CN113074847B - 一种基于电阻应变效应的在役结构预应力检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及预应力检测技术领域，具体涉及一种基于电阻应变效应的在役结构预应力检测方法，包括：获取预应力混凝土结构的预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率；根据预应力钢绞线的电阻率及其设计长度和在设计张力下的应变计算预应力钢绞线的原始电阻；测量预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻；根据预应力钢绞线的原始电阻、在有效预应力下的实际电阻，以及电阻和应变、应变和应力的对应关系计算预应力钢绞线的有效预应力。本发明中基于预应力钢绞线电阻应变效应的在役结构预应力检测方法，能够实现在役预应力混凝土结构的有效预应力无损检测，并能够保证预应力的检测精度。

Description

一种基于电阻应变效应的在役结构预应力检测方法
技术领域
本发明涉及预应力检测技术领域，具体涉及一种基于电阻应变效应的在役结构预应力检测方法。
背景技术
在土木工程领域，预应力混凝土结构已得到广泛应用。其中，预应力钢绞线是预应力混凝土结构的关键受力构件，其健康状况直接影响结构的耐久性和安全性。在桥梁施工和运营阶段，受材料性能、施工状况和环境条件等因素的影响，预应力混凝土结构会产生预应力损失，使结构预应力水平降低和预应力不均匀分布，影响结构的工作性能。一旦预应力混凝土结构预应力失效，将给结构带来巨大的安全隐患。因此，为掌握预应力混凝土结构的工作性能，需对在役结构预应力钢绞线的有效预应力(即当前拉力或张力下的预应力)进行检测。
现有的钢绞线有效预应力为检测方法可分为有损检测方法和无损检测方法。
有损检测方法主要包括应力释放法和SSRHT法。应力释放法是通过切割被测构件以获取其相对应力变化，该方法虽已应用于实际结构的应力检测，但切割预应力钢绞线对原结构损伤大，因此其应用受到了限制。SSRHT法同样需局部破损原结构以获取预应力混凝土结构中预应力钢绞线的有效预应力，但该方法会损伤原结构且检测过程复杂、成本高。
无损检测方法主要包括声发射法、超声波法、动力刚度法等。声发射法属于被动检测方法，难以对大型结构的有效预应力进行主动检测。超声波法利用声弹性效应对钢绞线有效预应力进行检测，由于体内预应力钢绞线被灌浆材料包裹，超声波衰减迅速且信噪比低，尚处于探索使其。动力刚度法利用结构刚度与振动频率的关系检测结构有效预应力，但关于振动频率与有效预应力的相关性目前尚未形成一致意见。
综上所述，虽然目前针对结构有效预应力检测的研究较多，但提出的检测方法大部分都不适用于在役结构，而少数可用于在役结构有效预应力检测的方法又存在精度低、成本高、信噪比低等问题。但是，申请人在实际研究中发现，预应力钢绞线为金属导体，而金属导体的电阻会在所受变形以及温度的响下改变(电阻应变效应)。因此，申请人做了以下设想：保持温度及其他条件不变，在预应力钢绞线的有效应力发生变化时，其轴向长度和横截面积会改变，进而导致预应力钢绞线的电阻发生改变，那么便能够根据预应力钢绞线变化后的电阻计算出有效预应力大小。正是基于上述研究和设想，申请人进一步设计了一种基于预应力钢绞线电阻应变效应的在役结构预应力检测方法。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种基于预应力钢绞线电阻应变效应的在役结构预应力检测方法，从而能够实现在役预应力混凝土结构的有效预应力无损检测，并能够保证预应力的检测精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于电阻应变效应的在役结构预应力检测方法，包括以下步骤：
S01：获取预应力混凝土结构的预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率；
S02：根据预应力钢绞线的电阻率及其设计长度和在设计张力下的应变计算预应力钢绞线的原始电阻；
S03：测量预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻；
S04：根据预应力钢绞线的原始电阻、在有效预应力下的实际电阻，以及电阻和应变、应变和应力的对应关系计算预应力钢绞线的有效预应力。
优选的，步骤S04中，通过如下公式表示电阻和应变的对应关系，并对应计算预应力钢绞线在有效预应力下的应变：
Figure BDA0002995129440000021
式中：εcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的应变；RcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻；Rc表示预应力钢绞线的原始电阻；ν表示预应力钢绞线的材料泊松比。
