CN114201834A

CN114201834A - 一种高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统和方法

Info

Publication number: CN114201834A
Application number: CN202111545399.8A
Authority: CN
Inventors: 乔国富; 薛广杰; 张仁宏; 凌明磊
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-03-18

Abstract

本发明公开了一种高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统和方法，所述系统包括多测点智能钢绞线、数据采集传输模块和数据处理模块，其中：所述多测点智能钢绞线用于替代箱梁中的普通钢绞线承担荷载，并实现对梁体内的多个位置的预应力进行自我感知；所述数据采集传输模块用于对多测点智能钢绞线自我感知的预应力数据进行抓取，并传输到数据处理模块；所述数据处理模块用于处理智能钢绞线自我感知的预应力物理信号，将数据采集传输模块传来的预应力光波信号转化为预应力筋张拉力，并将处理后的数据进行分类并存储。本发明能够对高铁箱梁多个截面预应力的实时数值和损失情况进行监测，保证了高铁箱梁的安全性和可靠性。

Description

一种高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统和方法

技术领域

本发明属于土木工程智能监测领域，涉及一种高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统和方法。

背景技术

预应力混凝土箱梁是高铁桥梁的重要构件，其钢绞线的实际预应力大小以及损失情况，直接影响了箱梁的安全性和可靠性。然而在实际工程中发现，预应力混凝土收缩、蠕变、热应变、预应力筋松弛、钢筋锈蚀以及铺具变形和许多其他因素，都将导致预应力损失。尤其是在冬季进行的蒸汽养护的箱梁，严寒的外界环境和高温高湿的蒸养氛围必然会对预应力造成一定的影响，所以有必要提出一种科学便捷的预应力监测系统。

传统针对钢绞线预应力的控制和监测主要有以下几个方法：第一，针对钢绞线的张拉力控制方面，首先，通过理论计算和工程经验得到钢绞线两端应该施加预应力的设计值，然后利用张拉设备在钢绞线的两端施加计算得到的预应力，进而完成箱梁的预应力施加和控制。然而，实际工程中预应力筋孔道往往是曲线型，孔道的曲折摩擦和各种人为施工因素，导致箱梁内部的各个截面的预应力大小与理论计算结果存在一定的偏差，所以仅控制两端施加张拉力的大小存在一定的局限性。第二，针对钢绞线张拉力检测方面，存在有损检测和无损检测两类方法，其中有损检测方法有智能反拉法和应力释放法，这些方法会对预应力的梁体造成损坏，并且只能进行局部区域的检测。无损检测方法包括超声波技术检测方法和等质量法，这两种方法不会对梁体造成损坏，但是也仅仅可以对锚下的预应力进行数据的采集。

相比上述提及的传统预应力监测方法，光纤光栅具有明显的优势。首先，在一根裸光纤上可以刻出多个预应力光栅测点，利用这样多刻点的光纤就可以制作多测点的智能钢绞线，这样就可以根据实际工程的需要，对箱梁内部多个关键截面的预应力进行监测。其次，同一根智能钢绞线的光栅测点为串联关系，这样一根多测点的智能钢绞线只需一条信号通道，大大减少了出线的数量，提高了现场布设的效率。此外，光纤光栅传感器具有体积小、抗干扰能力强以及耐久性好等优点，可以在恶劣的土木工程施工环境下使用。

发明内容

针对铁路大型箱梁蒸养制造健康监测与质量控制重大需求，本发明提供了一种高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统。本发明能够对高铁箱梁多个截面预应力的实时数值和损失情况进行监测，保证了高铁箱梁的安全性和可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统，包括多测点智能钢绞线、数据采集传输模块和数据处理模块，其中：

