CN116296014B - 适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置及方法属于有效预应力检测技术领域，该装置包括工装、顶紧棒、千斤顶和压力传感器，本发明只是对安装梁的混凝土进行局部卸载，不会切断预应力筋，不会对既有结构造成影响。测量完毕后，可以对混凝土卸载位置重新浇筑混凝土，结构修复如初，不会影响继续使用，降低检测成本。而且利用本发明的测量方法可以将预应力筋对局部卸载区域混凝土的压力转换到测量装置上，通过压力传感器直接获取压力值。此方法不通过其他参数（如结构刚度变化或混凝土应变）反推或测算有效预应力，属于直接测量方法。与通过其他参数间接推算有效预应力相比，该方法更加准确。
Description
技术领域
本发明属于有效预应力检测技术领域，具体为一种适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置及方法。
背景技术
目前，有效预应力的检测技术包括无损检测和局部破损检测两大类。其中无损检测包括电磁效应检测技术、声发射技术、动力测试法等，其中最常用的为动力测试法，即预应力损失与结构刚度相关，而刚度改变会引起结构振动模态和自振频率等动力特性的改变，通过分析结构振动模态和自振频率的变化，识别结构的有效预应力。但是动力测试法通常为实验室研究，适用条件较为苛刻，且选取的计算公式、采样频率、混凝土弹性模量的测定等对结果影响较大，数据不够准确，难以应用到实际工程中。
局部破损检测包括横张增量法、应力释放法等，其中最常用的为应力释放法，即通过测量构件测点部位切割前后的应变，通过力学公式推导出结构整体受力状况。应力释放法包括混凝土应力释放法和预应力筋应力释放法，两种方法各有优缺点：（1）混凝土应力释放法是利用混凝土的实测应力来推算预应力筋中的应力，是一种间接的测量方法。由于混凝土三轴受力，应力应变关系比较复杂，导致推算结果准确性较差。且当被测构件截面尺寸较小时，混凝土取芯困难，并容易切断预应力筋，导致构件严重损坏。（2）预应力筋应力释放法是通过切断预应力筋的方式直接测量预应力筋应力值。虽然测量数值直接、准确，但是切断预应力筋会对构件造成不可逆转的破坏，不便在实际工程中使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置及方法，以解决上述技术问题。
为此，本发明一方面提供一种适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置，包括：
工装，包括成对设置的第一工装和第二工装，所述第一工装和第二工装均开设有与既有结构的安装梁配合的槽，所述第一工装和第二工装的相对一侧均开设有凹槽；
顶紧棒，设置在第一工装和第二工装之间，并且顶紧棒的一端插入第二工装的凹槽内，顶紧棒的另一端连接有封板；
千斤顶，支顶在所述封板靠近第一工装的一侧；
压力传感器，支顶在第一工装与千斤顶之间，并且压力传感器的一端插入第一工装的凹槽内。
优选地，所述第一工装和第二工装均包括上部卡块、下部卡块和螺栓，所述上部卡块的底部和下部卡块的顶部均开设有卡槽，上部卡块底部的卡槽与下部卡块顶部的卡槽形成与既有结构的安装梁配合的槽，所述螺栓将上部卡块、下部卡块连接为一个整体。
优选地，所述螺栓穿过下部卡块并拧入上部卡块内部，进而将上部卡块、下部卡块连接为一个整体。
优选地，所述顶紧棒的数量为两根，两根顶紧棒对称设置在安装梁的两侧。
另一方面，本发明提供一种适用于既有结构有效预应力等效无损检测的方法，利用上述适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置实现，该方法包括以下步骤：
S1、建立计算模型，预估既有结构的有效预应力，设计装置，保证工装与既有结构的安装梁的形状相适配；
S2、将装置安装到既有结构的安装梁上；
S3、千斤顶加力，使顶紧棒的一端贴紧第二工装的凹槽，压力传感器的一端贴紧第一工装的凹槽，此时压力传感器的读数为m0；
S4、将既有结构的安装梁中部的混凝土进行局部卸载，此时压力传感器的读数为m，既有结构的有效预应力，其中g为重力系数；
S5、在安装梁中部的混凝土局部卸载位置重新浇筑混凝土，保证既有结构在测量前后的受力状态相同。
