體外預應力鋼束應力精確檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種體外預應力鋼束應力精確檢測裝置和方法，該方法包括如下步驟：對磁感傳感器進行張拉試驗機標定；安裝磁感傳感器與振動傳感器；采取張拉試驗確定瞬時損失系數(shù)；獲取初始預應力鋼束應力預測模型；鋼束張拉完成后，測試所述振動傳感器數(shù)據(jù)，獲得張拉后瞬時振動數(shù)據(jù)，計算獲得張拉完畢后瞬時體外鋼束振動頻率；張拉后按照預定目標和測試時間測定所述磁感傳感器的測值x及振動傳感器數(shù)據(jù)；計算應力值；本發(fā)明通過采用磁感效應測試方法與振動測試方法結合，彌補了單獨用磁感傳感器和磁感采集裝置測試分析時無法排除體外預應力鋼束鋼絞線應力松弛影響的弊端，有效提高了測試的精度。
【專利說明】體外預應力鋼束應力精確檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種預應力鋼束應力的檢測裝置及方法，特別是涉及一種用于精確測試體外預應力鋼束應力狀態(tài)的體外預應力鋼束應力精確檢測裝置和方法。
【背景技術】
[0002]體外預應力鋼束是鋼-混結合段部分重要的結構組成部分，體外預應力狀態(tài)直接影響鋼混結合段的結構剛度和連接可靠性，甌江大橋主跨采用混合梁結構，為保證鋼梁和混凝土有效連接并改善其承載性能，在混合梁內部布置了體外預應力束，體外預應力的實際工作狀態(tài)直接影響到混合梁的承載可靠性。但目前的檢測方法和手段只能在鋼束的張拉端測量張拉控制力的大小，屬于宏觀的測量，不能直接檢測預應力鋼束沿縱向各個位置的應力狀況。體外預應力實際分布狀態(tài)尤其是轉向塊及限位阻尼裝置對預應力的影響尚不明確，難以量化。研究開發(fā)體外鋼束預應力狀態(tài)感知與識別技術可以有效提高橋梁體外預應力工程施工質量和服役能力。
[0003]目前，可用于測試鋼束預應力狀態(tài)且效果較好的技術有磁通量傳感技術、振動頻率識別方法、光纖光柵傳感技術等。
[0004]磁通量傳感技術可被用于檢測預應力鋼束應力狀況，其原理是基于鐵磁性材料的磁彈效應，當鐵磁性材料受到外力作用時，其內部產生機械應變，相應磁導率發(fā)生變化，通過測量磁導率變化，建立磁導率與應力關系，可計算出應力變化情況。磁通量傳感器通過直接感應試件的磁特性變化測量應力，屬于非接觸測量，安裝位置靈活，可置于塑料波紋管外面或直接與波紋管相連，可沿鋼束長度方向的任意位置，并且具有量程不受限制，保證率高，不易破壞失效的優(yōu)點，但其測試精度相對較低。磁通量傳感器測量體內預應力的技術在南京葫蘆鼎橋體內預應力檢測、成都雙流機場滑道橋體內預應力監(jiān)測項目中都有應用。
[0005]振動頻率識別法是測量拉索受力及體外束索力的另外一種行之有效的測試方法。準確測算索力的關鍵在于得到準確的拉索固有頻率。不同于直接測量的方法，振動法測索力是目前測量斜拉橋索力最廣泛采用的一種方法。在這種方法中，以環(huán)境振動或者強迫激勵拉索，傳感器記錄下時程數(shù)據(jù)，并由此識別出索的振動頻率，索力由測得的頻率換算而間接得到。振動法測索力的關鍵在于通過現(xiàn)場振動實驗準確地識別出索的固有頻率。在進行橋梁等大型結構動力測試時，由于環(huán)境激勵具有不需要激勵設備，不影響使用等優(yōu)點，成為普遍采用的動力測試方式。平穩(wěn)隨機環(huán)境激勵下識別斜拉橋拉索頻率的傳統(tǒng)方法主要有功率譜頻差法和基頻法，然而通常由環(huán)境振動測試得到的功率譜的結果不是非常理想，尤其是低頻部分，代表前幾階頻率的峰值很容易混淆，導致真實的峰值有時不容易識別。
