CN114323389B

CN114323389B - 预应力检测方法、不分级快速连续张拉方法及系统

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Publication number: CN114323389B
Application number: CN202210244078.2A
Authority: CN
Inventors: 罗斌; 牟笑静; 廖强; 詹志峰; 方宗平; 方正
Original assignee: Nanjing Research Institute Of Chongqing University; Sichuan Jiaoda Prestressed Engineering Testing Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Research Institute Of Chongqing University; Sichuan Jiaoda Prestressed Engineering Testing Technology Co ltd
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2042-03-14
Also published as: CN114323389A

Abstract

本发明属于张拉设备技术领域，具体公开了一种预应力检测方法、不分级快速连续张拉方法及系统，连续张拉方法通过安装张拉系统并自检，启动张拉系统进行张拉，实时采集应力应变及流量信息，所采集的应力值与应变值实时生成应力位移曲线F‑S、平均应力总位移曲线F均‑S总、应力时间曲线F‑T、位移时间曲线S‑T，并实时计算伸长量，张拉至预设力值后，进入高位持荷阶段，预先设置持荷时间，至持荷时间结束，持荷完成后张拉系统自动卸荷、回油。采用本技术方案，自动采集、连续采集、自动计算伸长量，实现不分级快速连续张拉。

Description

预应力检测方法、不分级快速连续张拉方法及系统

技术领域

本发明属于张拉设备技术领域，涉及一种预应力检测方法、不分级快速连续张拉方法及系统。

背景技术

预应力技术具有多领域性，公路、铁路、市政、水利、建筑和矿山等工程领域广泛使用。同时，预应力技术还具有高结合性，可融合于桥梁钢筋混凝土结构、隧道支护结构、边坡框架梁、基坑腰梁等。

预应力技术已经持续了近百年的发展，但仍然保持着最初始的施工做法。在自动化技术还不成熟的年代，传统张拉方法只能依靠分级张拉来实现分级读数、计算伸长量“双控法”校核。随着生产制造技术的进步，张拉系统实现了数据自动采集、连续采集、全过程数据分析计算等优化操作，但张拉方法和伸长值的计算方法却自始至终未改变，未能适应工业技术的发展而进步，不便于使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预应力检测方法、不分级快速连续张拉方法及系统，实现不分级快速连续张拉。

为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种预应力检测方法，包括如下步骤：

安装张拉系统并自检；

启动张拉系统进行张拉；

张拉至预设力值后，进入高位持荷阶段，预先设置持荷时间；

实时采集应力应变及流量信息，所采集的应力值与应变值实时生成应力位移曲线F-S、平均应力总位移曲线F均-S总、应力时间曲线F-T、位移时间曲线S-T四种曲线的至少一种或者它们的任意组合；

获取应力位移曲线F-S，或平均应力总位移曲线F均-S总，或位移时间曲线S-T的上升单调函数中第一个转折点，求解应力初始值

以及伸长量初始值

；

获取应力位移曲线F-S，或平均应力总位移曲线F均-S总，或位移时间曲线S-T的极值，求解最大张拉控制力

；

计算实际伸长量

；

根据预应力钢材的应力应变关系，通过实际伸长量参数，计算实际有效预应力值:

其中，

为实测实际最大控制应力，

为实测伸长量，

为实测回缩量，

为设计张拉力，

为名义上的设计张拉应力对应的伸长量，

为待施加预应力的受拉件的长度，n为待施加预应力的受拉件的根数，

为待施加预应力的受拉件的弹性模量；

为待施加预应力的受拉件的横截面积；P_m为实际有效预应力值，F_max为最大张拉控制力，S_max为最大位移量。

具体待施加预应力的受拉件可以为但不限于钢绞线、锚杆或者锚索。

本基础方案的工作原理和有益效果在于：本方案采用传感器技术及采集系统，实现自动采集、连续采集、自动计算伸长量并绘制F-S、F均-S总、F-T、S-T曲线，利用不同的曲形可突出显示不同的特征，方便后续进行数据分析、总结问题，利于使用。

本发明还提供一种不分级快速连续张拉方法，包括如下步骤：

安装张拉系统并自检；

启动张拉系统进行张拉；

实时采集应力应变及流量信息并实时计算伸长量，所采集的应力值与应变值实时生成应力位移曲线F-S、平均应力总位移曲线F均-S总、应力时间曲线F-T、位移时间曲线S-T四种曲线的至少一种或者它们的任意组合；

