CN112483127A - 基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，包括压电预应力构件、压电发电装置、储能电路、B组应力传感器、预应力监控系统和控制中心，该控制中心与压电预应力构件、压电发电装置、储能电路、B组应力传感器和预应力监控系统相连；压电发电装置将隧道路面产生的机械能转化为电能并储存于储能电路，储能电路储存电能并将其储电量传输至控制中心；B组应力传感器将检测的压电预应力构件预应力大小传输至预应力监控系统和控制中心；控制中心根据检测的预应力大小和储电量通过储能电路供电控制压电预应力构件两端电压调整压电预应力构件的预应力大小。本发明通过对压电预应力构件两端电压的控制，实现对预应力大小的智能化调节。

Description

基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统
技术领域
本发明涉及混凝土衬砌，尤其涉及一种基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统。
背景技术
隧道结构作为穿越山区和江河湖海的重要交通组成部分，在公路交通发展中扮演着越来越不可替代的角色。预应力技术作为一种成熟的工程技术，已经广泛应用土木工程各个领域，而将预应力技术应用于隧道混凝土衬砌的研究和实践也越来越多。
同时，随着预应力技术在土木工程中的广泛应用，其由于自身结构特性、材料特性、制造工艺等而产生的工程缺陷就逐渐显现出来。首先，由于生产工艺、材料特性等原因，预应力筋的应力值从张拉、锚固到安装使用的整个过程中都在不断降低。这种预应力钢筋的预应力损失来源具体包括：(1)锚具变形和预应力内缩引起的预应力损失；(2)预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失；(3)混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失；(4)预应力筋松弛引起的预应力损失；(5)混凝土收缩和徐变引起的预应力损失；(6)混凝土局部挤压引起的预应力损失等六项损失。预应力损失现象的出现导致预应力钢筋中的应力值不断降低，随着时间的推移会危害结构的安全。虽然设计阶段设计人员会根据预应力损失设置一定的安全系数，但是使用过程中由于荷载的变化，可能会导致预应力过大或过小，从而导致结构的不利变形，影响结构安全。
综上所述现有的预应力技术由于材料、张拉工艺等技术限制，其预应力荷载都是一次成型的，在不计损失的情况下是不可以改变的，并不具备应对外界环境的自适应能力。换言之，就是不能根据实际需求的变化而自我调节。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种可调节预应力大小增强结构自适应能力的的基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，包括位于隧道混凝土衬砌内可调节预应力大小的压电预应力构件、位于隧道路面上将隧道路面产生的机械能转化为电能的压电发电装置、用于储存电能的储能电路、用于检测压电预应力构件预应力大小的B组应力传感器、与B组应力传感器相连用于监控压电预应力构件预应力大小的预应力监控系统和控制中心，该控制中心与压电预应力构件、压电发电装置、储能电路、B组应力传感器和预应力监控系统相连；压电发电装置将隧道路面产生的机械能转化为电能并储存于储能电路，储能电路储存电能并将其储电量传输至控制中心；B组应力传感器将检测的压电预应力构件预应力大小传输至预应力监控系统，预应力监控系统将预应力大小反馈至控制中心；控制中心根据检测的预应力大小和储电量通过储能电路供电控制压电预应力构件两端电压调整压电预应力构件的预应力大小。
其中，还包括位于压电预应力构件两端用于控制压电预应力构件两端电压的放电装置，控制中心通过放电装置控制压电预应力构件两端的电压。
优选的，还包括与储能电路相连用于监控储能电路储电量的电量监控系统以及与储能电路相连接的外电网，电量监控系统将储电量传输至控制中心，当控制中心判定储电量不足时控制储能电路从外电网输电。
再者，所述储能电路包括蓄电池和变压器，压电发电装置通过变压器与蓄电池相连充电，蓄电池通过变压器与放电装置相连放电，且蓄电池与外电网连接充电。
