锚孔A和锚孔B为锥孔，紧固插销为楔形插销。

(2)安装X射线发生器和测角仪，确定测量点

将X射线发生器放置在锚索加长工装的钢绞线的旁侧，并与测量控制服务器相连接，优选为RJ45网口连接方式。测量控制服务器可控制X射线发生器进行工作，X射线发生器可自动调整X射线射出的角度。

将测角仪放置在锚索加长工装的钢绞线的旁侧，并与测量控制服务器相连接，优选为RJ45网口连接方式。测量控制服务器可控制测角仪工作并接收测量数据。测角仪包括测角器、入射光阑、接收狭缝、辐射探测器、电子计数器和计算单元。X射线发生器、入射光阑、接收狭缝和辐射探测器位于测角器圆盘的圆周上，并可绕圆心作圆心转动。通过测角器可以使X射线发生器、钢绞线测量点和辐射探测器满足几何和衍射条件。

确定锚索加长工装钢绞线的测量点，该测量点位置的钢绞线表面要保持清洁，无油污、生锈等，如有污染物应先将污染物清理掉。调节X射线发生器和测角仪与钢绞线的相对距离，使测量点位于测角仪测角器圆盘的圆心，主要通过调节钢绞线测量点和X射线发射器焦点的距离来实现。

(3)测量并计算预应力值

系统启动工作后，测量控制服务器自动控制X射线发生器，对测量点进行数次不同角度的X射线照射。在每次X射线照射后，测量控制服务器控制测角仪测量出X射线的衍射角，将测量数据传输到测量控制服务器。优选的可以测5个，X射线的入射角可分别取0°、15°、30°45°、60°。

根据测得X射线衍射角的变化，测量控制服务器可以计算出钢绞线测量点的实际预应力值，具体计算公式如下：

上述公式(1)中，σ为钢绞线测量点的预应力值，E为钢绞线的弹性变量，v为钢绞线的泊松比，θ为衍射角，Ψ表示钢绞线在Ψ方向上的应变。

因已剪断锚索和锚索加长工装已经连接在一起，构成了一个整体，已剪断锚索和锚索加长工装以卡接的方式形成紧配合，有效保证已剪断锚索的预应力传递到锚索加长工装的钢绞线上，钢绞线的预应力值即为已剪断锚索的预应力。

实施例2

在实施例1的基础上作进一步优化，该系统还包括一个数控三轴移动平台，数控三轴移动平台与测量控制服务器相连接，测量控制服务器可控制数控三轴移动平台在X、Y、Z轴向上的位移；X射线发生器和测角仪放在数控三轴移动平台上。

在实施例1中，当X射线发生器和测角仪安装放置好位置以后，只能测该位置对应的某一个测量点的应力值，而钢绞线各处的应力值不一定完全一致，为避免某一次测量的偶然性，消除测量数据离散度，可以对钢绞线线选取多处测量点进行预应力值的测量。

首先可以在钢绞线上选取一个测量区域，比如为500mm长，对该测量区域的表面进行清洁度检查和处理。然后在测量控制服务器设置数控三轴移动平台在X、Y、Z轴向上的有效位移范围，X或Y轴向上的位移不超过测量区域的长度，比如500mm，Y轴向上的位移不超过钢绞线的半径。

优选测量点为5-10个，测量控制服务器每完成一个测量点的测量后，会在X、Y、Z轴向上的有效位移范围值内随机选取一个位移值，控制数控三轴移动平台按该位移值进行位移后，自动再次进行测量。当多次测量完成后，测量控制服务器将多个预应力值取算术平均值后可得到平均预应力值，使测量结果更加精确。

为保证测量精度，数控三轴移动平台优选使用伺服电机实现X、Y、Z轴向上的位移。

实施例3

一种锚索预应力自动测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S1.将锚索加长工装安装在锚索上；

S2.将X射线发生器和测角仪放置在锚索加长工装旁侧，分别与测量控制服务器相连接；

S3.确定钢绞线的测量点，清洁测量点处的钢绞线表面；

S4.调节X射线发生器、测角仪与钢绞线的相对距离，使测量点位于测角仪测角器圆盘的圆心；

S5.测量控制服务器控制X射线发生器，对测量点进行数次不同角度的X射线照射；

S6.测角仪测量出数次X射线的衍射角，将测量数据传输到测量控制服务器，测量控制服务器根据测得的X射线衍射角的变化，计算出钢绞线的实际预应力值，该预应力值即为锚索的实际预应力值。