[0006]分布式光纖傳感技術是利用光纖的連續(xù)特性進行測量，光纖既作傳感元件，又作傳輸元件，可對光纖經(jīng)過區(qū)的環(huán)境參數(shù)進行連續(xù)測量，獲得被測空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息。從20世紀70年代發(fā)展至今，分布式光纖傳感器主要包括準分布式光纖傳感器(QDOFS)和全分布式光纖傳感器(DOFS)。全分布式為連續(xù)測量法，整個光纖長度上任一點都是敏感點，屬于“海量”測量，理論上傳感距離任意長，空間分辨率任意小，檢測沒有盲區(qū)。光纖具有不受電磁干擾，靈敏度高，可靠性高，耐腐蝕，體積小等優(yōu)點，已成為國際研究的熱點。分布光纖傳感器強度和柔度滿足工程復雜環(huán)境要求，光纖既作傳感器又作數(shù)據(jù)傳輸線路，耐久性較好。但是分布光纖傳感器的測試精度較光柵傳感器低，屬于接觸式測量方法，安裝中易損壞。國際上光纖光柵傳感技術研究始于20世紀70年代，通過在實際工程中安裝光纖光柵傳感器，獲取結構狀態(tài)信息。光柵傳感器測試精度可達2?3μ ε，能滿足預應力測試的要求。但傳感器埋設過程中存在易損壞問題，即在預應力鋼束受力產生變形的過程中，局部變形過大損壞光纖傳感器和數(shù)據(jù)引線。1993年加拿大多倫多大學在卡爾加里的貝丁頓特雷爾橋(鋼桁架)上布置光纖傳感器，成功進行了橋梁結構應變監(jiān)測。Nellen等(1999)首次將布拉格光柵傳感器埋入到CFRP絞索中，測量了橋梁預應力索及預應力錨固端應變演變規(guī)律。我國吳忠黃河大橋施工監(jiān)測也采用了光纖傳感技術。但光柵傳感器技術也屬于接觸式的測量方法，在復雜的施工環(huán)境中，很容易損壞。

【發(fā)明內容】

[0007]為克服上述現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明之主要目的在于提供一種體外預應力鋼束應力精確檢測裝置及方法，其能夠彌補單獨用磁感傳感器和磁感采集裝置測試分析時無法排除體外預應力鋼束鋼絞線應力松弛影響的弊端，有效提高了測試的精度。
[0008]為達上述及其它目的，本發(fā)明提出一種體外預應力鋼束應力精確檢測裝置，包括:
多個磁感傳感器，各磁感傳感器用于檢測預應力鋼束的磁通量，輸出與應力成比例的電壓至磁感數(shù)據(jù)采集裝置；
磁感數(shù)據(jù)采集裝置，用于將各磁感傳感器輸出的數(shù)據(jù)進行放大和模數(shù)轉換后進行數(shù)字處理，并輸出至控制系統(tǒng)；
振動傳感器，用于測量所述預應力鋼束在不同應力狀態(tài)下的振動頻率；
振動數(shù)據(jù)采集裝置，連接振動傳感器及控制系統(tǒng)，用于量化所述振動傳感器的振動頻
率；
控制系統(tǒng)，根據(jù)所述磁感數(shù)據(jù)采集裝置輸出的數(shù)據(jù)建立初始預應力鋼束應力預測模型進而應用該模型對所述預應力鋼束進行應力狀況預測，并利用所述振動數(shù)據(jù)采集裝置輸出的振動頻率對所述初始預應力鋼束應力預測模型所預測的應力進行修正。
