橋梁有效預應力沿程分布及其衰減測試裝置的製作方法

2023-12-09 07:42:51 4

本發明涉及預應力橋梁建管養專用設備領域，具體涉及一種橋梁有效預應力沿程分布及其衰減測試裝置。

背景技術：

橋梁有效預應力的沿程分布及其衰減一直是土木工程界急需知曉，而又無法測試的一大難題。目前橋梁界採用管道摩阻測試方法，是以梁體兩端面的力學變異來測試分析的，沿程分布規律無從知曉，以此為基準所計算的預應力沿程分布狀況是片面的甚至是錯誤的。而且僅僅限於建設中，成橋後則毫無辦法。至於有效預應力的衰減，只能藉助埋設壓力傳感器，且限於無粘結筋。由於現場埋設條件偏離標定條件故精度低，加之傳感器隨溫度、溼度、時間變化而變化，故需每年標定，這樣就導致其實用價值非常差。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種橋梁有效預應力沿程分布及其衰減測試裝置，它利用光纖光柵傳感器按監控要求分布在預應力筋上，顯示各點的有效預應力大小，並對其進行比較，迅速準確地反映有效預應力的分布狀況，還能隨著時間的變異，對某個點的有效預應力進行先後比較，測試出其衰減狀況。既可用於無粘結預應力筋，也可用於有粘結預應力筋，既可用於新橋建設，也可用於舊橋體外束加固，為預應力橋梁測控技術，提供了建管養一體化測控手段，延長了橋梁使用壽命，降低了橋梁全壽命成本，確保橋梁運營安全。

本發明的目的是這樣實現的：一種橋梁有效預應力沿程分布及其衰減測試裝置，包括數據採集器、監控計算機以及設置在橋梁內的智能鋼絞線，智能鋼絞線的兩端分別延伸出橋梁的兩端，所述智能鋼絞線由中心絲和圍繞中心絲纏繞的周邊絲扭絞成型，中心絲為碳纖維絲，其內置有帶光纖光柵傳感器的光纖，所述智能鋼絞線中的光纖光柵傳感器的引出線通過光纜連接到數據採集器，所述數據採集器與監控計算機進行通訊，將採集的各點的預應力傳遞給監控計算機，所述監控計算機用於接收各點的預應力，進行統計分析橋梁有效預應力的分布狀況以及其衰減狀況。數據採集器採用光纖光柵調解儀。

本橋梁有效預應力沿程分布及其衰減測試裝置還包括位於橋梁兩端的工作錨具，所述工作錨具與橋梁之間設有錨墊板，所述工作錨具設有若干錐孔，所述工作錨具的錐孔中設有用於夾緊鋼絞線的工作夾片，橋梁一端的工作錨具中的工作夾片與橋梁另一端的工作錨具中的工作夾片相對設置，所述工作錨具設有中心錐孔，用於供智能鋼絞線穿過，工作錨具上其餘的錐孔環中心錐孔設置，用於供普通鋼絞線穿過。

橋梁橫截面上設置四根智能鋼絞線，分布在橋梁橫截面的上、下、左、右四個方向，利用智能鋼絞線實現以一根代表一束鋼絞線，以4束鋼絞線代表一個橫截面進行預應力分析，用於檢測橋梁各斷面預應力狀況，對橋梁的運營安全起到警示作用，實現智慧橋梁建管養一體化的監控技術。

所述監控計算機與網際網路連接，用於將數據發送到網際網路。

智能鋼絞線內的光纖光柵傳感器沿智能鋼絞線軸向按監控要求分布。

所述數據採集器與監控計算機通過無線連接。

智能鋼絞線外設有PE保護層。

一種智能鋼絞線的標定裝置，包括反力裝置、壓力採集裝置和張拉千斤頂，智能鋼絞線安裝在反力裝置上，智能鋼絞線的兩端分別延伸出反力裝置，智能鋼絞線的固定端依次穿過第一錨墊板、第一工作錨具，與第一工作錨具錐孔中的第一工作夾片卡接，智能鋼絞線的張拉端依次穿過第二錨墊板、第二工作錨具與張拉千斤頂連接，所述張拉千斤頂通過管路與液壓泵站連接，第二工作錨具的錐孔中設有第二工作夾片，第二工作夾片與第一工作夾片相對設置，所述智能鋼絞線中的光纖光柵傳感器的引出線通過光纜與數據採集器連接，所述數據採集器與監控計算機進行通訊，將光纖光柵傳感器採集的光波波長數據傳遞給監控計算機，所述監控計算機根據設置的標定點力值控制液壓泵站，控制張拉千斤頂按照標定點力值大小對智能鋼絞線進行依次張拉，所述壓力採集裝置用於採集智能鋼絞線內的壓力值，並輸出。智能鋼絞線的張拉端安裝0.5%FS的壓力傳感器。