至持荷时间结束，持荷完成后张拉系统自动卸荷、回油。

本方案采用传感器技术及采集系统，实现自动采集、连续采集、自动计算伸长量并绘制F-S、F均-S总、F-T、S-T曲线，并自动计算实际张拉伸长量，进行不分级快速连续张拉。安全、高效地实现预应力张拉施工，提高了预应力张拉效率的同时，又能降低了现场施工的时间成本、控制住施工质量。

进一步，计算伸长量的方法如下：

获取初应力点：F-S曲线，或F均-S总曲线，或S-T曲线的上升单调函数中第一个转折点为

, F₀为应力初始值，

为伸长量初始值，相邻两点之间斜率的最大值

对应的点为转折点，其中，x代表函数中任意点；

进行数据比较，求取张拉过程数据中的极值，获取最大张拉控制力点：

最大张拉控制力为F_max，最大位移量为S_max；

时机伸长量为

。

计算简单，利于使用。

本发明还提供一种预应力检测系统，包括包括能源模块、采集模块和计算模块；

所述能源模块，用于提供张拉力；

所述采集模块，用于周期性采集张拉过程的应力应变信号和流量信号；

所述计算模块，利用本发明所述预应力检测方法接收采集模块所采集的信号并转换为应力、应变、流量体积及压缩体积参数信号，通过应力、应变关系曲线计算张拉实际伸长量和实际有效预应力值。

具体周期性采集

本发明还提供一种不分级快速连续张拉系统，包括能源模块、采集模块、计算模块和控制模块；

所述能源模块，用于提供张拉力；

所述采集模块，用于周期性次采集张拉过程的应力应变信号和流量信号；

所述计算模块，利用本发明所述张拉方法接收采集模块所采集的信号并转换为应力、应变、流量体积及压缩体积参数信号，通过应力、应变关系曲线计算张拉实际伸长量；

所述控制模块的输出端与能源模块的控制端连接，用于控制张拉流程加载、持荷、卸载和回油动作。

采集模块周期性采集张拉过程的应力应变信号和流量信号，实现所需信号的自动采集，利于后续实现不分级快速连续张拉。计算模块自动计算伸长量，并绘制关系曲线，便于查看、分析数据。

进一步，所述能源模块包括张拉千斤顶、能量源和高压油管，所述张拉千斤顶用于张拉待施加预应力的受拉件，张拉千斤顶的进油腔和回油腔均通过高压油管与能量液连通。

结构简单，利于使用。

进一步，所述能量源包括伺服电机、柱塞泵、油箱、控制器和阀块组件；

所述伺服电机的动力输出端与柱塞泵的控制端连接，用于为柱塞泵提供动力；

所述柱塞泵与油箱连接，用于将置于油箱内的液压油抽离，所述油箱通过高压油管与张拉千斤顶连接；

所述控制器的控制信号输出端与伺服电机的控制端连接，用于控制电机转速；

所述阀块组件包括进油阀、回油阀和溢流阀，并分别调控进油、回油和溢流开口，控制器的开关信号输出端分别与进油阀、回油阀和溢流阀的控制端连接。

能量源用于控制张拉过程的加载、持荷、卸荷、回油等相关动作，利于操作。

进一步，所述能量源还包括机械外壳，所述伺服电机、柱塞泵、油箱、控制器和阀块组件置于机械外壳内，所述机械外壳上设有传感器航插接口。

机械外壳可对各器件进行防护，保护内部系统。且各部件安装在外壳上，便于整体安装、拆卸。

进一步，所述采集模块包括双应力传感器、应变传感器和流量传感器，所述双应力传感器的采集端分别安装在张拉千斤顶和能量源上，用于测量千斤顶张拉力和液压系统压力；

所述应变传感器设置在张拉千斤顶上，用于测量张拉千斤顶的移动位移量，所述流量传感器安装在高压油管上，用于监测进油流量、回油流量、进油量体积和回油量体积参数。

采集模块实现周期性采集应力应变传感器和流量传感器的信号，便于后续使用。进一步，所述采集模块的周期性采集频率为每秒4次及以上。

设置合适的采集频率，便于采集数据。

进一步，还包括电源模块、报警蜂鸣器和急停开关，所述电源模块、报警蜂鸣器和急停开关均设置在机械外壳上，电源模块的供电端与能源模块连接，用于供电，所述急停开关的输出端与能源模块的控制端连接。

