CN111707733B - 一种桥梁锚下钢绞线预应力的检测方法 - Google Patents

一种桥梁锚下钢绞线预应力的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种桥梁锚下钢绞线预应力的检测方法，包括：a1：利用应力波激发设备和应力波接收设备对钢绞线锚具的锚头检测，应力波接收设备接收声波信号；a2：处理声波信号，得频谱图；a3：对频谱图对数正态分布拟合，得拟合曲线的对数标准差σ；a4：将对数标准差σ代入公式：σt＝[0.867+0.113ln(σ‑0.044)]*1860，得钢绞线的预应力σt；a5：将预应力σt与钢绞线的预应力设计值m比较：若σt≤m，则钢绞线预应力合格；若σt＞m，则钢绞线预应力不合格。本发明直接对钢绞线锚头进行声学特性研究；克服了现有技术中对单根钢丝及整股钢绞线进行标定试验时未考虑波纹管中水泥砂浆对测量产生的影响；降低了等效质量法中采用激振锤的误差；测量结果直观准确；检测方法简单高效。

Description

一种桥梁锚下钢绞线预应力的检测方法
技术领域
本发明涉及钢绞线预应力检测方法领域，具体为一种桥梁锚下钢绞线预应力的检测方法。
背景技术
预应力钢绞线的张拉质量是预应力混凝土桥梁的重要保障。预应力过大会造成钢绞线的疲劳或断裂，影响钢绞线使用寿命；预应力过小，易导致梁体下挠、垮塌，危及工程安全，因此，对于预应力钢绞线的检测显得尤为重要。
目前在钢绞线预应力检测方法中，声波检测法作为一种设备轻便、容易激发、操作方便的测量方式而被引起重视。现有技术中，分析了单芯线中的声弹性效应，发现这种效应几乎是线性的，因此他提出可以对钢绞线中的单芯线进行声学特性的研究，利用声弹性理论，得出声学参数与钢绞线预应力之间的关系，从而在实际工程中，可以通过直接测量特定的声学参数来计算出钢绞线预应力的大小。另外，还有通过对中心钢丝进行标定试验，获得声弹性系数K，通过测量声波在预应力钢绞线中的传播速度，然后利用波速与钢绞线预应力之间的关系式，得出钢绞线预应力值。国内的一些研究人员对整股钢绞线进行声学特性研究，并结合声弹性理论提出，可以通过直接测量整股钢绞线的声学参数，利用声弹性理论得出相应声学参数与钢绞线预应力之间的关系式。
目前声波检测法主要是利用声弹性理论直接对整股钢绞线或中心单根钢丝进行标定实验，但实际工程中，预应力钢绞线往往被水泥砂浆浇筑在波纹管中，然而目前的检测方法未能考虑到水泥砂浆对测量结果产生的影响，因此对于有粘结的预应力混凝土构件进行测量时其测量精度会受到很大的影响。
另外，等效质量法也是利用了弹性波进行测量，其具有设备简单、易操作等优点，但由于其利用激振锤作为激振源，激发出的弹性波稳定性差，因此对测量结果易产生较大误差。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种桥梁锚下钢绞线预应力的检测方法，通过直接对预应力钢绞线锚头进行声学特性研究，克服了现有技术中对单根钢丝及整股钢绞线进行标定试验时，未考虑波纹管中水泥砂浆对测量产生的影响；降低了等效质量法中采用激振锤带来的误差；测量结果直观准确；检测方法简单高效。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种桥梁锚下钢绞线预应力的检测方法，包括：
步骤a1：利用应力波激发设备和应力波接收设备对预应力钢绞线锚具的锚头进行声学特性检测，使应力波接收设备接收到声波信号；
步骤a2：将步骤a1中的声波信号进行处理，得到声波信号的频谱图；
步骤a3：对步骤a2中的频谱图进行对数正态分布拟合，得到拟合曲线的对数标准差σ；
步骤a4：将步骤a3的对数标准差σ代入公式：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860，得到待检测的钢绞线的预应力σt；
步骤a5：将步骤a4得到的预应力σt与钢绞线的预应力设计值m进行比较：
若σt≤m，则钢绞线预应力合格；
若σt＞m，则钢绞线预应力不合格。
作为上述技术方案的进一步改进：
步骤a1中，应力波激发设备的测点和应力波接收设备的测点成180°布置在锚头的周侧面上。
步骤a2包括如下步骤：