优选的，步骤S04中，通过如下公式表示应变和应力的对应关系，并对应计算预应力钢绞线的有效预应力：
Figure BDA0002995129440000022
式中：σcT表示预应力钢绞线的有效预应力；εcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的应变；E表示预应力钢绞线的材料杨氏弹性模量；σ0.2表示非比例延伸强度，即塑性应变为0.2％时的应力；n表示预应力钢绞线的材料硬化指数。
优选的，步骤S02中，通过如下公式计算预应力钢绞线的原始电阻：
Figure BDA0002995129440000023
式中：Rc表示预应力钢绞线的原始电阻；ρcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率；lcd表示预应力钢绞线的设计长度；rc表示预应力钢绞线中心钢丝的截面半径；εcd表示预应力钢绞线在设计张力下的应变。
优选的，步骤S01中，通过如下步骤获取预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率：
S11：清除预应力混凝土结构锚头处的封锚用混凝土，并露出锚头处的预留钢绞线；
S12：通过四端法测量预留钢绞线两端部之间的测量电阻；
S13：根据预留钢绞线的测量电阻及其长度和截面积计算对应的电阻率作为预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率。
优选的，步骤S03中，通过四端法测量预应力钢绞线两端部之间的电阻作为预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻。
优选的，四端法是指通过电阻测试装置测量被测钢绞线的电阻；所述电阻测试装置包括相互串联设置且测量时与被测钢绞线串联形成电流通路的恒源电流电源和电流表，以及测量时与被测钢绞线连通且与所述恒源电流电源和所述电流表并联设置的电压表。
本发明中的在役结构预应力检测方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明中，根据原始电阻、有效预应力下的实际电阻以及电阻和应变、应变和应力的对应关系计算有效预应力，其中原始电阻和实际电阻均能够测量和计算在役预应力混凝土结构的相关参数来获取，同时申请人根据实际研究获取了电阻和应变、应变和应力的对应关系，从而能够实现在役预应力混凝土结构的有效应力检测。
2、本发明中，由于申请人研究发现了预应力钢绞线的有效应力发生变化时，其轴向长度和横截面积会改变，进而导致其电阻发生改变，因此通过预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻能够准确的计算有效应力。
3、本发明中，测量计算原始电阻和有效预应力下的实际电阻时不需要损伤和破坏预应力混凝土结构，从而能够实现在役预应力混凝土结构的有效预应力无损检测。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例一中预应力检测方法的逻辑框图；
图2为实施例一中测量预留钢绞线测量电阻时的示意图；
图3为实施例一中测量预应力钢绞线实际电阻时的示意图；
图4为实施例二中电阻测试装置的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例一：
本实施例中公开了一种基于电阻应变效应的在役结构预应力检测方法。
如图1和图2所示，一种基于电阻应变效应的在役结构预应力检测方法，包括以下步骤：
S01：获取预应力混凝土结构的预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率；
S02：根据预应力钢绞线的电阻率及其设计长度和在设计张力下的应变计算预应力钢绞线的原始电阻；
S03：测量预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻；
S04：根据预应力钢绞线的原始电阻、在有效预应力下的实际电阻，以及电阻和应变、应变和应力的对应关系计算预应力钢绞线的有效预应力。具体的，预应力钢绞线的设计长度、在设计张力下的应变、设计预应力、材料泊松比、材料杨氏弹性模量和材料硬化指数均在设计时测量，因此视为已知值。
本发明中，根据原始电阻、有效预应力下的实际电阻以及电阻和应变、应变和应力的对应关系计算有效预应力，其中原始电阻和实际电阻均能够测量和计算在役预应力混凝土结构的相关参数来获取，同时申请人根据实际研究获取了电阻和应变、应变和应力的对应关系，从而能够实现在役预应力混凝土结构的有效应力检测。其次，由于申请人研究发现了预应力钢绞线的有效应力发生变化时，其轴向长度和横截面积会改变，进而导致其电阻发生改变，因此通过预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻能够准确的计算有效应力。进一步的，测量计算原始电阻和有效预应力下的实际电阻时不需要损伤和破坏预应力混凝土结构，从而能够实现在役预应力混凝土结构的有效预应力无损检测。
