CN112097964B - 一种基于磁通量测试的螺纹钢筋预应力检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于磁通量测试的螺纹钢筋预应力检测装置及方法，本发明将磁通量传感器套在螺纹钢筋与锚固螺母外，磁化磁场环境内的螺纹钢筋及螺母，螺纹钢筋张拉受力后发生微小应变，引起传感器内的电势发生变化，对实际工程的螺纹钢筋通过分级张拉标定得到锚下张拉力、螺纹钢筋外露段长度及感应电势差的三参数关系模型。其特点是检测过程方便快捷，只需在张拉前测试初始感应电势，张拉完成后测试螺纹钢筋的外露长度及感应电势，基于锚下张拉力、螺纹钢外露长度及感应电势差的关系模型，即可推算出螺纹钢筋的锚下有效预应力。该测试方法属于无损检测技术，其检测结果精度高，受现场施工环境影响小，适用范围广等。

Description

一种基于磁通量测试的螺纹钢筋预应力检测装置及方法

技术领域

本发明涉及桥梁预应力检测技术领域，具体涉及一种利用磁通量测试的桥梁螺纹钢筋有效预应力的检测装置及方法。

背景技术

高强度螺纹钢筋由于其构造简单、施工操作方便，常作为预应力混凝土桥梁结构的预应力筋广泛应用于箱梁腹板中。但是，螺纹钢筋的预应力张拉施工中，由于张拉锚固过程中大部分是由施工人员手动拧紧锚固螺母，螺母与螺纹钢筋之间咬合的松紧程度和安装精度无法实现统一标准，因而有效预应力损失得不到准确控制，容易造成桥梁预应力不满足设计要求甚至失效，严重时将导致预应力混凝土箱梁出现腹板开裂等病害，对结构安全性产生不利影响。

针对实际工程中预应力不足的问题，亟需对螺纹钢筋张拉力开展有效检测，保证预应力张拉施工质量得到控制。目前已有的螺纹钢筋预应力检测方法主要有：接触式压力传感器测试法、振动频率法、超声波检测法、应变片测试法及拉脱法等。其中接触式压力传感器法通过在螺母与垫板间放置压力传感器直接测试有效预应力，虽然测试精度高但传感器造价昂贵，且张拉完成后只能永久埋入锚下不能反复利用，不适合进行大规模测试。振动频率法是通过对预应力筋外露段的固有频率进行测试，通过建立预应力筋外露段刚度与张拉力关系曲线，从而对有效预应力进行评估。但实际施工现场环境复杂，无关因素会对预应力筋的振动特性产生影响，导致测试结果与实际有效张拉力存在误差。超声波测试法是利用波速与张拉力的标定关系推算预应力，由于能量波在长预应力筋中损失较快，也不适合广泛性应用。应变片测试法是通过在钢筋表面粘贴应变片，根据应变推算预应力筋的张拉力值，由于其具体实施繁琐，一旦发生损坏将无法开展后续测试，且无法进行长期预应力值监测，只能对少数预应力筋进行标定试验。拉脱法是对预应力筋进行反向张拉，通过分析张拉力与延伸量的关系计算锚下有效预应力，其检测结果准确，适用于无粘结或未压浆前的预应力筋。对于有粘结筋需在压浆前48小时内进行检测，对检测时机要求相对严格，同时需保证预应力筋的反拉段具有足够的长度。

发明内容

为了解决上述螺纹钢筋预应力检测技术中测试结果误差大、操作繁琐及适用性不强的问题，本发明提出一种基于磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力的检测装置及方法，通过非接触式磁通量传感器磁化预应力筋，对磁场环境内螺纹钢筋张拉后引起的电势变化进行标定，基于螺纹钢筋外露段长度、张拉前后磁通量测试电势差与锚下预应力的关系模型，计算有效预应力值。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提出了一种基于磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力检测装置，包括磁通量传感器、压力传感器、第一钢垫板、第二钢垫板；

所述的压力传感器安装在螺纹钢筋上，在其顶面设有第一钢垫板，在其底面设有第二钢垫板；第一钢垫板、第二钢垫板与压力传感器接触面完全贴合，且三者间的接触面与螺纹钢筋保持垂直；在第一钢垫板的顶部设置磁通量传感器，磁通量传感器为一个空腔结构，且与螺纹钢筋配合的螺母能够完全放入该传感器内且不接触传感器内壁，磁通量传感器的高度要大于螺母高度；所述的磁通量传感器与磁弹仪相连。