所述多测点智能钢绞线用于替代箱梁中的普通钢绞线承担荷载，并实现对梁体内的多个位置的预应力进行自我感知；

所述数据采集传输模块用于对多测点智能钢绞线自我感知的预应力数据进行抓取，并传输到数据处理模块；

所述数据处理模块用于处理智能钢绞线自我感知的预应力物理信号，将数据采集传输模块传来的预应力光波信号转化为预应力筋的张拉力，并将处理后的数据进行分类并存储。

一种利用上述系统进行高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控的方法，包括如下步骤：

步骤一、根据高铁箱梁预应力筋孔道的曲折程度和实际工程经验，确定张拉预应力测点的数量和位置；

步骤二、将多测点智能钢绞线替代箱梁内的普通钢绞线，形成新的钢绞线束进行张拉和封锚；

步骤三、对每一个测点进行实时的预应力数据采集，采集得到的预应力光波信号在数据处理模块中完成计算；

步骤四、将由光波信号转化得到的预应力筋的张拉力，按照时间和测点的编号进行分类存储。

本发明中，所述多测点智能钢绞线内部含有多个光栅测点，这些光栅测点串联形成一条光纤线路。

本发明中，所述多测点智能钢绞线内部光栅测点的应变量程需满足以下关系：

式中，ε为光栅测点的极限量程(με)，k为安全系数，F为张拉钢绞线的最大张拉力，N为钢绞线的数量，A为钢绞线的截面面积，E为钢绞线的弹性模量。

本发明中，所述数据采集传输模块由光纤光栅解调仪和DTU无线通讯模块组成，多测点智能钢绞线通过光纤将自我感知的预应力物理信号传输至光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪的另一端通过网口连接DTU无线通讯模块，最终DTU无线通讯模块将数据传输至数据处理模块，进行数据的处理、分类和存储。

本发明中，多测点智能钢绞线应用于箱梁底板中心处的预应力筋孔道，根据高铁箱梁预应力筋孔道的曲折程度和实际工程经验，最终确定了5个预应力筋张拉力光栅测点，具体包括钢绞线中心位置测点C、距离钢绞线两侧端部1.5m处的测点A和测点E、距离钢绞线两侧端部8.625m处的测点B和测点D。这样的测点布设更加符合箱梁实际预应力筋曲线型的孔道，使得预应力的监测更加准确和全面。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、传统对钢绞线张拉力的控制，往往是通过设定在钢绞线两端张拉设备所施加的张拉力来实现，缺乏对梁体内部其他截面实际预应力的监测。本发明使用的智能钢绞线可以根据实际工程需要，在梁体内不同截面布设预应力光栅测点，就可以对箱梁内多个关键截面的预应力进行监测。

2、同一根智能钢绞线的测点为串联关系，这样一根多测点的智能钢绞线只需一条信号通道，大大减少了出线的数量，提高了现场布设的效率。

3、智能钢绞线的自我感知的部分为光纤光栅类传感器，光纤光栅传感器具有体积小、抗干扰能力强以及耐久性好等优点，可以在恶劣的土木工程施工环境下使用。

4、本发明可以对箱梁体内不同截面的预应力进行监测，对于监测预应力损失和保证箱梁的安全性具有一定的积极意义。

附图说明

图1为本发明的多测点预应力监测系统示意图；

图2为本发明的多测点智能钢绞线截面图；

图3为本发明的预应力测点的布置图；

图4为本发明的光纤光栅传感器原理图；

图5为本发明的多测点智能钢绞线测点布置图；

图6为本发明的预应力随时间变化关系图。

图7为本发明的初张拉一周预应力监测情况；

图8为本发明的静载试验预应力监测情况；

图9为本发明的静载试验1.0级荷载预应力的对比情况；

图10为本发明的静载试验1.2级荷载预应力的对比情况。

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的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统，如图1所示，所述监测系统包括多测点智能钢绞线、数据采集传输模块以及数据处理模块，其中：