在机械外壳上设置电源模块、报警蜂鸣器和急停开关，丰富设备功能，利于使用。报警蜂鸣器可提示与报警，对于系统逻辑中需要提示操作人员及相关人员注意时工作。

进一步，还包括人机交互模块，所述控制模块通过人机交互模块控制能源模块。

利用人机交互模块进行人机交互，便于使用者操作使用。

附图说明

图1是本发明不分级快速连续张拉系统的结构示意图；

图2是本发明不分级快速连续张拉系统的应力位移F-S曲线示意图；

图3是本发明不分级快速连续张拉系统的平均应力总位移F均-S总曲线示意图；

图4是本发明不分级快速连续张拉系统的应力时间F-T曲线示意图；

图5是本发明不分级快速连续张拉系统的位移时间S-T曲线示意图。

说明书附图中的附图标记包括：张拉千斤顶1、应变传感器2、预应力结构3、预应力筋4、控制模块5、能量源6、高压油管7、应变传感器连接线8。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“ 下 ”、“ 前 ”、“ 后 ”、“ 左 ”、“ 右 ”、“ 竖直”、“ 水平 ”、“顶 ”、“底 ”“ 内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

现有技术中，预应力分级张拉，一般分为初应力

、2倍初应力、张拉控制力

三级。

具体为：第一级行程，加荷至初应力持荷30秒并测量伸长值；

第二级行程，加荷至2倍初应力持荷30秒并测量伸长值；

第三级行程，加荷至张拉控制力持荷300秒并测量伸长值。

初应力

，选用张拉控制力

的10%～25%，伸长值从初应力时开始测量。其目的是需要扣除初应力以下钢绞线的非弹性形变，如安装间隙等。实际伸长量计算公式：

（

—从初应力至最大张拉应力间的实测伸长值；

—初应力以下的推算伸长值，可采用相邻级的伸长值）。

的取值，一般选用初应力至2倍初应力的伸长值，这是工程界的经验方法。

现有技术所涉及的基建工程预应力张拉技术水平表现出不平衡状态，桥梁预应力张拉施工基本上实现了自动张拉方式；岩土锚固工程预应力张拉施工基本上维持传统张拉方式。但是，无论桥梁还是锚固工程均为上述张拉方法进行分级、持荷、读数、伸长量计算，张拉和伸长量计算的实现方式上没有进一步创新。现有技术缺点与不足之处：预应力张拉施工技术发展多年，一直采用传统方法，没能适应工业技术的发展而进步。测量和读数为不必需工作时间，从而工作效率低。特别是赶工期的项目难以容忍类似等待时间。

为解决现有技术存在的问题，本发明公开了一种预应力检测方法，包括如下步骤：

安装张拉系统并自检；

启动张拉系统进行张拉；

以及伸长量初始值

；

；

计算实际伸长量

；

其中，

为实测实际最大控制应力，

为实测伸长量，

为实测回缩量，

为设计张拉力，

为名义上的设计张拉应力对应的伸长量，

为待施加预应力的受拉件的弹性模量；

如图1所示，安装张拉系统并自检，检查应力传感器、应变传感器2、流量传感器、连接电路、通信模块(蓝牙及其它通信)是否建立连接；

控制模块5通过人机交互界面启动张拉系统进行张拉，实时采集应力应变及流量信息，所采集的应力值与应变值实时生成应力位移曲线F-S(如图2所示)、平均应力总位移曲线F均-S总(如图3所示)、应力时间曲线F-T(如图4所示)、位移时间曲线S-T(如图5所示)，并实时计算伸长量；

张拉至预设力值后，自动进入高位持荷阶段，预先设置持荷时间；

至持荷时间结束，持荷完成后张拉系统自动卸荷、回油。

本发明的一种优选方案中，计算伸长量的方法如下：

, F₀为应力初始值，

为伸长量初始值，相邻两点之间斜率的最大值

对应的点为转折点，其中，x代表函数中任意点；

最大张拉控制力为F_max，最大位移量为S_max；

时机伸长量为

。

本方案的不分级快速连续张拉的方法，数据连贯，可信、可追溯、可回查、可挖掘。采用传感器技术及采集系统，实现数据的自动采集、连续采集、自动绘制F-S、F均-S总、F-T、S-T曲线并计实际算伸长量校核。

本发明还提供一种预应力检测系统，包括包括能源模块、采集模块和计算模块。能源模块用于提供张拉力，采集模块用于周期性采集张拉过程的应力应变信号和流量信号。计算模块利用本发明所述预应力检测方法，接收采集模块所采集的信号并转换为应力、应变、流量体积及压缩体积参数信号，通过应力、应变关系曲线计算张拉实际伸长量和实际有效预应力值。