[0009]進一步地，每個磁感傳感器包括傳感器不銹鋼套筒、環(huán)氧樹脂封口、韌性PVC骨架、激勵線圈、感應線圈、溫度傳感器及傳感器導線，所述傳感器韌性PVC骨架以軸為中心從內到外依次鋪設所述感應線圈和所述激勵線圈，最外層為所述傳感器不銹鋼套筒，所述傳感器導線一端連接所述磁感傳感器，另一端連接所述磁感數(shù)據(jù)采集裝置的傳感器接口。
[0010]進一步地，所述磁感數(shù)據(jù)采集裝置為八通道數(shù)據(jù)采集裝置，所述八通道數(shù)據(jù)采集裝置包括主控制器、片選開關、傳感器接口、濾波器、積分器、加法器、差分運算模塊、AD轉換模塊、電壓轉換模塊、放電電容、溫度采集模塊、控制開關、485接口，所述傳感器接口具有八個，分別對應八個通道，各傳感器接口與各磁感傳感器連接，所述485接口，與控制系統(tǒng)連接，所述片選開關選擇將8路傳感器數(shù)據(jù)之一進行處理，所述濾波器用于濾除不需要的雜波，所述積分器用于在設定時間內對濾波后的電壓進行積分，所述加法器用于去掉所述磁感傳感器的輸出中的直流偏置，所述差分運算模塊對所述加法器的輸出進行放大以提高輸出電壓幅度減小ADC誤差，所述AD轉換模塊對放大后的電壓進行模數(shù)轉換以利于后續(xù)數(shù)字處理；所述主控制器控制所述片選開關，所述電壓轉換模塊用于獲得電壓，所述放電電容用于將未選中的磁感傳感器的電源接地進行放電，所述溫度采集模塊用于測量并采集溫度。
[0011]為達到上述目的，本發(fā)明還提供一種體外預應力鋼束的應力檢測方法，包括如下步驟:
步驟一，對磁感傳感器進行張拉試驗機標定，獲得初始磁感傳感器標定公式，并在恒定拉力下改變溫度獲得溫度測試值修正公式，將其代入所述初始磁感傳感器標定公式得到修正后的磁感傳感器標定公式；
步驟二，在體外預應力鋼束穿束過程中將磁感傳感器套在鋼絞線外，在體外鋼束穿束到位后安裝振動傳感器；
步驟三，采取張拉試驗確定瞬時損失系數(shù)；
步驟四，體外鋼束張拉前測定所述磁感傳感器的無應力狀態(tài)下積分電壓數(shù)值，體外鋼束張拉到設計應力時，對所述磁感傳感器數(shù)據(jù)進行測試，通過前后數(shù)據(jù)測試，獲取磁感傳感器測試數(shù)據(jù)公式的參數(shù)，并將其取代修正后的磁感傳感器標定公式中的常系數(shù)，獲得初始預應力鋼束應力預測模型；
步驟五，鋼束張拉完成后，測試所述振動傳感器數(shù)據(jù)，獲得張拉后瞬時振動數(shù)據(jù)，計算獲得張拉完畢后瞬時體外鋼束振動頻率；
步驟六，張拉后按照預定目標和測試時間測定所述磁感傳感器的測值X及振動傳感器數(shù)據(jù)；
步驟七，根據(jù)所述磁感傳感器的測值X利用所述初始預應力鋼束應力預測模型計算磁感傳感器測試應力值，并利用所述振動傳感器測試數(shù)據(jù)修正所述磁感傳感器測試應力值，根據(jù)修正后的應力計算公式獲得當前應力值。
[0012]進一步地，步驟一采用大于等于4個張拉力級別對磁感傳感器進行標定，其進一步包括如下步驟:
利用磁感數(shù)據(jù)采集裝置對所述磁感傳感器進行數(shù)據(jù)采集控制和采集；
當所述磁感傳感器對被測鋼絞線磁化達到平穩(wěn)后，采集穩(wěn)定讀數(shù)值；