进一步，还包括用于检测隧道混凝土受拉区域受拉应力的A组应力传感器以及与A组应力传感器相连用于监控受拉区域受拉应力的抗裂监控系统，A组应力传感器和抗裂监控系统分别与控制中心相连，A组应力传感器检测的受拉区域的受拉应力传输至抗裂监控系统，抗裂监控系统将受拉应力反馈至控制中心，控制中心根据检测的预应力大小和受拉应力改变压电预应力构件两端电势差调整压电预应力构件的预应力和混凝土受拉区域受拉应力。
优选的，所述A组应力传感器包括三个应力传感器，分别位于衬砌的顶面和两侧。
再者，所述A组应力传感器检测隧道混凝土受拉区域受拉应力为σfd，B组应力传感器检测压电预应力构件预应力为σcond，其中σlf≥σfd-σcond，σlf为衬砌混凝土抗拉强度值。
进一步，所述压电发电装置包括设置于隧道路面结构内的若干压电材料，且压电材料通过变压器与储能电路相连。
优选的，所述B组应力传感器包括五个应力传感器，分别位于压电预应力构件的两端、衬砌两侧和中点处。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：首先本发明采用压电预应力构件代替预应力混凝土中的预应力钢筋材料，不仅可以有效避免锈蚀问题，还可以根据逆压电效应，通过对压电预应力构件两端电压的控制，实现对预应力大小的智能化调节，有效增强了预应力混凝土结构对环境和荷载的适应性；同时将压电材料应用于隧道路面结构中，将机械能转化为所需电能，并辅助以外电供给，节能环保；其次本发明当检测出蓄电池储电量不足以提供压电预应力构件两端所需的电压时，控制中心控制蓄电池从外电网输电，从而保证压电预应力构件1上的预应力始终可控；再者本发明通过B组应力传感器读取即时预应力大小，通过A组应力传感器读取混凝土衬砌受拉区域拉应力，再利用控制中心调节压电预应力构件的预应力以避免压电预应力构件的预应力过大和保证混凝土衬砌受拉区域拉应力在允许值内；最后本发明具有安全可靠、节能环保、智能化等特点，能够实现隧道衬砌结构使用过程中对于结构体系的健康监控和预应力调整，从而增强隧道衬砌结构的耐久性和安全性；能够根据环境及外荷载变化对预应力大小进行调整，从根本上避免了隧道衬砌裂缝病害的发生，增强了结构的耐久性；还可保证了隧道运营过程的安全性和独立性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中储能电路的示意图；
图3为本发明的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和图3所示，本发明一种基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，包括压电预应力构件1、压电发电装置2、储能电路3、B组应力传感器4、预应力监控系统5、控制中心6、放电装置7、电量监控系统8、A组应力传感器10和抗裂监控系统11。
压电预应力构件1位于隧道混凝土衬砌内，以代替原预应力混凝土衬砌的预应力钢筋；压电预应力构件1由压电材料制成，根据逆压电效应原理可控制压电预应力构件1上的预应力大小。本发明在逆压电效应原理的基础上提出了关于压电预应力构件在应力需求条件下对应的两端电位移加载工程经验公式，即：
T＝K1K2K3K4K5K6emjEj
其中，K1——摩阻力损失系数；K2——锚具变形损失系数；K3——温差效应系数；K4——混凝土预应力效应作用下的压缩影响系数；K5——压电材料自身应力损失系数；K6——混凝土长期荷载作用下收缩、徐变影响系数；T——压电预应力构件的预应力σcomd；emj——压电常数；Ej——外加电场。
压电发电装置2位于隧道路面上将隧道路面产生的机械能转化为电能，压电发电装置2设置于隧道路面结构内的若干压电材料，压电材料通过变压器与储能电路3相连，且与放电装置4相连；压电发电装置2由压电材料制成，根据正压电效应原理将所受机械能转化为电能并储存于储能电路3中。本发明在预应力混凝土衬砌和隧道路面结构的基础上，利用压电材料的正、逆压电效应实现了混凝土衬砌的预应力调节和电能采集。对于预应力混凝土衬砌而言，压电材料制成的压电预应力构件在衬砌中的布置位置与原预应力钢筋并无差别，只是材料上的替换。而压电发电装置，布置于隧道路面结构中，利用正压电效应将车辆活载等产生的机械能转化为电能，以此来满足预应力调整的电量需求。大量适应性实验表明，压电材料的工程强度、应力强度略低于普通预应力钢筋，但完全满足工程建设的需要，并且压电材料和混凝土这两种力学性能不同的材料能够有效地结合在一起工作。在外部荷载的作用下，由于压电材料与混凝土之间有着良好的粘结特性，保证了两者能够可靠的结合成一个整体，完成预应力混凝土衬砌所需的结构功能。压电材料种类繁多，选取温度膨胀系数与混凝土温度膨胀系数接近的压电材料取代原预应力钢筋可以保证当温度变化时，不致产生较大的温度应力而破坏两者之间的粘结；同时，压电材料不像钢筋一样容易锈蚀，可以有效避免锈蚀产生的裂缝问题，增加结构的耐久性。