所述第二工作錨具與千斤頂之間設有套管，所述第二工作夾片一端伸入第二工作錨具的錐孔中，另一端位於套管中。

智能鋼絞線位於反力裝置的反力溝槽中，其兩端分別伸出反力裝置的反力溝槽的兩端。反力裝置可以採用反力架。

壓力採集裝置包括壓力傳感器和壓力顯示錶，所述壓力傳感器位於第二錨墊板與第二工作錨具之間，所述壓力傳感器用於將採集的壓力信號傳遞給壓力顯示錶，用於實時顯示智能鋼絞線內的壓力值。

一種智能鋼絞線的標定方法，採用了上述標定裝置，包括如下步驟：

1）在監控計算機內設置幾個標定點；

2）按照標定點力值大小，張拉千斤頂按照標定點力值大小對智能鋼絞線進行依次張拉，計算機採集智能鋼絞線的光波波長數據，與各標定點一一對應，同時，壓力採集裝置採集智能鋼絞線內的壓力值，與計算機採集的光波波長數據一一對應，張拉到最大標定力值後，慢慢放張，利用壓力採集裝置的壓力值數據和光波波長數據，得出線性關係；

3）監控計算機啟用步驟2）得到的線性關係，用於將計算機採集的智能鋼絞線的光波波長數據對應轉換為力值數據，再次對智能鋼絞線進行張拉，將壓力採集裝置採集的壓力值與計算機轉換得到的力值進行比較，兩者若能重合或兩者之差在誤差允許的範圍內，及標定成功，否則，返回步驟2）進行重新標定；

4）記錄保存標定數據，並和標定的鋼絞線進行編號對應。

本發明的有益效果為：由於本發明的橋梁有效預應力沿程分布及其衰減測試裝置，包括數據採集器、監控計算機以及設置在橋梁內的智能鋼絞線，智能鋼絞線的兩端分別延伸出橋梁的兩端，所述智能鋼絞線由中心絲和圍繞中心絲纏繞的周邊絲扭絞成型，中心絲為碳纖維絲，其內置有帶光纖光柵傳感器的光纖，所述智能鋼絞線中的光纖光柵傳感器的引出線通過光纜連接到數據採集器，所述數據採集器與監控計算機進行通訊，將採集的各點的預應力傳遞給監控計算機，所述監控計算機用於接收各點的預應力，進行統計分析橋梁有效預應力的分布狀況以及其衰減狀況。計算機系統實現上網發送。由於採用了上述技術方案，通過在橋梁建設（或加固）中，設置帶光纖光柵傳感系統的智能鋼絞線，對橋梁施工中預應力進行全程跟蹤測試，在鋼絞線內的光纖光柵傳感器按監控要求分布，能準確的顯示出各點的預應力大小及其沿程分布狀況，並根據其顯示的數據分析張拉施工順序對有效預應力大小與均勻度的影響，其中，先後張拉將影響到梁體的剛度，導致先張拉者衰減明顯。成橋後在荷載試驗中，能反映荷載對預應力（主要是縱向力）的影響，從而探求出規律性。通過在橋梁橫截面上的上、下、左、右四個方向上設置智能鋼絞線，實時反饋鋼絞線上的預應力大小，並利用《橋梁預應力及索力張拉施工質量檢測驗收規程》CQJTG/T F81—2009中的相關標準，來判斷預應力的實時狀態，並利用四根代表截面來分析橋梁的截面變形（扭轉、翹曲）情況。利用該發明技術便於在運營中對橋梁預應力狀態及與交通荷載等狀況影響進行綜合分析，對橋梁健康的診斷意義重大，從而形成橋梁建管養一體化的測控綜合技術。