根據(jù)各個張拉控制力級別的力值和磁感數(shù)據(jù)采集裝置采集值進行曲線擬合，獲得初始磁感傳感器標定公式；
采用精確控溫試驗裝置對所述磁感傳感器進行溫度標定，獲得溫度測試值修正公式；將所述溫度測試值修正公式代入所述初始磁感傳感器標定公式，得到修正后的磁感傳感器標定公式。
[0013]進一步地，所述初始磁感傳感器標定公式為
【權利要求】
1.一種體外預應力鋼束應力精確檢測裝置，包括: 多個磁感傳感器，各磁感傳感器用于檢測預應力鋼束的磁通量，輸出與應力成比例的電壓至磁感數(shù)據(jù)采集裝置； 磁感數(shù)據(jù)采集裝置，用于將各磁感傳感器輸出的數(shù)據(jù)進行放大和模數(shù)轉換后進行數(shù)字處理，并輸出至控制系統(tǒng)； 振動傳感器，用于測量所述預應力鋼束在不同應力狀態(tài)下的振動頻率； 振動數(shù)據(jù)采集裝置，連接振動傳感器及控制系統(tǒng)，用于量化所述振動傳感器的振動頻率； 控制系統(tǒng)，根據(jù)所述磁感數(shù)據(jù)采集裝置輸出的數(shù)據(jù)建立初始預應力鋼束應力預測模型進而應用該模型對所述預應力鋼束進行應力狀況預測，并利用所述振動數(shù)據(jù)采集裝置輸出的振動頻率對所述初始預應力鋼束應力預測模型所預測的應力進行修正。
2.如權利要求1所述的一種體外預應力鋼束應力精確檢測裝置，其特征在于:每個磁感傳感器包括傳感器不銹鋼套筒、環(huán)氧樹脂封口、韌性PVC骨架、激勵線圈、感應線圈、溫度傳感器及傳感器導線，所述傳感器韌性PVC骨架以軸為中心從內到外依次鋪設所述感應線圈和所述激勵線圈，最外層為所述傳感器不銹鋼套筒，所述傳感器導線一端連接所述磁感傳感器，另一端連接所述磁感數(shù)據(jù)采集裝置的傳感器接口。
3.如權利要求1所述的一種體外預應力鋼束應力精確檢測裝置，其特征在于:所述磁感數(shù)據(jù)采集裝置為八通道數(shù)據(jù)采集裝置，所述八通道數(shù)據(jù)采集裝置包括主控制器、片選開關、傳感器接口、濾波器、積分器、加法器、差分運算模塊、AD轉換模塊、電壓轉換模塊、放電電容、溫度采 集模塊、控制開關、接口，所述傳感器接口具有八個，分別對應八個通道，各傳感器接口與各磁感傳感器連接，所述接口，與控制系統(tǒng)連接，所述片選開關選擇將8路傳感器數(shù)據(jù)之一進行處理，所述濾波器用于濾除不需要的雜波，所述積分器用于在設定時間內對濾波后的電壓進行積分，所述加法器用于去掉所述磁感傳感器的輸出中的直流偏置，所述差分運算模塊對所述加法器的輸出進行放大以提高輸出電壓幅度減小ADC誤差，所述AD轉換模塊對放大后的電壓進行模數(shù)轉換以利于后續(xù)數(shù)字處理；所述主控制器控制所述片選開關，所述電壓轉換模塊用于獲得電壓，所述放電電容用于將未選中的磁感傳感器的電源接地進行放電，所述溫度采集模塊用于測量并采集溫度。
4.一種體外預應力鋼束的應力檢測方法，包括如下步驟: 步驟一，對磁感傳感器進行張拉試驗機標定，獲得初始磁感傳感器標定公式，并在恒定拉力下改變溫度獲得溫度測試值修正公式，將其代入所述初始磁感傳感器標定公式得到修正后的磁感傳感器標定公式； 步驟二，在體外預應力鋼束穿束過程中將磁感傳感器套在鋼絞線外，在體外鋼束穿束到位后安裝振動傳感器； 步驟三，采取張拉試驗確定瞬時損失系數(shù)； 