如图1所示，本发明还提供一种不分级快速连续张拉系统，包括能源模块、采集模块、计算模块和控制模块5，具有强控制力，实现快速张拉、自动采集、连续采集、自动计算伸长量等功能，用于快速、连续地施加预应力。

能源模块用于提供张拉力，能源模块包括张拉千斤顶1、能量源6和高压油管7。张拉千斤顶1用于张拉待施加预应力的受拉件，如锚索、绞线、锚杆等，张拉千斤顶1作用在预应力结构3和预应力筋4上，张拉千斤顶1采用后锚式千斤顶(穿心式千斤顶配套工具锚使用)或前卡式千斤顶(集成内置工具夹片)，张拉千斤顶1的进油腔和回油腔均通过高压油管7与能量液连通。张拉千斤顶1的进油腔充油，顶内置夹片或工具锚夹片夹紧锚索工作段达到张拉进程提供张拉力。张拉千斤顶1的回油腔充油，夹片逐渐放松锚索工作段达到张拉回程卸荷、回油。

采集模块用于周期性次采集张拉过程的应力应变信号和流量信号，优选，采集模块周期性采集的频次为每秒4次及以上。

计算模块利用本发明所述张拉方法，接收采集模块所采集的信号，并转换为应力、应变、流量体积及压缩体积参数信号，通过应力、应变关系曲线计算张拉实际伸长量，通过流量体积等参数校验伸长值；

控制模块5的输出端与能源模块的控制端电性连接，用于控制张拉流程加载、持荷、卸载和回油动作，协调控制各个模块之间的调用和配合。

本发明的一种优选方案中，能量源6包括伺服电机、柱塞泵、油箱、控制器和阀块组件。伺服电机的动力输出端与柱塞泵的控制端电性连接，用于为柱塞泵提供动力，控制柱塞泵工作，其功率为 1.5～３kW 、转速为 0～３000转/分钟、输入电源为 220V或380V 、输出为电流、电压动态调节。

能量源6的柱塞泵与油箱连接，用于将置于油箱内的液压油抽离，泵头可为三柱塞式。油箱作为容器，用于储存液压油，油箱通过高压油管7与张拉千斤顶1连接。控制器的控制信号输出端与伺服电机的控制端电性连接，用于控制电机转速。阀块组件包括进油阀、回油阀和溢流阀，并分别调控进油、回油和溢流开口，进油阀为双向阀，回油阀为单向阀，溢流阀为泄露阀。控制器的开关信号输出端分别与进油阀、回油阀和溢流阀的控制端电性连接。

本发明的一种优选方案中，能量源6还包括机械外壳，伺服电机、柱塞泵、油箱、控制器和阀块组件置于机械外壳内，机械外壳上设有传感器航插接口，机械外壳用于保护内部系统。

本发明的一种优选方案中，采集模块包括双应力传感器、应变传感器2和流量传感器，双应力传感器的采集端分别安装在张拉千斤顶1和能量源6上，用于测量千斤顶张拉力和液压系统压力(回油时高于15MPa自动停止)。应变传感器2固定设置(可采用焊接、粘接或镶嵌等连接方式)在张拉千斤顶1上，用于测量张拉千斤顶1的移动位移量，应变传感器2的输出端通过应变传感器连接线8与机械外壳上的传感器航插接口电性连接。流量传感器安装在高压油管7上，用于监测进油流量、回油流量、进油量体积和回油量体积参数。

本发明的一种优选方案中，不分级快速连续张拉系统还包括电源模块、报警蜂鸣器和急停开关，电源模块、报警蜂鸣器和急停开关均设置在机械外壳上，电源模块的供电端与能源模块电性连接，用于供电。电源模块可以利用60V锂电池进行转换供电，也可以采用220V或380V直流电。急停开关的输出端与能源模块的控制端电性连接，以便在需要时手动控制能源模块停止，操作更灵活。

本发明的一种优选方案中，不分级快速连续张拉系统还包括人机交互模块，控制模块5通过人机交互模块控制能源模块，人机交互模块可采用手机、电脑、触摸屏等设备。

本方案安全、高效地实现预应力张拉施工，提高了预应力张拉效率的同时，又能降低了现场施工的时间成本、控制住施工质量，最终达到降本增效、节约工期的巨大作用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种预应力检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