作为进一步的技术方案，还包括张拉装置，所述的张拉装置为螺纹钢筋提供张拉力。

第二方面，本发明还提出了一种基于磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力检测方法，包括以下步骤：

步骤1：将螺纹钢筋的槽孔清理干净，将混凝土浮渣清除，保证槽孔平面与螺纹钢筋保持垂直；

步骤2：在槽孔面内安装所述磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力检测装置；

步骤3在钢垫板上顶面安装锚固螺母，将螺纹钢筋上的锚固螺母拧至与钢垫板贴合但不产生预紧力，将磁通量传感器放置在钢垫板上，使其完全套住锚固螺母及螺纹钢筋，调试测试系统，测试初始感应电势，记录螺纹钢筋外露长度；

步骤4：在实际工程现场进行螺纹钢筋预应力分级张拉，每级张拉力下分别记录锚下预应力、钢筋外露段长度及磁通量传感器测得的电势，基于螺纹钢筋的张拉过程实测结果标定锚下张拉力、螺纹钢筋外露段长度及感应电势差的关系模型；计算出螺纹钢筋的锚下有效预应力。

本发明的有益效果：

1.本发明中的一种基于磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力检测方法比较已有的检测方法，本发明所述的检测技术原理明确，将磁通量传感器套在螺纹钢筋与锚固螺母外，磁化磁场环境内的螺纹钢筋及螺母，螺纹钢筋张拉受力后发生微小应变，引起传感器内的电势发生变化，对实际工程的螺纹钢筋通过分级张拉标定得到锚下张拉力、螺纹钢筋外露段长度及感应电势差的三参数关系模型。其特点是检测过程方便快捷，只需在张拉前测试初始感应电势，张拉完成后测试螺纹钢筋的外露长度及感应电势，基于锚下张拉力、螺纹钢外露长度及感应电势差的关系模型，即可推算出螺纹钢筋的锚下有效预应力。该测试方法属于无损检测技术，其检测结果精度高，受现场施工环境影响小，适用范围广等。

2.本发明的一种基于磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力检测方法，采用非接触式磁通量测试系统，无需对被测预应力筋进行处理，不对原结构造成损伤，传感器可反复使用，设备维护成本低。利用磁通量采集仪可实时对张拉完成后的螺纹钢筋自动采集，设备抗干扰能力强，测试精度高。

3.本发明的一种基于磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力检测方法，通过对不同外露长度的螺纹钢筋开展张拉标定测试，得到考虑螺纹钢筋外露长度的锚下张拉力和测试感应电势差的三参数关系模型。利用该关系模型，在后续的螺纹钢筋预应力检测过程中，只需在张拉前测试初始感应电势，张拉完成后测试螺纹钢筋的外露长度及感应电势，即可计算螺纹钢筋的有效预应力，使得螺纹钢筋预应力检测过程更加方便快捷，有效控制预应力张拉施工质量，对保证结构安全起到重要作用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为步骤1、2磁通量传感器测试螺纹钢筋预应力过程示意；

图2为步骤2中螺纹钢筋张拉示意；

图3(a)-图3(f)为步骤3中考虑螺纹钢筋外露长度的锚下张拉力与磁通量电势差的关系示意；

图4为步骤3中基于螺纹钢筋外露段长度L、测试电势差ΔV与锚下预应力P的关系模型计算值与实测结果对比示意；

其中，1.预应力混凝土梁，2.螺纹钢筋，3.锚固螺母，4.磁通量传感器，5.底面钢垫板，6.压力传感器，7.顶面钢垫板，8.磁弹仪，9.张拉固定底座，10、千斤顶，11、工作垫板，12、工作螺母。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的螺纹钢筋有效预应力检测技术存在检测结果误差大、操作繁琐及适用性不强的问题结构受力不利。针对上述问题，本申请提出了一种基于磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力的检测方法，其特点是检测过程方便快捷，测试精度高，受现场施工环境影响小，适用范围广等。本发明所述的检测技术原理明确，将磁通量传感器套在螺纹钢筋与锚固螺母外侧，磁化磁场环境内的螺纹钢筋，螺纹钢筋张拉受力后发生微小应变，引起传感器内的电势发生变化，对实际工程的螺纹钢筋通过分级张拉标定得到锚下张拉力、螺纹钢筋外露段长度及感应电势差的三参数关系模型，确定螺纹钢筋的有效预应力值。该检测方法无需在现场进行繁琐操作，仅需在张拉前测试初始电势值，张拉结束后测试钢筋外露长度及锚固电势值，基于锚下张拉力、螺纹钢外露长度及感应电势差的关系模型，即可计算螺纹钢筋锚下有效预应力值。