本發明利用光纖光柵傳感器按監控要求分布在預應力筋上，顯示各點的有效預應力大小，並對其進行比較，迅速準確地反映有效預應力的分布狀況，還能隨著時間的變異，對某個點的有效預應力進行先後比較，測試出其衰減狀況。既可用於無粘結預應力筋，也可用於有粘結預應力筋，既可用於新橋建設，也可用於舊橋體外束加固，為預應力橋梁測控技術，提供了建管養一體化測控手段，延長了橋梁使用壽命，降低了橋梁全壽命成本，確保橋梁運營安全。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。

附圖說明

圖1為本發明的橋梁有效預應力沿程分布及其衰減測試裝置單一孔道示意圖；

圖2為智能鋼絞線梁體斷面布置示意圖；

圖3為圖2的A處放大圖；

圖4為智能鋼絞線內部示意圖；

圖5為智能鋼絞線標定示意圖；

圖6為力值變化對應光波波長變化的線性關係示意圖。

1為智能鋼絞線，2為碳纖維絲，3為光纖，4為光柵光纖傳感器，5為工作夾片，6為工具錨具，7為錨墊板，8為反力裝置，9為壓力傳感器，10為套筒，11為千斤頂，12為連接插頭，13為接長線，14為數據採集器，15為壓力顯示錶，16為液壓泵站，17為監控計算機，18為混凝土梁體，19為普通鋼絞線。

具體實施方式

參見圖1至圖5，一種橋梁有效預應力沿程分布及其衰減測試裝置，包括數據採集器14、監控計算機17以及設置在橋梁內的智能鋼絞線1，智能鋼絞線的兩端分別延伸出橋梁的兩端，所述智能鋼絞線由中心絲和圍繞中心絲纏繞的周邊絲扭絞成型，中心絲為碳纖維絲2，其內置有帶光纖光柵傳感器4的光纖3。智能鋼絞線內的光纖光柵傳感器沿智能鋼絞線軸向按監控要求分布。所述智能鋼絞線中的光纖光柵傳感器的引出線通過光纜連接到數據採集器14，所述數據採集器14與監控計算機17進行通訊，將採集的各點的預應力傳遞給監控計算機，所述監控計算機用於接收各點的預應力，進行統計分析橋梁有效預應力的分布狀況以及其衰減狀況。本實施例的所述數據採集器與監控計算機通過無線連接。數據採集器採用光纖光柵調解儀。

現場監測點採集數據後，發送到伺服器，由伺服器對數據進行智能化的分析處理形成對整束、單片梁和成橋預應力施工質量的全面評價與綜合分析，產生一系列的統計產品（報表、曲線、餅狀圖、柱狀圖等），用戶可以在辦公室隨時通過網絡訪問伺服器中的所有檢測數據及統計分析結果，便於業主、監理、設計等部門對預應力施工質量進行實時跟蹤監控。同時對於重大橋梁，藉助預應力沿程分佈測控系統進行橋梁健康診斷，形成建、管、養一體化的智慧橋梁。

圖4是智能鋼絞線的組成，光纖經過光處理形成光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器通過外界物理參量對光纖布拉格（Bragg）波長的調製來獲取傳感信息，按照絞線長度和沿程測試點的要求，通過光處理形成相應位置的光纖光柵傳感器個數，再將光纖絲置入碳纖維絲中，形成智能碳杆，再將碳杆替代鋼絞線的中心絲形成智能鋼絞線。在鋼絞線一個端頭，接出光纖的連接插頭12，以便與接長線13相連，通過接長線與數據採集器連接，再通過有線或者無線裝置與監控計算機相連。數據採集器進行數據採集，監控計算機中安裝了監控軟體，利用軟體將根據其採集的數據對沿程分布和應力衰減的規律進行統計分析，並將結果發送至網際網路上指定的監控界面便於遠程監控。

