一种工程用预应力技术使用状态评估方法

摘要

本发明公开了一种工程用预应力技术使用状态评估方法,通过预应力监测技术和检测技术，获取预应力初始参数，建立预应力监测、检测数据库，将有限元仿真技术和有限元修正技术应用于预应力筋的数值仿真分析中，并在此基础上利用损伤识别技术对预应力分层次进行使用状态评价，进而建立具有预判功能的预应力使用状态评估方法。本发明的优点是：建立具有预判功能的预应力使用状态评估系统可操作性强，有效性高，使用方便，准确性高，费用低，适用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工程检测评定方法，更具体的说，是涉及一种工程用预应力技术使用状态评估方法。

背景技术

预应力技术经过近60年的发展，已经从预应力混凝土技术发展到预应力钢结构技术和特殊施工技术，其应用范围也从较为简单的单层及多层房屋，简支梁桥和连续梁桥等扩展到超高层结构、高耸结构、大跨空间结构、地下建筑、核电站、储油仓、大跨径桥梁等方面。近十年来，结合大型工程结构预应力技术应用的新局面、新情况，针对大体积混凝土结构、钢结构、索结构、大悬挑结构、斜拉桥、悬索桥和特殊施工技术开展了广泛研究，预应力技术在土木工程领域越来越受到青睐。

预应力技术是利用预应力筋为结构施加预压（拉）力的一种技术。预应力技术不仅包含用于建筑结构如大跨度悬挑板，大跨空间索膜结构的预应力技术，大跨径连续梁桥、斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥等桥梁结构的预应力技术，同时也包括地下空间和隧道结构等。预应力技术在应用过程中受到材料收缩徐变、温度、构件边界条件改变，结构受力状态变化，预应力筋损伤、锈蚀等因素的影响。由于这些影响因素的存在，直接影响着预应力技术的有效性。当预应力钢筋的锈蚀、松弛等导致的预应力损失，预应力锚固端破坏或预应力筋断裂时，会严重影响预应力结构的安全性和可靠性。因此，有必要对工程结构用预应力技术进行监测。

目前，预应力监测技术主要有两种：基于磁通量传感器的预应力监测技术和基于振动信号识别的预应力监测技术。二者各有优缺点，对于磁通量监测技术，其费用高，施工难度较大，且随着时间的推移有效性会显著降低，但是短期内监测数据的有效性和可靠性较高；而对于振动信号识别监测技术，主要受到预应力筋的形状，预应力筋的损伤程度，预应力筋的锚固方式等影响，在实际操作时很难保证监测数据的有效性和准确性，但是其费用低，可操作性好。随着社会的进步，预应力监测技术在预应力结构中的使用越来越广泛，然而至今仍没有成套有效的基于预应力监测技术的预应力筋评估方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，而提供一种可操作性强，有效性高，使用方便，准确性高，费用低，适用范围广的一种工程用预应力技术使用状态评估方法。

本发明的一种工程用预应力技术使用状态评估方法,通过预应力监测技术和检测技术，获取预应力初始参数，建立预应力监测、检测数据库，将有限元仿真技术和有限元修正技术应用于预应力筋的数值仿真分析中，并在此基础上利用损伤识别技术对预应力分层次进行使用状态评价，进而建立具有预判功能的预应力使用状态评估方法，包括以下步骤：