实施例1

本实施例提出的基于磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力检测装置，如图1、图2所示，包括磁通量传感器4、压力传感器6、顶面钢垫板7、底面钢垫板5；压力传感器6安装在螺纹钢筋2上，在其顶面设有顶面钢垫板7，在其底面设有底面钢垫板5；顶面钢垫板7、底面钢垫板5与压力传感器接触面完全贴合，且三者间的接触面与螺纹钢筋保持垂直；在顶面钢垫板7的顶部设置磁通量传感器，磁通量传感器为一个空腔结构，且与螺纹钢筋配合的螺母能够完全放入该传感器内且不接触传感器内壁，磁通量传感器的高度要大于螺母高度；所述的磁通量传感器与磁弹仪8相连；压力传感器5与压力检测装置相连。

作为进一步的技术方案，还包括张拉装置，所述的张拉装置为螺纹钢筋提供张拉力，具体的如图2所示，包括张拉固定底座9，千斤顶10，工作垫板11、工作螺母12。张拉固定底座9固定在预应力混凝土梁1上，千斤顶10固定在螺纹钢筋的一端，施加拉力，且通过该端通过工作垫板11和工作螺母12固定。

本实施例提出的螺纹钢筋有效预应力检测装置采用非接触式磁通量测试系统，无需对被测预应力筋进行处理，不对原结构造成损伤，传感器可反复使用，设备维护成本低。利用磁通量采集仪可实时对张拉完成后的螺纹钢筋自动采集，设备抗干扰能力强，测试精度高。

实施例2

基于实施例1，本实施提出了一种检测方法，包括以下步骤：

步骤1的具体步骤为：

如图1所示，设计一种适用于螺纹钢筋预应力检测的磁通量测试系统设备，根据六边形截面对角距离设计磁通量传感器4内部空腔的内径，保证螺母3能够完全放入传感器4内且不接触传感器内壁。磁通量传感器4的高度要大于螺母3高度，保证整个螺母3及螺纹钢筋2在磁感环境内。

所述步骤2的具体步骤为：

如图1、图2所示，在实际工程现场预应力混凝土梁1进行螺纹钢筋预应力分级张拉，每级张拉力下分别记录锚下预应力、钢筋外露段长度及磁通量传感器测得的电势，基于螺纹钢筋2的张拉过程实测结果标定锚下张拉力、螺纹钢筋外露段长度及感应电势差的关系模型。

进一步的，在所述步骤2中，对张拉过程中的标定关系曲线过程的具体操作为：

1)首先将螺纹钢筋2的槽孔清理干净，将混凝土浮渣清除，保证槽孔平面与螺纹钢筋2保持垂直；

2)随后在槽孔面从下到上依次安装底面钢垫板5、锚下压力传感器6、顶面钢垫板7，保证顶面钢垫板5、底面钢垫板7与压力传感器6接触面完全贴合，同时保证三者间的接触面与螺纹钢筋2保持垂直，防止压力传感器6出现不均匀受力，影响测试精度；

3)在顶面钢垫板7上顶面安装锚固螺母3，将螺纹钢筋2上的锚固螺母3拧至与钢垫板7贴合但不产生预紧力。将磁通量传感器4放置在顶面钢垫板7上，使其完全套住锚固螺母3及螺纹钢筋2，调试测试系统8，测试初始感应电势，记录螺纹钢筋2外露长度；

4)取下磁通量传感器4，安装千斤顶10进行张拉，将设计张拉力位按照10等级逐级张拉，张拉至指定等级后将锚固螺母3拧至与钢垫板6完全贴合，卸载并用磁通量传感器4测试感应电势，同步采集压力传感器5力值及螺纹钢筋2外露长度，采集完成后继续下一级；