本橋梁有效預應力沿程分布及其衰減測試裝置還包括位於橋梁兩端的工作錨具6，所述工作錨具與橋梁之間設有錨墊板7（鋼板），所述工作錨具設有若干錐孔，所述工作錨具的錐孔中設有用於夾緊鋼絞線的工作夾片5，橋梁一端的工作錨具中的工作夾片與橋梁另一端的工作錨具中的工作夾片相對設置，所述工作錨具設有中心錐孔，用於供智能鋼絞線穿過，工作錨具上其餘的錐孔環中心錐孔設置，用於供普通鋼絞線19穿過。應用如圖1，有效預應力沿程分布規律的測試。根據混凝土梁體的波紋管布置要求，轉向塊會導致摩阻變異，摩阻增加，傳力衰減，故應該在每2個相鄰轉向位置之間中心處設置一個光纖光柵傳感器，從而避開轉向塊對鋼絞線該段應力的影響，要求在智能鋼絞線製作中予以解決。應用梳編穿束專利和成品束技術，將一根智能鋼絞線置於成品束中，在穿入波紋管後，實施整束張拉，由於絞線受力均勻，以一根帶整束，即可用智能鋼絞線上的各位置的光纖光柵傳感器，測出錨下有效預應力的分布規律，同時還可以分別測出張拉過程中和放張後的分布規律。

橋梁橫截面上設置四根智能鋼絞線，圖2中A、B、C、D處為4根智能鋼絞線的位置，分布在橋梁橫截面的上、下、左、右四個方向，用於檢測橋梁各斷面預應力狀況。應用張拉跟蹤控制系統（張拉施工過程控制儀器），利用聯機通訊的四臺張拉施工過程控制儀器可確保各束絞線在同一斷面上的受力均勻性，因此可以典型四束（即用四根智能鋼絞線）有效預應力在各斷面（梁體1/2、1/4、3/4等）的受力狀態，結合橋梁的設計要求，可以對梁體預應力的衰減規律和健康狀況進行診斷分析。通過光纜傳到數據採集器，通過監控計算機，發送到網際網路，從而便於遠程控制形成橋梁建管養一體化技術。各點力的差異反應了靜態摩阻的狀況，施工完畢後，隨著時間的推移，由於力的衰減到一定時期，基本成收斂狀態，進入正常運營期，一旦發生突變，成非收斂狀態，橋梁將產生病害，必須進行加固處理。

參見圖5，一種智能鋼絞線的標定裝置，包括反力裝置8、壓力採集裝置和張拉千斤頂，智能鋼絞線安裝在反力裝置上，智能鋼絞線的兩端分別延伸出反力裝置，智能鋼絞線的一端依次穿過第一錨墊板、第一工作錨具，與第一工作錨具錐孔中的第一工作夾片卡接，智能鋼絞線的另一端依次穿過第二錨墊板、第二工作錨具與張拉千斤頂11連接，所述張拉千斤頂通過管路與液壓泵站連接，第二工作錨具的錐孔中設有第二工作夾片，第二工作夾片與第一工作夾片相對設置，所述智能鋼絞線中的光纖光柵傳感器的引出線與數據採集器連接，數據採集器與監控計算機進行通訊，將光纖光柵傳感器採集的預應力傳遞給監控計算機，所述監控計算機根據設置的標定點控制液壓泵站16，控制張拉千斤頂按照標定點力值大小對智能鋼絞線進行依次張拉，所述壓力採集裝置用於採集各個標定點力值，並將採集的標定點力值傳遞給監控計算機。所述第二工作錨具與千斤頂之間設有套管10，所述第二工作夾片一端伸入第二工作錨具的錐孔中，另一端位於套管中。智能鋼絞線位於反力裝置的反力溝槽中，其兩端分別伸出反力裝置的反力溝槽的兩端。壓力採集裝置包括壓力傳感器9和壓力顯示錶15。壓力傳感器用於將採集的壓力信號傳遞給壓力顯示錶顯示，並輸出。壓力採集裝置設置兩套，用於相互校核和採集力值。第一壓力傳感器、第二壓力傳感器位於第二錨墊板與第二工作錨具之間。