具体实施过程中，通过如下公式表示电阻和应变的对应关系，并对应计算预应力钢绞线在有效预应力下的应变：
Figure BDA0002995129440000041
式中：εcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的应变；RcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻；Rc表示预应力钢绞线的原始电阻；ν表示预应力钢绞线的材料泊松比。
具体的，通过如下公式推演电阻和应变的对应关系：
Figure BDA0002995129440000042
式中：lcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的长度；AcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的截面积。
并且结合以下公式完成推演：
Figure BDA0002995129440000043
式中：rc表示预应力钢绞线中心钢丝的截面半径；lc表示预应力钢绞线中心钢丝的长度；ν表示预应力钢绞线的材料泊松比。本发明中，申请人根据实际研究推演得到了电阻和应变的对应关系，使得能够准确的计算得到预应力钢绞线在有效预应力下的应变，从而能够辅助提升在役预应力混凝土结构的有效应力检测准确性。
具体实施过程中，通过如下公式表示应变和应力的对应关系，并对应计算预应力钢绞线的有效预应力：
Figure BDA0002995129440000051
式中：σcT表示预应力钢绞线的有效预应力；εcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的应变；E表示预应力钢绞线的材料杨氏弹性模量；σ0.2表示非比例延伸强度，即塑性应变为0.2％时的应力；n表示预应力钢绞线的材料硬化指数。
具体的，通过如下公式推演应变和应力的对应关系：
Figure BDA0002995129440000052
式中：σc表示预应力钢绞线的预应力；Fc表示预应力钢绞线的中心拉力；Ac表示预应力钢绞线的截面积。
并且结合以下公式完成推演：
Figure BDA0002995129440000053
式中：Fc表示预应力钢绞线中心钢丝的拉力；Ac表示预应力钢绞线中心钢丝的截面积；F表示预应力钢绞线的拉力；Ah表示预应力钢绞线的截面积；β表示预应力钢绞线的辐射角，对于1x7的预应力钢绞线而言，其β为8°36′。预应力钢绞线是由多根钢丝扭绞而成，为简化计算，本实施例以预应力钢绞线的中心钢丝为对象。本发明中，申请人根据实际研究推演得到了应变和应力的对应关系，使得能够准确的计算得到预应力钢绞线的有效预应力，从而能够提升在役预应力混凝土结构的有效应力检测准确性。
具体实施过程中，通过如下公式计算预应力钢绞线的原始电阻：
Figure BDA0002995129440000054
式中：Rc表示预应力钢绞线的原始电阻；ρcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率；lcd表示预应力钢绞线的设计长度；rc表示预应力钢绞线中心钢丝的截面半径；εcd表示预应力钢绞线在设计张力下的应变。
具体的，通过如下公式推演原始电阻的计算公式：
Figure BDA0002995129440000055
式中：Acd表示预应力钢绞线在设计张力下的截面积；Rcd表示预应力钢绞线在设计张力下的电阻；ν表示预应力钢绞线的材料泊松比。本发明中，申请人根据实际研究推演得到了原始电阻的计算公式，其能够准确的计算得到预应力钢绞线的原始电阻的，从而能够辅助提升在役预应力混凝土结构的有效应力检测准确性。
具体实施过程中，结合图2所示，通过如下步骤获取预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率：
S11：清除预应力混凝土结构锚头处的封锚用混凝土，并露出锚头处的预留钢绞线；
S12：通过四端法测量预留钢绞线两端部之间的测量电阻；
S13：根据预留钢绞线的测量电阻及其长度和截面积计算对应的电阻率作为预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率。
本发明中，通过测量锚头处预留钢绞线的测量电阻计算得到预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率，而清除锚头处的封锚用混凝土不会对预应力混凝土结构造成损伤和破坏，即能够辅助实现在役预应力混凝土结构的有效预应力无损检测。其次，采用四端法测量预留钢绞线两端部之间的测量电阻，可以排除导线电阻和接触电阻的影响，即能够保证测量电阻的测量精度，从而能够辅助提升预应力的检测精度。