步骤1工程用典型预应力使用状态评估对象的选取；

步骤2预应力初始参数的监测设备和检测设备的安装；

步骤3预应力初始参数的数据获取与处理；

步骤4针对不同季节，不同日照条件，不同交通状况的条件获取预应力监测、检测数据，建立预应力初始参数的数据库；

步骤5预应力筋有限元数值仿真模型的建立；

步骤6预应力筋有限元仿真模型动态修正；

步骤7预应力分层次使用状态评价；

步骤8重复步骤5—步骤7对预应力使用状态的改变进行预判，建立预应力使用状态评估系统。

所述步骤2中的预应力初始参数包括预应力筋和工程构件的受力、变形、振动参数、材料性能。

所述步骤1中的评估对象为应力幅大、受力大、结构关键构件或截面位置处以及使用环境较恶劣的预应力筋、钢绞线或缆索。

所述步骤5中的预应力筋有限元仿真模型的建立包括单独建立的预应力筋、预应力筋的工程结构构件和工程整体。

所述步骤6中的预应力筋有限元仿真分析动态修正，包括不同动态荷载影响的数值分析模型，还包括预应力参数随使用年限变化的有限元分析参数的动态变化。

所述步骤7中的预应力分层次使用状态评价包括预应力筋在工程结构中充当的重要性等级评价。

所述步骤8中的预应力使用状态的改变进行预判包括预判既有预应力筋的正常使用年限，预应力筋的日常维护方法以及预应力筋的易损位置和易损条件。

本发明的有益效果是：（1）本发明通过预应力监测技术和常规检测技术的应用，获取预应力初始参数，逐步建立预应力监测、检测数据库，将有限元仿真技术和有限元修正技术应用于预应力筋的数值仿真分析中，并在此基础上利用损伤识别技术对预应力分层次进行使用状态评价，进而建立具有预判功能的预应力使用状态评估系统；（2）本发明可操作性强，有效性高，使用方便，准确性高，费用低，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

在图中，本发明的一种工程用预应力技术使用状态评估方法,通过预应力监测技术和检测技术，获取预应力初始参数，建立预应力监测、检测数据库，将有限元仿真技术和有限元修正技术应用于预应力筋的数值仿真分析中，并在此基础上利用损伤识别技术对预应力分层次进行使用状态评价，进而建立具有预判功能的预应力使用状态评估方法，包括以下步骤：

步骤1工程用典型预应力使用状态评估对象的选取；

步骤2预应力初始参数的监测设备和检测设备的安装；

步骤3预应力初始参数的数据获取与处理；

步骤4针对不同季节，不同日照条件，不同交通状况的条件获取预应力监测、检测数据，建立预应力初始参数的数据库；

步骤5预应力筋有限元数值仿真模型的建立；

步骤6预应力筋有限元仿真模型动态修正；

步骤7预应力分层次使用状态评价；

步骤8重复步骤5—步骤7对预应力使用状态的改变进行预判，建立预应力使用状态评估系统。

所述步骤2中的预应力初始参数包括预应力筋和工程构件的受力、变形、振动参数、材料性能。

所述步骤1中的评估对象为应力幅大、受力大、结构关键构件或截面位置处以及使用环境较恶劣的预应力筋、钢绞线或缆索。

所述步骤5中的预应力筋有限元仿真模型的建立包括单独建立的预应力筋、预应力筋的工程结构构件和工程整体。

所述步骤6中的预应力筋有限元仿真分析动态修正，包括不同动态荷载影响的数值分析模型，还包括预应力参数随使用年限变化的有限元分析参数的动态变化。

所述步骤7中的预应力分层次使用状态评价包括预应力筋在工程结构中充当的重要性等级评价。

所述步骤8中的预应力使用状态的改变进行预判包括预判既有预应力筋的正常使用年限，预应力筋的日常维护方法以及预应力筋的易损位置和易损条件。

本发明施工方法步骤1即工程用典型预应力使用状态评估对象的选取：一般选取具有可操作性，受力变形显著的关键构件位置处，使用过程中应力幅较大的预应力筋作为评估对象。

本发明施工方法步骤2即预应力初始参数监测、检测设备的安装：选择离监测对象边界效应影响显著的中间位置设置一个磁通量传感器，并在预应力筋靠近中间、4分点、8分点等位置设置多个加速度传感器，获取监测预应力筋的受力、频率等参数，同时利用常规检测技术对同批预应力筋进行材料性能的抽样检测。

本发明施工方法步骤3即预应力初始参数的数据获取与处理：在步骤2的基础上，对设置监测、检测设备的预应力筋进行监测、检测数据获取，利用模态参数识别技术获取预应力筋的初始参数（受力、频率、振型、边界条件等），并利用预应力筋材料性能试验确定预应力筋的材料参数。

本发明施工方法步骤4即预应力初始参数监测、检测数据库的建立：尽可能选取典型边界条件，典型受力条件，典型构件的预应力筋，针对不同季节，不同日照条件，不同交通状况等条件获取预应力监测、检测数据，建立工程用预应力初始参数监测、检测数据库。

本发明施工方法步骤5即预应力筋有限元数值仿真模型的建立：待工程用预应力初始参数监测、检测数据库建立完成后，根据不同的初始参数，分类别（不同的边界条件、不同的材料性能、不同的受力、不同使用期限等）建立该工程典型预应力筋的有限元数值仿真模型。