步骤a21：将声波信号采用快速傅里叶变换处理，得到声波信号的频谱图；
步骤a22：对步骤a21得到的频谱图进行归一化，得到归一化的频谱图。
步骤a3中，对步骤a22得到归一化的频谱图进行对数正态分布拟合。
步骤a4中，获取公式σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860的步骤如下：
步骤a41：对钢绞线施加已知的多组不同的预应力，并获取钢绞线在每组预应力下的声波信号；
步骤a42：将步骤a41获取的多组声波信号进行处理，得到多组声波信号的频谱图；
步骤a43：对步骤a42中的多组频谱图进行对数正态分布拟合，得出钢绞线预应力σt与对数标准差σ之间的关系：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860。
步骤a41中，施加的多组不同预应力包括：施加的预应力达到预应力设计值m的0％、20％、40％、60％和80％，对应应力比分别为0、0.2、0.4、0.6和0.8。
步骤a42中包括如下步骤：
步骤a421：将步骤a41的多组声波信号分别采用快速傅里叶变换处理，得到多组声波信号的频谱图；
步骤a422：对步骤a421得到的多组频谱图进行归一化，得到多组归一化的频谱图。
步骤a43包括如下步骤：
步骤a431：利用公式：对步骤a42的多组频谱图分别进行对数正态分布拟合，得到多组拟合曲线，公式中，μ为对数均值，σ为对数标准差，x为横坐标，f(x)为纵坐标；
步骤a432：将多组拟合曲线的对数标准差σ与对应的应力比进行拟合，得到钢绞线预应力与对数标准差σ之间的关系式：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860。
步骤a4中包括如下步骤：
步骤a’41：在仿真软件中分别建立预应力钢绞线处在多组不同预应力时的有限元模型；
步骤a’42：在各有限元模型中的锚头周侧面第一测点A激发低频应力波,在第一测点A的对侧第二测点B接收应力波透射信号，得到各不同预应力下的声波信号；
步骤a’43：将步骤a’42获取的多组声波信号进行处理，得到多组声波信号的频谱图；
步骤a’44：对步骤a’43中的多组频谱图进行对数正态分布拟合，得出钢绞线预应力σt与对数标准差σ之间的关系：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860。
步骤a’43包括如下步骤：
步骤a’431：将步骤a’42得到的各声波信号进行滤波处理，得到各不同预应力下的时域波形信号；
步骤a’432：将步骤a’431得到的各时域波形信号进行快速傅里叶变换，得到各不同预应力下的频谱图。
本发明的有益效果是：
(1)通过直接对预应力钢绞线锚头进行声学特性研究，克服了现有技术中对单根钢丝及整股钢绞线进行标定试验时，未考虑波纹管中水泥砂浆对测量产生的影响；
(2)通过稀土超磁致伸缩换能器作为激发源，大大降低了等效质量法中采用激振锤带来的误差；
(3)通过获取的特征参数对数标准差σ即可计算出相应的钢绞线预应力的大小，测量结果直观准确；
(4)检测方法简单高效，测量结果精准稳定。
附图说明
图1为本发明实施例一在钢绞线预应力分别达到预应力设计值的0％、20％、40％、60％、80％时所获取的声波信号图；
图2为本发明实施例一在钢绞线预应力分别达到预应力设计值的0％、20％、40％、60％、80％时的频谱图；
图3a～3d为本发明实施例一在钢绞线预应力分别达到预应力设计的20％、40％、60％、80％时对归一化后的频谱图进行对数正态拟合的示意图；
图4为本发明实施例一对数标准差与应力比拟合的示意图；
图5为本发明实施例二的有限元模型和测点示意图；
图6为本发明实施例二有限元模型在预应力分别达到预应力设计值的0％、20％、40％、60％、80％时所获取的声波信号图；
图7为发明实施例二对有限元模型在预应力分别达到预应力设计值的0％、20％、40％、60％、80％时的进行傅里叶变换得到的频谱图；
图8为本发明实施例二提供的第一测点和第二测点位置示意图；
图9为不同预应力状态下，实施例一和实施例二的应力比与主频值关系的对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