5)张拉至设计吨位、采集完成后卸载，取出槽孔内的压力传感器5，开展下一根螺纹钢筋2的标定测试。

所述步骤3的具体步骤为：

考虑钢筋2外露长度影响，建立螺纹钢筋外露段长度L、测试电势差ΔV与锚下预应力P的三参数关系模型。

对螺纹钢筋2标定结果进行拟合分析，得到如下三参数模型：

ΔV＝3.424-4.138L-0.909L²-0.047L³+0.062P

将螺纹钢筋外露段长度L、测试电势差ΔV与锚下预应力P的三参数关系模型计算值与实测结果进行对比，具体参见附图3(a)-图3(f)。结果显示，测试曲线实测结果与关系模型拟合结果吻合较好(相关系数R＝0.971)，验证了三参数模型的准确性和有效性。

所述步骤4的具体步骤为：

开展基于磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力检测，基于螺纹钢筋外露段长度L、测试电势差ΔV与锚下预应力P的三参数关系模型，在张拉前测试初始感应电势，张拉完成后测试螺纹钢筋的外露长度及感应电势，计算出螺纹钢筋的锚下有效预应力。

本发明提出的螺纹钢筋预应力检测装置及方法，克服了传统方法测试结果误差大、操作繁琐及适用性不强的问题，采用非接触式磁通量测试系统，无需对被测预应力筋进行处理，不对原结构造成损伤，传感器可反复使用，设备维护成本低，抗干扰能力强，测试精度高。通过对不同外露长度的螺纹钢筋开展张拉标定测试，得到考虑螺纹钢筋外露长度的锚下张拉力和测试感应电势差的三参数关系模型。利用该关系模型，在后续的螺纹钢筋预应力检测过程中，只需在张拉前测试初始感应电势，张拉完成后测试螺纹钢筋的外露长度及感应电势，即可计算螺纹钢筋的有效预应力，使得螺纹钢筋预应力检测过程更加方便快捷，有效控制预应力张拉施工质量，对保证结构安全起到重要作用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种基于磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力的检测方法，其特征在于，包括螺纹钢筋有效预应力检测装置，该检测装置包括磁通量传感器、压力传感器、第一钢垫板、第二钢垫板和磁弹仪；

压力传感器安装在螺纹钢筋上，在其顶面设有第一钢垫板，在其底面设有第二钢垫板；第一钢垫板、第二钢垫板与压力传感器接触面完全贴合，且三者间的接触面与螺纹钢筋保持垂直；在第一钢垫板的顶部设置磁通量传感器，磁通量传感器为一个空腔结构，且与螺纹钢筋配合的螺母能够完全放入该传感器内且不接触传感器内壁，磁通量传感器的高度大于螺母高度，磁通量传感器与磁弹仪相连；

检测方法的具体步骤为：

步骤1：将螺纹钢筋的槽孔清理干净，保证槽孔平面与螺纹钢筋保持垂直；在槽孔面内安装所述的磁通量测试的螺纹钢筋有效预应力检测装置，正式测试前，调试测试系统，测试初始感应电势，记录螺纹钢筋外露长度；

步骤2：在实际工程现场进行螺纹钢筋预应力分级张拉，每级张拉力下分别记录锚下预应力、钢筋外露段长度及磁通量传感器测得的电势，基于螺纹钢筋的张拉过程实测结果标定锚下张拉力、螺纹钢筋外露段长度及感应电势差的关系模型；计算出螺纹钢筋的锚下有效预应力；

步骤2中张拉的过程如下：取下磁通量传感器，安装千斤顶进行张拉，将设计张拉力按照10等级逐级张拉，张拉至指定等级后将锚固螺母拧至与第一钢垫板完全贴合，卸载并用磁通量传感器测试感应电势，同步采集压力传感器力值及螺纹钢筋外露长度，采集完成后继续下一级，所述的关系模型：

ΔV＝3.424-4.138L-0.909L²-0.047L³+0.062P

其中：ΔV为测试电势差，L为螺纹钢筋外露段长度、P锚下预应力。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，第一钢垫板、压力传感器、第二钢垫板的安装过程如下：在槽孔面从下到上依次安装第二钢垫板、压力传感器、第一钢垫板，保证第一钢垫板、第二钢垫板与压力传感器接触面完全贴合，同时保证三者间的接触面与螺纹钢筋保持垂直。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，磁通量传感器的安装过程：在第一钢垫板上顶面安装锚固螺母，将螺纹钢筋上的锚固螺母拧至与两个钢垫板与压力传感器贴合但不产生预紧力，将磁通量传感器放置在第一钢垫板上，使其完全套住锚固螺母及螺纹钢筋。

4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤2中，张拉至设计吨位、采集完成后卸载，取出槽孔内的压力传感器，开展下一根螺纹钢筋的标定测试。

Images