所述多测点智能钢绞线用于替代箱梁中的普通钢绞线承担荷载，实现对梁体内的多个位置的预应力进行自我感知；

所述数据处理模块用于处理智能钢绞线自我感知的预应力物理信号，将通讯模块传来的预应力光波信号转化为预应力筋的张拉力，并将处理后的数据进行分类并存储。

1、现场硬件设备介绍

为了对高铁箱梁预应力进行监测，首先需要在箱梁施工现场布设相关的硬件设备，具体包括多测点智能钢绞线和数据采集传输模块的相关设备。

(1)多测点智能钢绞线

在实际工程中发现，预应力混凝土收缩、蠕变、热应变、预应力筋松弛、钢筋锈蚀以及铺具变形和许多其他因素，都将导致预应力损失。尤其是在冬季进行的蒸汽养护的箱梁，严寒的外界环境和高温高湿的蒸养氛围必然会对预应力造成一定的影响。所以本发明针对高铁箱梁的预应力进行监测。使用的传感部分为多测点智能钢绞线，其制作方法为：将含有多个光栅测点的光纤内嵌到钢绞线的芯丝中，并在钢绞线的端部用保护凯线反套在光纤外侧，节点处固定封装。智能钢绞线的截面构造如图2所示。

将制作完成的智能钢绞线替代原来的普通钢绞线，并应用于箱梁底板中心处的预应力筋孔道。根据高铁箱梁预应力筋孔道的曲折程度和实际工程经验，最终确定了5个预应力筋张拉力测点，具体包括钢绞线中心位置测点C、距离钢绞线两侧端部1.5m处的测点A和测点E、距离钢绞线两侧端部8.625m处的测点B和测点D。钢绞线张拉力的监测点布设情况如图3所示。这样的测点布设更加符合箱梁实际预应力筋曲线型的孔道，使得预应力的监测更加准确和全面。本发明将多个光栅测点的光纤按照设想内嵌到预应力筋内，可以实现多测点智能钢绞线的定制化和标准化。

由于多测点智能钢绞线自我感知的物理信号是光波信号，所以需要在数据处理模块将光波信号处理为预应力筋的张拉力。预应力筋张拉力的计算公式为：

其中，F为测点处的张拉力(kN)，λ为智能钢绞线光栅测点输出波长(nm)，λ₀为没有张拉力状态下对应的波长(nm)，A为智能钢绞线的截面面积(mm²)，E为智能钢绞线的弹性模量(MPa)，k为张拉力传感器的换算系数(nm/με)。

表1多测点智能钢绞线参数

(2)数据采集和传输模块的硬件设备

本发明使用的传感器属于光纤光栅类传感器，所以使用的采集设备为光纤光栅解调仪，负责采集各通道的物理信息。与光纤光栅传感器连接的是DTU无线通讯模块，负责将采集到的各类数据通过4G无线信号传输至数据处理模块。其中，DTU无线通讯模块通过网口与光纤光栅解调仪相连。DTU将接收到的串口数据转化为IP数据，并通过无线发送的方式进行传输。其使用灵活通过手机卡可提供网络，无需网线支撑，成本低廉，保密性好，非常适合现代野外工况下使用。

2、智能钢绞线传感技术

多测点智能钢绞线的传感部分就是一根含有多个光栅测点的光纤，光栅波矢方向与光纤轴线一致。当光波传输通过光栅测点时，满足λ_B＝2nΛ的波长就被光纤光栅所反射回去(λ_B为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，n为纤芯的有效折射率)。这样入射光栅波矢就会分透射光波矢和反射光波矢。当光栅测点受力发生变化时，会导致光栅周期或者纤芯折射率的变化，从而产生光波信号的波长位移变化。与智能钢绞线连接的光纤光栅解调仪会采集相应的反射光，通过检测波长的变化位移情况即可得到光纤测点的受力变化。光纤光栅传感器原理图如图4所示，多测点智能钢绞线测点布置图如图5所示。

利用光纤光栅原理制成的多测点智能钢绞线具有如下优点：

(1)智能钢绞线的传感部分利用的是光纤光栅，光纤光栅具有体积小、耐久性好以及信号稳定等优点，适合在土木工程恶劣的施工环境下使用。

(2)智能钢绞线在制作过程根据实际工程的需要，可以在任意截面布设光栅测点，实现对箱梁内任意多截面预应力的监测。

(3)智能钢绞线的多测点为串联关系，一根多测点的钢绞线只需一条信息通道，大大减少了出线的数量，方便施工和管理。

3、工程应用案例分析

将上述高铁箱梁预应力监测系统应用在实际的工程案例中，证实了该监测系统的可行性和便捷性。所选的高铁箱梁的跨度为31.5m的单孔直线型箱梁，在底板中心处布设5测点的智能钢绞线，对测点的预应力进行了长期的监测。箱梁预应力现场监测情况如图6所示。