实施例一
一种桥梁锚下钢绞线预应力的检测方法，包括如下步骤：
步骤a1：利用应力波激发设备和应力波接收设备对预应力钢绞线锚具的锚头进行声学特性检测，使应力波接收设备接收到声波信号；
步骤a2：将步骤a1中的声波信号进行处理，得到声波信号的频谱图；
步骤a3：对步骤a2中的频谱图进行对数正态分布拟合，得到拟合曲线的对数标准差σ；
步骤a4：将步骤a3的对数标准差σ代入公式：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860，得到待检测的钢绞线的预应力σt；
步骤a5：将步骤a4得到的预应力σt与钢绞线的预应力设计值m进行比较：
若σt≤m，则待检测的钢绞线的预应力在设计值范围内，钢绞线预应力合格；
若σt＞m，则待检测的钢绞线的预应力大于设计值，钢绞线预应力不合格。
步骤a1中，利用应力波激发设备在钢绞线预应力锚头上激发低频应力波，所述低频应力波为纵波，频率范围为2KHz～10KHz。应力波接收设备接收锚头对测透射的声波信号，即，应力波激发设备的测点和应力波接收设备的测点的连线过锚头一横截面的中心，换句话说，应力波激发设备的测点和应力波接收设备的测点成180°布置在锚头的周侧面上。此布置方式测量出的数据最为稳定且所接收的声波信号对预应力更为敏感。
步骤a2包括如下两步：
步骤a21：将声波信号采用快速傅里叶变换处理，得到声波信号的频谱图；
步骤a22：对步骤a21得到的频谱图进行归一化，得到归一化的频谱图。
步骤a3中，对步骤a22得到归一化的频谱图进行对数正态分布拟合。
步骤a4中，获取公式σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860的步骤如下：
步骤a41：对钢绞线施加已知的多组不同的预应力，并获取钢绞线在每组预应力下的声波信号；
步骤a42：将步骤a41获取的多组声波信号进行处理，得到多组声波信号的频谱图；
步骤a43：对步骤a42中的多组频谱图进行对数正态分布拟合，得出钢绞线预应力σt与对数标准差σ之间的关系：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860。
步骤a41中的钢绞线和步骤a1中的钢绞线的材料性质相同。
步骤a41中，施加的多组不同预应力包括：施加的预应力达到钢绞线抗拉强度设计值m的0％、20％、40％、60％和80％，或说施加的预应力达到预应力设计值m的0％、20％、40％、60％和80％，对应应力比分别为0、0.2、0.4、0.6和0.8。
步骤a41包括如下步骤：
步骤a411：选取张拉仪器、锚具、钢绞线、数据采集设备、应力波激发设备和应力波接收设备；
步骤a412：布置应力波激发设备和应力波接收设备，使应力波激发设备的测点和应力波接收设备的测点成180°设置在锚具的锚头的周侧面；
步骤a413：用张拉仪器将钢绞线拉至不同的已知的预应力下，在每个预应力状态下开启应力波激发设备和应力波接收设备，使它们在不同钢绞线预应力下激发应力波和接收应力波，接收到的应力波为声波信号，如图1所示。
步骤a42中包括如下步骤：
步骤a421：将步骤a41的多组声波信号分别采用快速傅里叶变换处理，得到多组声波信号的频谱图；
步骤a422：对步骤a421得到的多组频谱图进行归一化，得到多组归一化的频谱图。如图2所示。
步骤a43包括如下步骤：
步骤a431：利用公式(1)对步骤a422得到的多组归一化的频谱图分别进行对数正态分布拟合，得到多组拟合曲线；如图3a～3d所示，图3a～3d为钢绞线预应力分别达到预应力设计值的20％、40％、60％、80％，得到的对数标准差σ分别为0.047、0.060、0.141、0.591。
其中，μ为对数均值，σ为对数标准差，x为横坐标，f(x)为纵坐标；
公式(1)是现有的拟合公式，在此不再赘述。
步骤a432：将多组拟合曲线的对数标准差σ与对应的应力比进行拟合，拟合曲线的相关系数R2＝0.99992，如图4所示，得到钢绞线预应力与对数标准差σ之间的关系式：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860。