优选地，S5中在重新浇筑混凝土之前，先用千斤顶进行反顶，对预应力损失进行补偿。
优选地，反顶力值，其中Ec为混凝土弹性模量，A为既有结构的安装梁的横截面积，Ap为预应力钢筋横截面积，Ep为预应力钢筋弹性模量。
优选地，S2中装置的安装方法包括：
S21、将第一工装和第二工装安装到既有结构的安装梁上；
S22、将压力传感器一端插入第一工装的凹槽内，将顶紧棒的一端插入第二工装的凹槽内；
S23、将千斤顶顶在压力传感器和顶紧棒之间，保证压力传感器、千斤顶和顶紧棒同轴设置。
优选地，S21中第一工装和第二工装的安装方法为：首先将上部卡块、下部卡块夹住既有结构的安装梁，保证安装梁与上部卡块底部的卡槽、下部卡块顶部的卡槽贴合设置，将螺栓穿过下部卡块并拧入上部卡块中。
优选地，所述既有结构为既有屋架，装置安装在既有屋架的下弦杆的端节间，并且第一工装和第二工装分别贴紧端节间的两端支座。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果为：本发明提供一种既有结构有效预应力的等效无损测定方法，该方法只是对安装梁的混凝土进行局部卸载，不会切断预应力筋，不会对既有结构造成影响。测量完毕后，可以对混凝土卸载位置重新浇筑混凝土，结构修复如初，不会影响继续使用，降低检测成本。而且利用本发明的测量方法可以将预应力筋对局部卸载区域混凝土的压力转换到测量装置上，通过压力传感器直接获取压力值。此方法不通过其他参数（如结构刚度变化或混凝土应变）反推或测算有效预应力，属于直接测量方法。与通过其他参数间接推算有效预应力相比，该方法更加准确。
附图说明
图1为适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置的安装示意图；
图2为图1中A部分放大示意图；
图3为图1的俯视结构示意图；
图4为适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置的炸裂示意图；
图5为工装的炸裂示意图；
图6为安装梁的混凝土进行局部卸载后的示意图；
图7为安装梁重新浇筑混凝土后的示意图。
附图标注：1-顶紧棒、2-千斤顶、31-第一工装、32-第二工装、4-压力传感器、5-凹槽、6-上部卡块、7-下部卡块、8-螺栓、9-卡槽、10-安装梁、11-封板、12-预应力筋。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步说明。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
预应力混凝土屋架的形式有拱形屋架、梯形屋架及折线形屋架。其工作原理为：在屋架下弦内布置预应力钢筋，在屋架承受荷载之前，通过对预应力钢筋的张拉，在下弦杆内产生预压力，工作荷载施加以后，会在下弦杆内产生拉力，预压力与拉力相平衡。预应力的作用：一，可以减小下弦杆件的截面和配筋；二，限制屋架两端的变形；三，控制下弦杆件的拉应力或裂缝，以满足受力要求。
预应力屋架由于其施工方便，构件可批量预制的优点，在工业厂房和粮食平房仓的建设中应用较为广泛。常用跨度为18～36m。屋架生产工艺有先张法及后张法，一般均为后张法现场预制，如运输条件许可，18m屋架可采用先张法或后张法工厂预制。屋架的预应力筋有φS5 碳素钢丝束、钢绞线束、冷拉II、III级钢筋及冷拉IV级钢筋束。
上世纪六七十年代建造的预应力混凝土屋架，很多已经达到设计使用年限，需要对屋架现有承载能力及后续使用年限内的承载能力进行评定。另外，原有屋架因为功能改造、屋面荷载增加，需要对原屋架进行加固。考虑到预应力钢筋固有的应力松弛、混凝土的收缩徐变及可能的锈蚀等因素，对既有屋架来说，不管是对其现有及后续承载力进行评定，还是对其进行加固设计，都需要对屋架下弦预应力钢筋的现有预应力值进行检测，以保证结构的安全。