(1)钢绞线初张拉一周后的预应力监测情况。

图7为钢绞线初张拉一周后，五个测点的预应力随时间的变化关系图，由图可得，在第18个小时的时候，张拉其他位置的预应力筋，会对已经张拉的预应力筋的受力产生影响，五个测点的预应力均有一定的减少。此外，在早期混凝土由于收缩徐变、温度变化以及环境影响，预应力存在较大的损失，初张拉一周后，预应力的平均损失为12.04％。并且预应力随着时间的变化，产生的损失越来越小，具体的预应力值和损失情况如表2所示。

表2预应力变化情况汇总表

(2)箱梁静载试验的预应力监测情况。

静载试验是评估箱梁养护成型后抗裂性能和刚度的重要手段。对本发明研发的新型智能箱梁新产品进行静载试验，一方面可以检验传感器的埋入以及智能传感网络的建立是否影响到箱梁的生产质量；另一方面，也可以检验本套高铁箱梁智能监测系统在运营期的可行性。本发明进行的静载试验分为1.0级加载和1.2级加载。篇幅有限仅选择相互对称的测点A和测点E进行分析，预应力的监测情况如图8所示。

针对预应力张拉力的监测，在1.0级静载试验下，A测点和E测点的最大张拉力分别为0.9345kN和0.8608kN，在1.2级静载试验下，A测点和E测点的最大张拉力分别为1.2230kN和1.1266kN。

试验监测结果和计算结果的对比曲线如图9和图10所示。在1.0级静活载作用下，相关性R值分别0.962。在1.2级静活载作用下，相关性R值分别为0.967。相关系数均在0.95以上，证实了本发明监测系统得到结果的准确性和可靠性。

Claims

1.一种高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统，其特征在于所述系统包括多测点智能钢绞线、数据采集传输模块和数据处理模块，其中：

所述数据处理模块用于处理智能钢绞线自我感知的预应力物理信号，将数据采集传输模块传来的预应力光波信号转化为预应力筋张拉力，并将处理后的数据进行分类并存储。

2.根据权利要求1所述的高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统，其特征在于所述多测点智能钢绞线内部含有多个光栅测点，这些光栅测点串联形成一条光纤线路。

3.根据权利要求2所述的高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统，其特征在于所述多测点智能钢绞线内部光栅测点的应变量程满足以下关系：

式中，ε为光栅测点的极限量程，k为安全系数，F为张拉钢绞线的最大张拉力，N为钢绞线的数量，A为钢绞线的截面面积，E为钢绞线的弹性模量。

4.根据权利要求1所述的高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统，其特征在于所述数据采集传输模块由光纤光栅解调仪和DTU无线通讯模块组成，多测点智能钢绞线通过光纤将自我感知的预应力物理信号传输至光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪的另一端通过网口连接DTU无线通讯模块，最终DTU无线通讯模块将数据传输至数据处理模块，进行数据的处理、分类和存储。

5.根据权利要求1所述的高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控系统，其特征在于所述预应力筋张拉力的计算公式为：

其中，F为测点处的张拉力，λ为智能钢绞线光栅测点输出波长，λ₀为没有张拉力状态下对应的波长，A为智能钢绞线的截面面积，E为智能钢绞线的弹性模量，k为张拉力传感器的换算系数。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述系统进行高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的高铁箱梁钢绞线预应力施工高可靠度实时监控方法，其特征在于所述张拉预应力测点的数量为5个，具体包括钢绞线中心位置测点C、距离钢绞线两侧端部1.5m处的测点A和测点E、距离钢绞线两侧端部8.625m处的测点B和测点D。