步驟四，體外鋼束張拉前測定所述磁感傳感器的無應力狀態(tài)下積分電壓數(shù)值，體外鋼束張拉到設計應力時對所述磁感傳感器數(shù)據(jù)進行測試，通過前后數(shù)據(jù)測試，獲取磁感傳感器測試數(shù)據(jù)公式的參數(shù)，并將其取代修正后的磁感傳感器標定公式中的常系數(shù)，獲得初始預應力鋼束應力預測模型； 步驟五，鋼束張拉完成后，測試所述振動傳感器數(shù)據(jù)，獲得張拉后瞬時振動數(shù)據(jù)，計算獲得張拉完畢后瞬時體外鋼束振動頻率； 步驟六，張拉后按照預定目標和測試時間測定所述磁感傳感器的測值X及振動傳感器數(shù)據(jù)； 步驟七，根據(jù)所述磁感傳感器的測值X利用所述初始預應力鋼束應力預測模型計算磁感傳感器測試應力值，并利用所述振動傳感器測試數(shù)據(jù)修正所述磁感傳感器測試應力值，根據(jù)修正后的應力計算公式獲得當前應力值。
5.如權利要求4所述的一種體外預應力鋼束的應力檢測方法，其特征在于，步驟一采用大于等于4個張拉力級別對所述磁感傳感器進行標定，其進一步包括如下步驟: 利用磁感數(shù)據(jù)采集裝置對所述磁感傳感器進行數(shù)據(jù)采集控制和采集； 當所述磁感傳感器對被測鋼絞線磁化達到平穩(wěn)后，采集穩(wěn)定讀數(shù)值； 根據(jù)各個張拉控制力級別的力值和磁感數(shù)據(jù)采集裝置采集值進行曲線擬合，獲得所述初始磁感傳感器標定公式； 采用精確控溫試驗裝置對所述磁感傳感器進行溫度標定，獲得所述溫度測試值修正公式； 將所述溫度測試值修正公式代入所述初始磁感傳感器標定公式，得到所述修正后的磁感傳感器標定公式。
6.如權利要求5所述的一種體外預應力鋼束的應力檢測方法，其特征在于，所述初始磁感傳感器標定公式為
7.如權利要求6所述的一種體外預應力鋼束的應力檢測方法，其特征在于:所述溫度標定采用無應力狀態(tài)傳感器標定及采用體外鋼束受應力狀態(tài)下的傳感器的標定，并將標定結果進行取平均值作為標定數(shù)據(jù)參數(shù)結果。
8.如權利要求6所述的一種體外預應力鋼束的應力檢測方法，其特征在于，步驟三還包括如下步驟: 在體外束錨固端錨具和承壓板間布置測力傳感器，使用常用的張拉千斤頂進行張拉，張拉完成瞬時，測試錨具和承壓板間測力傳感器的力值N1并記錄； 張拉完成后一段時間后，待張拉及錨固滑移完全穩(wěn)定后，測試所述測力傳感器數(shù)值N2并記錄； 通過計算公式
9.如權利要求8所述的一種體外預應力鋼束的應力檢測方法，其特征在于，步驟七還包括如下步驟:根據(jù)所述磁感傳感器的測值X，代入到所述初始預應力鋼束應力預測模型，進行計算，得到磁感傳感器測試應力值I; 引入所述振動傳感器測試數(shù)據(jù)來修正所述磁感傳感器測試應力值，用頻譜分析方法計算所述振動傳感器測試數(shù)據(jù)得到當前測試時間測試體外鋼束振動頻率，對比張拉后瞬時頻率值，利用修正后的應力計算公式計算獲得當前應力值。
10.如權利要求9所述的一種體外預應力鋼束的應力檢測方法，其特征在于，所述修正后的應力計算公式為:
【文檔編號】G01L1/12GK103528720SQ201310511252
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權日:2013年10月25日
【發(fā)明者】鄭毅, 張科超, 陳建璋, 李萬恒, 傅宇方 申請人:交通運輸部公路科學研究所