为了避免供电不足而导致预应力调整不到位，储能电路3包括蓄电池及变压器，压电发电装置2通过变压器与蓄电池相连并为其充电，蓄电池通过变压器与放电装置4相连放电，且蓄电池与外界电网相连充电。
B组应力传感器4用于检测压电预应力构件预应力大小，B组应力传感器4包括五个应力传感器，分别位于压电预应力构件的两端、衬砌两侧和中点处。预应力监控系统5与B组应力传感器相连用于监控压电预应力构件预应力大小。
如图2和图3所示，本发明的控制中心6与压电预应力构件1、压电发电装置2、储能电路3、B组应力传感器4和预应力监控系统5相连；压电发电装置2将隧道路面产生的机械能转化为电能并储存于储能电路3，储能电路3储存电能并将其储电量传输至控制中心6；B组应力传感器4将检测的压电预应力构件预应力大小传输至预应力监控系统5，预应力监控系统5将预应力大小反馈至控制中心6；控制中心6根据检测的预应力大小和储电量通过储能电路3供电控制压电预应力构件1两端电压调整压电预应力构件的预应力大小。
放电装置7位于压电预应力构件1的两端，放电装置7用于控制压电预应力构件1两端的电压，放电装置7可选用可调变压器，控制中心6通过放电装置7控制压电预应力构件1两端的电压。控制中心通过放电装置控制压电预应力构件1两端的电压来调整压电预应力构件上的预应力大小，从而确保混凝土衬砌受拉区域的拉应力在允许范围内。
电量监控系统8与储能电路3相连用于监控储能电路储电量，储能电路与外电网相连接，电量监控系统8将储电量传输至控制中心6，当控制中心判定储电量不足时控制储能电路从外电网输电。本发明当检测出蓄电池储电量不足以提供压电预应力构件两端所需的电压时，控制中心控制蓄电池从外电网输电，从而保证压电预应力构件1上的预应力始终可控。
A组应力传感器10用于检测隧道混凝土受拉区域受拉应力，A组应力传感器10包括三个应力传感器，分别位于衬砌的顶面和两侧。抗裂监控系统11与A组应力传感器相连用于监控受拉区域受拉应力，A组应力传感器10和抗裂监控系统11分别与控制中心相连，A组应力传感器10检测的受拉区域的受拉应力传输至抗裂监控系统11，抗裂监控系统11将受拉应力反馈至控制中心，控制中心6根据检测的预应力大小和受拉应力改变压电预应力构件1两端电势差调整压电预应力构件的预应力和混凝土受拉区域受拉应力。
本发明的理想状态为，衬砌受拉边缘允许出现的拉应力小于裂缝产生所需的拉应力，这样隧道衬砌不会出现裂缝，隧道结构的耐久性得到了保障。其中A组应力传感器10检测隧道混凝土受拉区域受拉应力为σfd，B组应力传感器4检测压电预应力构件预应力为σcond，其中理想结构状态为σlf≥σfd-σcond，σlf为衬砌混凝土抗拉强度值。
为了实现整体系统的宏观调控，从而保证隧道衬砌处于理想受力状态及电能供给平衡，所述控制中心与电量监控系统、抗裂监控系统及预应力监控系统相连，用于接收所反馈的储能电路的储存电量、混凝土衬砌受拉区域拉应力及压电预应力构件上预应力大小。
当本发明的隧道衬砌系统投入工作使用阶段后，隧道监控系统开始工作。当A组应力传感器检测到混凝土衬砌受拉区域拉应力逐步增大并有促使受拉区域开裂的趋势时，A组应力传感器将应力数据反馈至控制中心，控制中心通过放电装置改变压电预应力构件两端的电势差从而调节预应力大小；调节过程中，通过B组应力传感器读取即时预应力大小，通过A组应力传感器读取混凝土衬砌受拉区域拉应力，以避免压电预应力构件的预应力过大和保证混凝土衬砌受拉区域拉应力在允许值内。在全运营过程中，电量监控系统对蓄电池电量进行实时监控，当检测到蓄电池储电量不足以满足压电预应力构件的用电需求时，控制中心将外电网连入系统，为蓄电池进行充电。本发明通过控制中心接收混凝土受拉区域的受拉应力、预应力大小和蓄电池储电量，并可对预应力大小、供电需求进行调控。本发明的电量监控系统、抗裂监控系统及预应力监控系统是为了满足隧道运营阶段监控人员对衬砌结构应力状态的监控需求，从而实现压电发电装置与压电预应力构件电能供给的相对平衡以及隧道整体的安全监控。