本实施例中，应力波激发设备为稀土超磁致伸缩换能器，应力波接收设备为TH压电换能器。
本实施例中，锚具为M15-4型锚具。
本实施例中，钢绞线为七丝，直径为15.2mm钢绞线，其抗拉强度为1860MPa。
本实施例中，张拉仪器为MAG—500型微机控制静载锚固试验机。
本实施例中，数据采集设备为B508—Wireless型高精度无线超声波仪。
用张拉仪器将钢绞线拉至其抗拉强度设计值(预应力设计值m)的0、20％、40％、60％、80％。
实施例二
与实施例一不同的是，实施例二中，步骤a4通过仿真软件获取公式σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860。
步骤a4中包括如下步骤：
步骤a’41：在仿真软件中分别建立预应力钢绞线处在多组不同预应力时的有限元模型；
步骤a’42：如图5所示，在各有限元模型中的锚头周侧面第一测点A激发低频应力波,在第一测点A的对侧第二测点B接收应力波透射信号，得到各不同预应力下的声波信号，如图6所示。
步骤a’43：将步骤a’42获取的多组声波信号进行处理，得到多组声波信号的频谱图，如图7所示；
步骤a’44：对步骤a’43中的多组频谱图进行对数正态分布拟合，得出钢绞线预应力σt与对数标准差σ之间的关系：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860。
步骤a’41中，在COMSOL Multiphysics仿真软件中建立有限元模型。
步骤a’41中的多组不同预应力分别为预应力设计值m的0％、20％、40％、60％和80％，对应应力比分别为0、0.2、0.4、0.6和0.8。
步骤a’41中，选取材料模型，根据建筑工程中预应力箱梁预制的实际情况设置相关材料的弹性模量、密度、泊松比。
本实施例中，选取的材料参数如表1所示。
表1：材料模型参数表。
步骤a’42中激发的低频应力波为5KHz。
步骤a’42中，第一测点A和第二测点B成180°布置在锚头的周侧面上，如图8所示。
步骤a’43包括如下步骤：
步骤a’431：将步骤a’42得到的各声波信号进行滤波处理，得到各不同预应力下的时域波形信号；其中，滤波处理中的低截止频率设置为100Hz，高截止频率设置为60KHz。
步骤a’432：将步骤a’431得到的各时域波形信号进行快速傅里叶变换，得到各不同预应力下的频谱图。
步骤a’44的和步骤a43相同，在此不再赘述。
提取实施例一的各应力比下的频谱图中的主频值和实施二中的各应力比下的频谱图的主频值，分别如表2和表3所示。主频值为幅度最大点的频率。
表2：实施例一的各应力比下的频谱图中的主频值
表3：实施例二的各应力比下的频谱图中的主频值
应力比 主频值(Hz)
0 5000
0.2 5500
0.4 7000
0.6 7000
0.8 7500
需要说明的是，为了提高实验准确率，为了减少误差，实施一在每个应力比下做了六组实验，即对锚头进行六次声波信息采集，最后取多组主频值的平均值。
如图9所示，实施例一和实施例二的主频值的数据变化曲线一致，主频值随着预应力的增加而增加，但当钢绞线预应力值达到其抗拉强度设计值的40％～60％时，主频值未发生改变，因此选取主频值作为衡量钢绞线预应力的特征参数有所缺陷。获取的频谱图进行进一步的研究分析，考虑到不同预应力下所得到的频谱图，其最大幅值会有较大的变化，从而会对数据处理产生一定的不利影响，因此首先对频谱图进行归一化处理，使最大幅值保持一致，然后对归一化后的频谱图进行对数正态分布拟合。从拟合的结果中发现，对数标准差σ随着钢绞线预应力值的增加而增加，利用对数标准差σ对钢绞线预应力进行检测，测量结果更加准确。
最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种桥梁锚下钢绞线预应力的检测方法，其特征在于，包括：
步骤a1：利用应力波激发设备和应力波接收设备对预应力钢绞线锚具的锚头进行声学特性检测，使应力波接收设备接收到声波信号；
步骤a2：将步骤a1中的声波信号进行处理，得到声波信号的频谱图；
步骤a3：对步骤a2中的频谱图进行对数正态分布拟合，得到拟合曲线的对数标准差σ；