使用X射线测量应力的原理为：在一定的应力状态下，金属材料从宏观角度来看将会出现形变，从微观角度来看将会出现晶格应变，这两种变化是一致的。利用X射线穿透金属内部晶格时发生衍射的原理，可以测量出金属材料的表面层由于晶格应变而产生的晶面间距变化，进而推算出宏观形变情况，即宏观角度的应力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种锚索预应力自动测量系统，其特征在于：包括锚索，锚索加长工装，X射线发生器，测角仪和测量控制服务器；所述锚索加长工装包括固定端和加长端，所述固定端与锚索相连接，所述加长端包括钢绞线，钢绞线与锚索为轴对中位置；

所述X射线发生器和测角仪分别放置在锚索加长工装的旁侧，用于将产生的X射线光源照射到锚索加长工装加长端的钢绞线上，所述测角仪用于测量照射到钢绞线上的X射线的衍射角；

所述测量控制服务器与X射线发生器相连接，用于控制X射线发生器工作；测量控制服务器还与测角仪相连接，用于控制测角仪工作并接收测量数据；测量控制服务器还用于根据测量数据计算预应力值。

2.根据权利要求1所述一种锚索预应力自动测量系统，其特征在于：所述锚索加长工装包括内锚盘，外锚盘，紧固插销A，紧固插销B，钢绞线；

所述内锚盘和紧固插销A构成锚索加长工装的固定端，所述外锚盘，紧固插销B和钢绞线构成锚索加长工装的加长端；

所述外锚盘底部套设在内锚盘外面，外锚盘底部内壁与内锚盘外侧面采用螺纹连接方式紧固；

所述内锚盘顶部有锚孔A，锚孔A为通孔，锚索穿过锚孔A，内锚盘套设在锚索上；所述紧固插销A在锚孔A内位于锚索和内锚盘之间，用于卡接锚索和内锚盘，固定锚索和内锚盘之间的相对位置；

外锚盘顶部有锚孔B，锚孔B为通孔，钢绞线穿过锚孔B；所述紧固插销B在锚孔B内位于钢绞线和外锚盘之间，用于卡接钢绞线和外锚盘，固定钢绞线和外锚盘之间的相对位置。

3.根据权利要求1或2所述一种锚索预应力自动测量系统，其特征在于：所述钢绞线长度为0.6-1m。

4.根据权利要求2所述一种锚索预应力自动测量系统，其特征在于：所述锚孔A和锚孔B为锥孔，所述紧固插销为楔形插销。

5.根据权利要求2所述一种锚索预应力自动测量系统，其特征在于：还包括锚具，所述锚具从顶面到底面方向有通孔，锚索穿过该通孔，锚具套设在锚索上；

所述锚索加长工装还包括套筒外壳，套筒外壳套设在外锚盘的外面，套筒外壳顶部有通孔，钢绞线穿过该通孔后外露，套筒外壳底部向下顶住锚具顶部。

6.根据权利要求1所述一种锚索预应力自动测量系统，其特征在于：还包括一个数控三轴移动平台，所述数控三轴移动平台与测量控制服务器相连接，测量控制服务器可控制数控三轴移动平台在X、Y、Z轴向上的位移；

所述X射线发生器和测角仪放在数控三轴移动平台上。

7.根据权利要求5所述一种锚索预应力自动测量系统，其特征在于：所述数控三轴移动平台使用伺服电机实现X、Y、Z轴向上的位移。

8.根据权利要求1所述一种锚索预应力自动测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将锚索加长工装安装在锚索上；

S2.将X射线发生器和测角仪放置在锚索加长工装旁侧，分别与测量控制服务器相连接；

S3.确定钢绞线的测量点，清洁测量点处的钢绞线表面；

S4.调节X射线发生器、测角仪与钢绞线的相对距离，使测量点位于测角仪测角器圆盘的圆心；

S5.测量控制服务器控制X射线发生器，对测量点进行数次不同角度的X射线照射；

S6.测角仪测量出数次X射线的衍射角，将测量数据传输到测量控制服务器，测量控制服务器根据测得的X射线衍射角的变化，计算出钢绞线的实际预应力值，该预应力值即为锚索的实际预应力值。