安装张拉系统并自检；

启动张拉系统进行张拉；

获取应力位移曲线F-S，或平均应力总位移曲线F均-S总，或位移时间曲线S-T的上升单调函数中第一个转折点，求解应力初始值F₀以及伸长量初始值S₀；

获取应力位移曲线F-S，或平均应力总位移曲线F均-S总，或位移时间曲线S-T的极值，求解最大张拉控制力(F_max，S_max)；

计算实际伸长量L_L＝S_max-S₀；

根据预应力钢材的应力应变关系，通过实际伸长量参数，计算实际有效预应力值：

P_m＝(L_m-SH)*n*E_P*A_P/L，

L_m＝L_L/δ_k×F，

其中，δ_k为实测实际最大控制应力，L_L为实测伸长量，SH为实测回缩量，F为设计张拉力，L_m为名义上的设计张拉应力对应的伸长量，L为待施加预应力的受拉件的长度，n为待施加预应力的受拉件的根数，E_p为待施加预应力的受拉件的弹性模量；A_p为待施加预应力的受拉件的横截面积；P_m为实际有效预应力值，F_max为最大张拉控制力，S_max为最大位移量。

2.一种不分级快速连续张拉方法，其特征在于，包括如下步骤：

安装张拉系统并自检；

启动张拉系统进行张拉；

计算实际伸长量L_L＝S_max-S₀；

P_m＝(L_m-SH)*n*E_P*A_P/L，

L_m＝L_L/δ_k×F，

其中，δ_k为实测实际最大控制应力，L_L为实测伸长量，SH为实测回缩量，F为设计张拉力，L_m为名义上的设计张拉应力对应的伸长量，L为待施加预应力的受拉件的长度，n为待施加预应力的受拉件的根数，E_P为待施加预应力的受拉件的弹性模量；A_P为待施加预应力的受拉件的横截面积；P_m为实际有效预应力值，F_max为最大张拉控制力，S_max为最大位移量；

至持荷时间结束，持荷完成后张拉系统自动卸荷、回油。

3.如权利要求2所述的不分级快速连续张拉方法，其特征在于，计算伸长量的方法如下：

获取初应力点：F-S曲线，或F均-S总曲线，或S-T曲线的上升单调函数中第一个转折点为(F₀，S₀)，F₀为应力初始值，S₀为伸长量初始值，相邻两点之间斜率的最大值k₀＝(F_x-F_x-1)/(S_x-S_x-1)对应的点为转折点，其中，x代表函数中任意点；

最大张拉控制力为F_max，最大位移量为S_max；

实际伸长量为L_L＝S_max-S₀。

4.一种预应力检测系统，其特征在于，包括能源模块、采集模块和计算模块；

所述能源模块，用于提供张拉力；

所述计算模块，利用权利要求1所述方法接收采集模块所采集的信号并转换为应力、应变、流量体积及压缩体积参数信号，通过应力、应变关系曲线计算张拉实际伸长量和实际有效预应力值。

5.一种不分级快速连续张拉系统，其特征在于，包括能源模块、采集模块、计算模块和控制模块；

所述能源模块，用于提供张拉力；

所述计算模块，利用权利要求2或3所述方法接收采集模块所采集的信号并转换为应力、应变、流量体积及压缩体积参数信号，通过应力、应变关系曲线计算张拉实际伸长量；

6.如权利要求5所述的不分级快速连续张拉系统，其特征在于，所述能源模块包括张拉千斤顶、能量源和高压油管，所述张拉千斤顶用于张拉待施加预应力的受拉件，张拉千斤顶的进油腔和回油腔均通过高压油管与能量液连通。

7.如权利要求6所述的不分级快速连续张拉系统，其特征在于，所述能量源包括伺服电机、柱塞泵、油箱、控制器和阀块组件；

8.如权利要求7所述的不分级快速连续张拉系统，其特征在于，所述能量源还包括机械外壳，所述伺服电机、柱塞泵、油箱、控制器和阀块组件置于机械外壳内，所述机械外壳上设有传感器航插接口。

9.如权利要求5所述的不分级快速连续张拉系统，其特征在于，所述采集模块包括双应力传感器、应变传感器和流量传感器，所述双应力传感器的采集端分别安装在张拉千斤顶和能量源上，用于测量千斤项张拉力和液压系统压力；

10.如权利要求5所述的不分级快速连续张拉系统，其特征在于，还包括电源模块、报警蜂鸣器、急停开关和人机交互模块，所述电源模块、报警蜂鸣器和急停开关均设置在机械外壳上，电源模块的供电端与能源模块连接，用于供电，所述急停开关的输出端与能源模块的控制端连接；

所述控制模块通过人机交互模块控制能源模块。