帶有光纖光柵碳杆的智能鋼絞線，由於碳杆與光纖製造相當精準，其受力狀態下的應變與力學精度都具有高精度的重複性，一次標定確認後，具有通用性，無需對同類產品再次進行標定。然而量產鋼絞線後，由於鋼絞線製造精度（含幾何尺寸與雜質成分）相對較差，變異性大，不確定度可達10%以上，所以對每一產品，必須進行標定。標定如圖5：將智能鋼絞線安裝在反力裝置上，絞線前後端埋設工作夾片5、工具錨6、壓力傳感器9。加載千斤頂11，液壓泵站16，通過千斤頂泵站系統多次加載和保壓，即可對多個光纖光柵傳感器2進行力學精度標定具體線性關係公式通過壓力顯示錶15與監控計算機17進行。由於該標定複雜，尤其是需要反力溝槽8太長否則將咬傷絞線，因此在生產智能鋼絞線1中，應進一步提高絞線原材料與加工中幾何尺寸精度，以確保其重複精度控制在3%~5%以內，使同一批次生產的鋼絞線首尾段的各項機械性能屈服強度、抗拉強度保持一致。這樣就可以只對一個光纖光柵傳感器2進行標定。就具有多個光纖光柵傳感器2在該智能鋼絞線1上的標定係數，即可通用，不用再重複標定了。

智能鋼絞線的製作過程及說明

1. 根據設計圖紙和預應力的沿程分布監控位置要求，利用雷射設備在光纖絲上指定位置設光纖光柵傳感器，再把光纖絲裝入碳纖維絲內；

2.區別於其他智能鋼絞線的製作，採購與實際工程同一型號的施工用鋼絞線，對用於製作智能鋼絞線的材料成份以及鋼絞線的製作工藝有嚴格的技術要求，使同一批次的鋼絞線的機械性能一致，利用對同一盤鋼絞線的首尾段進行取樣檢測，橫截面積、抗拉強度和屈服強度差別不超過1.0%。按實際工程設計下料長度對鋼絞線進行切割。

3. 把鋼絞線分離成獨立的7根鋼絲（1根中心絲、6根周邊絲）；並按次序放置，以免混亂影響後期製作；

4. 把分離出來的6根周邊絲纏繞在帶光纖光柵傳感器的碳纖維絲上，裹緊形成初步的帶光纖光柵傳感器的鋼絞線；

5. 對初步製作的帶光纖光柵傳感器的鋼絞線進行力學標定（標定方法見下文）；

6. 對標定合格的帶光纖光柵傳感器的鋼絞線製作PE保護層，形成最終的光纖光柵傳感系統；若標定不合格的需重新標定直至合格為止，方能製作PE保護層並使用；

7. 把製作好的光纖光柵傳感系統盤裹成圈，用保護材料進行纏繞保護，以便安全運送到施工現場。

光纖光柵傳感系統標定是一項較複雜的工作，具體標定過程如下：

1. 按照標定要求安裝反力架，墊板和帶光纖光柵傳感器的鋼絞線。在反力架一端裝設壓力傳感器、工具錨、工作夾片、張拉千斤頂、油泵；反力架另一端裝設鋼絞線用工具錨和工作夾片錨固。

2. 把光纖光柵傳感器的插頭連接到數據採集器，壓力傳感器與壓力顯示錶連接，數據採集器與計算機連接形成一個體系。

3. 根據標定力值的大小確定幾個標定點，在計算機上設置標定程序。比如在某加固工程中用的鋼絞線設計力值為151.5KN，我們標定的上限設為170KN。設置50KN、80KN、110KN、130KN、150KN、170KN共六個標定點。

4. 按照標定點力值大小，從小到大依次張拉，計算機採集智能鋼絞線的光波波長數據，與各標定點一一對應，同時，壓力採集裝置採集智能鋼絞線內的壓力值，與計算機採集的光波波長數據一一對應， 張拉到最大標定力值（170KN）後，慢慢放張，利用壓力採集裝置的壓力值數據和光波波長數據，得出力值變化對應光波波長變化的線性關係（形如公式：力值=光波波長×係數+常數），並以此線性關係（公式）做下一步使用，線性關係曲線如圖所示6；

5.監控計算機啟用步驟4得到的線性關係，用於將計算機採集的智能鋼絞線的光波波長數據對應轉換為力值數據，再次對智能鋼絞線進行張拉，將壓力採集裝置採集的壓力值與計算機轉換得到的力值進行比較，兩者若能重合或兩者之差在誤差允許的範圍內，及標定成功，否則，返回步驟2）進行重新標定。

6. 記錄保存標定數據，並和標定的鋼絞線進行編號對應。

本發明不僅僅局限於上述實施例，在不背離本發明技術方案原則精神的情況下進行些許改動的技術方案，應落入本發明的保護範圍。