为了实现无损检测既有屋架的有效预应力，本发明提供了一种适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置，如图4所示，该装置包括工装、顶紧棒1、千斤顶2和压力传感器4。工装包括成对设置的第一工装31和第二工装32，第一工装31和第二工装32均开设有与既有屋架的下弦杆配合的槽，第一工装31和第二工装32的相对一侧均开设有凹槽5。顶紧棒1的数量优选为两根，两根顶紧棒1对称设置在下弦杆的两侧。顶紧棒1设置在第一工装31和第二工装32之间，并且顶紧棒1的一端插入第二工装32的凹槽5内，顶紧棒1的另一端连接有封板11，便于千斤顶2对其施加压力。千斤顶2支顶在封板11靠近第一工装31的一侧。压力传感器4支顶在第一工装31与千斤顶2之间，并且压力传感器4的一端插入第一工装31的凹槽5内。具体地，压力传感器4可以选用压力环，顶紧棒1可以选用钢棒。
如图5所示，第一工装31和第二工装32均包括上部卡块6、下部卡块7和螺栓8，上部卡块6的底部和下部卡块7的顶部均开设有卡槽9，上部卡块6底部的卡槽9与下部卡块7顶部的卡槽9形成与既有屋架的下弦杆配合的槽。螺栓8将上部卡块6、下部卡块7连接为一个整体，具体地，螺栓8穿过下部卡块7并拧入上部卡块6内部，进而将上部卡块6、下部卡块7连接为一个整体。本发明的第一工装31和第二工装32采用对开式设计，可便于对其进行快速安装和拆卸。凹槽5设置在上部卡块6、下部卡块7的衔接位置，并且上半部分的凹槽5设置在上部卡块6的底部，下半部分的凹槽5设置在下部卡块7的顶部。凹槽5的形状与压力环、顶紧棒1的直径相匹配，保证在安装和测量过程中，压力环、顶紧棒1不发生错位。
利用上述适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置，本发明可以实现既有结构有效预应力等效无损检测，具体以既有结构为既有屋架为例。该方法包括以下步骤：
S1、建立计算模型，预估既有结构的有效预应力，设计装置，选择合适的压力传感器4、顶紧棒1、千斤顶2规格，保证工装与既有屋架的下弦杆的形状相适配，工装能够牢固地固定在下弦杆的端节间，不发生移动。工装还应具备较大的刚度，外力作用下变形很小。
S2、如图1-3所示，将装置安装到既有屋架的下弦杆上。优选地，装置安装到既有屋架的下弦杆的端节间。装置的具体安装方法为：S21、首先将上部卡块6、下部卡块7夹住既有屋架的下弦杆，保证下弦杆与上部卡块6底部的卡槽9、下部卡块7顶部的卡槽9贴合设置，将螺栓8穿过下部卡块7并拧入上部卡块6中，从而将第一工装31和第二工装32安装到既有屋架的下弦杆上，第一工装31和第二工装32分别贴紧端节间的两端支座。S22、将压力传感器4一端插入第一工装31的凹槽5内，将顶紧棒1的一端插入第二工装32的凹槽5内。S23、将千斤顶2顶在压力传感器4和顶紧棒1之间，保证压力传感器4、千斤顶2和顶紧棒1同轴设置。
S3、千斤顶2加力，使顶紧棒1的一端贴紧第二工装32的凹槽5，压力传感器4的一端贴紧第一工装31的凹槽5，此时压力传感器4的读数为m0。
S4、如图6所示，将既有屋架的下弦杆中部的混凝土进行局部卸载，具体为静力剔除方式进行局部卸载。此时预应力筋12对该区域的混凝土施加的压力转移到顶紧棒1上。通过读取压力环的读数，即可直接测定既有屋架的有效预应力。此时压力传感器4的读数为m，既有屋架的有效预应力，其中g为重力系数。
S5、由于拆除测量装置后，预应力筋12会使新浇筑区域的混凝土受压，端节间的两端支座会发生相向位移，造成一部分预应力损失。因此，本发明在重新浇筑混凝土之前，先用千斤顶2进行反顶，对此部分预应力损失进行补偿。反顶力值，其中Ec为混凝土弹性模量，A为既有结构的安装梁10的横截面积，Ap为预应力钢筋横截面积，Ep为预应力钢筋弹性模量。反顶之后在下弦杆中部的混凝土局部卸载位置按常规施工缝或后浇带凿毛处理，然后支模、重新浇筑混凝土。待新浇筑混凝土达到设计强度后，拆除检测装置，原先由检测装置承受的压力重新转移到下弦混凝土上，既有屋架在测量前后的受力状态相同，预应力屋架可以继续使用，如图7所示。
需要说明的是，本发明的适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置及方法不仅适用于既有屋架，也适用于其他有预应力的既有结构。如果本发明的测量装置安装到除既有屋架以外的其他有预应力的既有结构上时，将第一工装31、第二工装32安装到既有结构的安装梁10上。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置，其特征在于，包括：