本发明施工方法步骤6即预应力筋有限元仿真模型动态修正：基于有限元软件响应面方法和随使用状态变化得到的预应力筋参数变化趋势，对建立的典型预应力筋有限元数值仿真模型进行动态修正，建立时变的预应力筋有限元仿真模型。

本发明施工方法步骤7即预应力分层次使用状态评价：基于损伤识别技术和有限元仿真技术，利用建立的时变的预应力筋有限元仿真模型，建立不同使用状况（不用损伤程度、不同损伤位置、不同使用年限）的预应力筋数值分析模型，结合现场实测监测、检测数据，对比分析得到预应力的实际使用状况，并分层次对该工程用预应力进行使用状况评估。

本发明施工方法步骤8预应力使用状态评估系统建立：重复步骤5-步骤7，根据工程用预应力使用状态评估结果，及数值仿真修正模型分析结果，结合现场预应力监测、检测数据库的参数变化，对工程用预应力的使用状态变化趋势进行预判，进而建立具有现场实测数据测试，数值仿真分析，使用状态评估，使用状态趋势性预判功能的工程用预应力使用状态评估系统。

如图1所示，为本发明的悬索桥吊杆使用状态评估方法的具体实施例。

1、该悬索桥共54根吊杆，初步选取在静荷载和动荷载作用下，应力幅较大的靠近悬索桥主塔和靠近悬索桥主缆锚固端的四根吊杆作为该悬索桥结构预应力使用状态评估对象，靠近主塔位置处的吊杆直径为120mm，靠近锚固端的吊杆直径为150mm；

2、分别在上述四根吊杆的中部各设置一个磁通量传感器，考虑到靠近主塔位置的吊杆无应力索长达到46m，为准确获得该处吊杆的初始参数，分别在该吊杆的靠近中间位置、4分点、8分点、16分点位置设置加速度传感器；而对于靠近主缆锚固端位置的吊杆无应力索长仅为8m，尽在该位置处吊杆的靠近中间位置、4分点和8分点设置加速度传感器。鉴于各吊杆均采用相同的预应力钢绞线，因此随机抽检了其中的18根作为材料性能试验对象；

3、分别在无交通荷载、轻交通荷载和重交通荷载作用下，对选取的四根吊杆的监测、检测数据进行了获取。利用模态识别方法对上述获得的数据进行分析，得到靠近主塔的振动频率为1.2Hz，振动模态类似于一端固接，一端铰接，吊杆力约为2020kN；靠近锚固端的振动频率为6.8Hz，吊杆的振动模态类似于梁端铰接，吊杆力约为1890kN。吊杆的弹性模量为2.06×10⁵Mpa，屈服应力为1680Mpa；

4、分别在该悬索桥服役1个月，3个月，6个月，12个月，18个月，24个月，36个月，48个月和60个月获取上述四根吊杆的频率、振型、受力等参数，期间对不同季节，不同日照条件，不同交通状况下，上述吊杆的监测、检测数据，逐步建立该工程典型吊杆的监测、检测数据库；

5、利用ANSYS软件依据上述吊杆的监测、检测数据库，建立分类别（不同的边界条件，不同的材料性能，不同的受力，不同使用期限等）的吊杆有限元数值仿真实体分析模型；

6、利用建立的吊杆有限元仿真模型和吊杆的实测监测、检测数据，基于有限元软件响应面方法和随使用状态变化得到的预应力筋参数变化趋势，对建立的典型预应力筋有限元数值仿真模型进行动态修正，建立时变的预应力筋有限元仿真模型；

7、分别建立吊杆中部位置、吊杆4分点、吊杆8分点有效截面减小10%，20%，30%，50%，80%时上述吊杆的数值分析模型。利用损伤识别技术，对不同损伤状况的吊杆数值仿真分析模型进行参数分析，结合现场实测监测、检测数据，对比分析得到预应力的实际使用状况，并分层次对该工程用预应力进行使用状况评估；

8、重复步骤5-步骤7，根据该悬索桥选取的典型吊杆的使用状态评估结果，及数值仿真修正模型分析结果，结合现场预应力监测、检测数据库的参数变化，对本工程使用的其他吊杆和主缆的使用状态变化趋势进行预判，进而建立具有现场实测数据测试，数值仿真分析，使用状态评估，使用状态趋势性预判功能的工程用预应力使用状态评估系统。