步骤a4：将步骤a3的对数标准差σ代入公式：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860，得到待检测的钢绞线的预应力σt；
步骤a5：将步骤a4得到的预应力σt与钢绞线的预应力设计值m进行比较：
若σt≤m，则钢绞线预应力合格；
若σt＞m，则钢绞线预应力不合格；
步骤a1中，应力波激发设备的测点和应力波接收设备的测点成180°布置在锚头的周侧面上。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤a2包括如下步骤：
步骤a21：将声波信号采用快速傅里叶变换处理，得到声波信号的频谱图；
步骤a22：对步骤a21得到的频谱图进行归一化，得到归一化的频谱图。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：步骤a3中，对步骤a22得到归一化的频谱图进行对数正态分布拟合。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤a4中，获取公式σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860的步骤如下：
步骤a41：对钢绞线施加已知的多组不同的预应力，并获取钢绞线在每组预应力下的声波信号；
步骤a42：将步骤a41获取的多组声波信号进行处理，得到多组声波信号的频谱图；
步骤a43：对步骤a42中的多组频谱图进行对数正态分布拟合，得出钢绞线预应力σt与对数标准差σ之间的关系：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：步骤a41中，施加的多组不同预应力包括：施加的预应力达到预应力设计值m的0％、20％、40％、60％和80％，对应应力比分别为0、0.2、0.4、0.6和0.8。
6.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：步骤a42中包括如下步骤：
步骤a421：将步骤a41的多组声波信号分别采用快速傅里叶变换处理，得到多组声波信号的频谱图；
步骤a422：对步骤a421得到的多组频谱图进行归一化，得到多组归一化的频谱图。
7.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：步骤a43包括如下步骤：
步骤a431：利用公式：对步骤a42的多组频谱图分别进行对数正态分布拟合，得到多组拟合曲线，公式中，μ为对数均值，σ为对数标准差，x为横坐标，f(x)为纵坐标；
步骤a432：将多组拟合曲线的对数标准差σ与对应的应力比进行拟合，得到钢绞线预应力与对数标准差σ之间的关系式：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860。
8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤a4中包括如下步骤：
步骤a’41：在仿真软件中分别建立预应力钢绞线处在多组不同预应力时的有限元模型；
步骤a’42：在各有限元模型中的锚头周侧面第一测点A激发低频应力波,在第一测点A的对侧第二测点B接收应力波透射信号，得到各不同预应力下的声波信号；
步骤a’43：将步骤a’42获取的多组声波信号进行处理，得到多组声波信号的频谱图；
步骤a’44：对步骤a’43中的多组频谱图进行对数正态分布拟合，得出钢绞线预应力σt与对数标准差σ之间的关系：σt＝[0.867+0.113ln(σ-0.044)]*1860。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：步骤a’43包括如下步骤：
步骤a’431：将步骤a’42得到的各声波信号进行滤波处理，得到各不同预应力下的时域波形信号；
步骤a’432：将步骤a’431得到的各时域波形信号进行快速傅里叶变换，得到各不同预应力下的频谱图。
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