工装，包括成对设置的第一工装（31）和第二工装（32），所述第一工装（31）和第二工装（32）均开设有与既有结构的安装梁（10）配合的槽，所述第一工装（31）和第二工装（32）的相对一侧均开设有凹槽（5）；
顶紧棒（1），设置在第一工装（31）和第二工装（32）之间，并且顶紧棒（1）的一端插入第二工装（32）的凹槽（5）内，顶紧棒（1）的另一端连接有封板（11）；
千斤顶（2），支顶在所述封板（11）靠近第一工装（31）的一侧；
压力传感器（4），支顶在第一工装（31）与千斤顶（2）之间，并且压力传感器（4）的一端插入第一工装（31）的凹槽（5）内；
所述第一工装（31）和第二工装（32）均包括上部卡块（6）、下部卡块（7）和螺栓（8），所述上部卡块（6）的底部和下部卡块（7）的顶部均开设有卡槽（9），上部卡块（6）底部的卡槽（9）与下部卡块（7）顶部的卡槽（9）形成与既有结构的安装梁（10）配合的槽，所述螺栓（8）将上部卡块（6）、下部卡块（7）连接为一个整体。
2.根据权利要求1所述的适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置，其特征在于，所述螺栓（8）穿过下部卡块（7）并拧入上部卡块（6）内部，进而将上部卡块（6）、下部卡块（7）连接为一个整体。
3.根据权利要求1所述的适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置，其特征在于，所述顶紧棒（1）的数量为两根，两根顶紧棒（1）对称设置在安装梁（10）的两侧。
4.一种适用于既有结构有效预应力等效无损检测的方法，其特征在于，利用上述权利要求1-3任意一项所述的适用于既有结构有效预应力等效无损检测的装置实现，该方法包括以下步骤：
S1、建立计算模型，预估既有结构的有效预应力，设计装置，保证工装与既有结构的安装梁（10）的形状相适配；
S2、将装置安装到既有结构的安装梁（10）上；
S3、千斤顶（2）加力，使顶紧棒（1）的一端贴紧第二工装（32）的凹槽（5），压力传感器（4）的一端贴紧第一工装（31）的凹槽（5），此时压力传感器（4）的读数为m0；
S4、将既有结构的安装梁（10）中部的混凝土进行局部卸载，此时压力传感器（4）的读数为m，既有结构的有效预应力，其中g为重力系数；
S5、在安装梁（10）中部的混凝土局部卸载位置重新浇筑混凝土，保证既有结构在测量前后的受力状态相同。
5.根据权利要求4所述的适用于既有结构有效预应力等效无损检测的方法，其特征在于，S5中在重新浇筑混凝土之前，先用千斤顶（2）进行反顶，对预应力损失进行补偿。
6.根据权利要求5所述的适用于既有结构有效预应力等效无损检测的方法，其特征在于，反顶力值，其中Ec为混凝土弹性模量，A为既有结构的安装梁（10）的横截面积，Ap为预应力钢筋横截面积，Ep为预应力钢筋弹性模量。
7.根据权利要求4所述的适用于既有结构有效预应力等效无损检测的方法，其特征在于，S2中装置的安装方法包括：
S21、将第一工装（31）和第二工装（32）安装到既有结构的安装梁（10）上；
S22、将压力传感器（4）一端插入第一工装（31）的凹槽（5）内，将顶紧棒（1）的一端插入第二工装（32）的凹槽（5）内；
S23、将千斤顶（2）顶在压力传感器（4）和顶紧棒（1）之间，保证压力传感器（4）、千斤顶（2）和顶紧棒（1）同轴设置。
8.根据权利要求7所述的适用于既有结构有效预应力等效无损检测的方法，其特征在于，S21中第一工装（31）和第二工装（32）的安装方法为：首先将上部卡块（6）、下部卡块（7）夹住既有结构的安装梁（10），保证安装梁（10）与上部卡块（6）底部的卡槽（9）、下部卡块（7）顶部的卡槽（9）贴合设置，将螺栓（8）穿过下部卡块（7）并拧入上部卡块（6）中。
9.根据权利要求4所述的适用于既有结构有效预应力等效无损检测的方法，其特征在于，所述既有结构为既有屋架，装置安装在既有屋架的下弦杆的端节间，并且第一工装（31）和第二工装（32）分别贴紧端节间的两端支座。
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