具体实施过程中，如图3所示，通过四端法测量预应力钢绞线两端部之间的电阻作为预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻。本发明中，采用四端法测量预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻，可以排除导线电阻和接触电阻的影响，即能够保证实际电阻的测量精度，从而能够辅助提升预应力的检测精度。
实施例二：
本实施例在实施例一的基础上，公开了一种实现四端法测量电阻的电阻测试装置。
本实施例中的电阻测试装置用于实现四端法测量电阻。结合图4所示，电阻测试装置包括相互串联设置且测量时与被测钢绞线串联形成电流通路的恒源电流电源和电流表，以及测量时与被测钢绞线连通且与所述恒源电流电源和所述电流表并联设置的电压表。具体的，被测钢绞线上电压表的接线端应在电流表的接线端内侧。结合图2和图3所示，恒源电流电源、电流表和电压表均通过导线与被测钢绞线连通。
本发明中，能够通过上述电阻测试装置实现四端法测量电阻，进而能够很好的测量预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻，可以排除导线电阻和接触电阻的影响，即能够保证实际电阻的测量精度，从而能够辅助提升预应力的检测精度。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (4)

1.一种基于电阻应变效应的在役结构预应力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：获取预应力混凝土结构的预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率；
S02：根据预应力钢绞线的电阻率及其设计长度和在设计张力下的应变计算预应力钢绞线的原始电阻；
通过如下公式计算预应力钢绞线的原始电阻：
Figure FDA0003759459230000011
式中：Rc表示预应力钢绞线的原始电阻；ρcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率；lcd表示预应力钢绞线的设计长度；rc表示预应力钢绞线中心钢丝的截面半径；εcd表示预应力钢绞线在设计张力下的应变；
S03：测量预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻；
S04：根据预应力钢绞线的原始电阻、在有效预应力下的实际电阻，以及电阻和应变、应变和应力的对应关系计算预应力钢绞线的有效预应力；
通过如下公式表示电阻和应变的对应关系，并对应计算预应力钢绞线在有效预应力下的应变：
Figure FDA0003759459230000012
式中：εcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的应变；RcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻；Rc表示预应力钢绞线的原始电阻；ν表示预应力钢绞线的材料泊松比；
通过如下公式表示应变和应力的对应关系，并对应计算预应力钢绞线的有效预应力：
Figure FDA0003759459230000013
式中：σcT表示预应力钢绞线的有效预应力；εcT表示预应力钢绞线在有效预应力下的应变；E表示预应力钢绞线的材料杨氏弹性模量；σ0.2表示非比例延伸强度，即塑性应变为0.2％时的应力；n表示预应力钢绞线的材料硬化指数。
2.如权利要求1所述的基于电阻应变效应的在役结构预应力检测方法，其特征在于，步骤S01中，通过如下步骤获取预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率：
S11：清除预应力混凝土结构锚头处的封锚用混凝土，并露出锚头处的预留钢绞线；
S12：通过四端法测量预留钢绞线两端部之间的测量电阻；
S13：根据预留钢绞线的测量电阻及其长度和截面积计算对应的电阻率作为预应力钢绞线在有效预应力下的电阻率。
3.如权利要求1所述的基于电阻应变效应的在役结构预应力检测方法，其特征在于：步骤S03中，通过四端法测量预应力钢绞线两端部之间的电阻作为预应力钢绞线在有效预应力下的实际电阻。
4.如权利要求3所述的基于电阻应变效应的在役结构预应力检测方法，其特征在于：四端法是指通过电阻测试装置测量被测钢绞线的电阻；
所述电阻测试装置包括相互串联设置且测量时与被测钢绞线串联形成电流通路的恒源电流电源和电流表，以及测量时与被测钢绞线连通且与所述恒源电流电源和所述电流表并联设置的电压表。
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