Claims (9)

1.一种基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，其特征在于：包括位于隧道混凝土衬砌内可调节预应力大小的压电预应力构件(1)、位于隧道路面上将隧道路面产生的机械能转化为电能的压电发电装置(2)、用于储存电能的储能电路(3)、用于检测压电预应力构件预应力大小的B组应力传感器(4)、与B组应力传感器相连用于监控压电预应力构件预应力大小的预应力监控系统(5)和控制中心(6)，该控制中心(6)与压电预应力构件(1)、压电发电装置(2)、储能电路(3)、B组应力传感器(4)和预应力监控系统(5)相连；压电发电装置(2)将隧道路面产生的机械能转化为电能并储存于储能电路(3)，储能电路(3)储存电能并将其储电量传输至控制中心(6)；B组应力传感器(4)将检测的压电预应力构件预应力大小传输至预应力监控系统(5)，预应力监控系统(5)将预应力大小反馈至控制中心(6)；控制中心(6)根据检测的预应力大小和储电量通过储能电路(3)供电控制压电预应力构件(1)两端电压调整压电预应力构件的预应力大小。
2.根据权利要求1所述的基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，其特征在于：还包括位于压电预应力构件两端用于控制压电预应力构件两端电压的放电装置(7)，控制中心(6)通过放电装置(7)控制压电预应力构件(1)两端的电压。
3.根据权利要求1所述的基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，其特征在于：还包括与储能电路(3)相连用于监控储能电路储电量的电量监控系统(8)以及与储能电路相连接的外电网(9)，电量监控系统(8)将储电量传输至控制中心(6)，当控制中心判定储电量不足时控制储能电路从外电网输电。
4.根据权利要求3所述的基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，其特征在于：所述储能电路(3)包括蓄电池和变压器，压电发电装置通过变压器与蓄电池相连充电，蓄电池通过变压器与放电装置相连放电，且蓄电池与外电网连接充电。
5.根据权利要求1所述的基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，其特征在于：还包括用于检测隧道混凝土受拉区域受拉应力的A组应力传感器(10)以及与A组应力传感器相连用于监控受拉区域受拉应力的抗裂监控系统(11)，A组应力传感器(10)和抗裂监控系统(11)分别与控制中心相连，A组应力传感器(10)检测的受拉区域的受拉应力传输至抗裂监控系统(11)，抗裂监控系统(11)将受拉应力反馈至控制中心，控制中心(6)根据检测的预应力大小和受拉应力改变压电预应力构件(1)两端电势差调整压电预应力构件的预应力和混凝土受拉区域受拉应力。
6.根据权利要求5所述的基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，其特征在于：所述A组应力传感器(10)包括三个应力传感器，分别位于衬砌的顶面和两侧。
7.根据权利要求5所述的基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，其特征在于：所述A组应力传感器(10)检测隧道混凝土受拉区域受拉应力为σfd，B组应力传感器(4)检测压电预应力构件预应力为σcond，其中σlf≥σfd-σcond，σlf为衬砌混凝土抗拉强度值。
8.根据权利要求1所述的基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，其特征在于：所述压电发电装置(2)包括设置于隧道路面结构内的若干压电材料，且压电材料通过变压器与储能电路(3)相连。
9.根据权利要求1所述的基于压电材料的智能预应力隧道混凝土衬砌系统，其特征在于：所述B组应力传感器(4)包括五个应力传感器，分别位于压电预应力构件的两端、衬砌两侧和中点处。
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