在役预应力钢筋局部位置有效应力的检测装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种在役预应力钢筋局部位置有效应力的检测装置及测量方法，该装置将夹具通过支架固定于套筒上，夹具夹在待测预应力钢筋上，制动器、质量球套在导轨上用制动器固定，导轨一端固定于套筒上，导轨另一端与待测预应力钢筋紧密接触，套筒内壁中心放置点光源，沿套筒轴线方向放置一定长度的光电条带，点光源和光电条带相对布置并与数据采集器连接。本发明利用不同预应力水平下钢筋侧向刚度不同，从而与外界的碰撞冲击过程中能量传递特性存在差异，利用外界质量球的机械能改变量来捕捉这种差异，实现不破坏钢筋传力整体性的前提下对在役的预应力钢筋指定位置处有效应力检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在役的预应力钢筋指定位置处有效应力的检测装置及其测 量方法，属于工程结构受力状态的健康检测领域。

背景技术

预应力混凝土结构利用预应力钢筋的预拉应力，可以有效防止混凝土过早 开裂，提高结构破坏时的承载能力，是预应力混凝土在工程界得以广泛应用的 主要考量因素。二十世纪中叶，伴随高强预应力钢筋生产技术的提高，预应力 混凝土开始在大型桥梁、水利、核电等项目中广泛采用。

但由于预应力混凝土自身特性，在预应力钢筋张拉后存在多种预应力损失 效应，导致并非全部的张拉应力转化为有效应力。其中部分预应力损失是随时 间增长的，而且在预应力钢筋不同位置处有效应力各不相同。在预应力钢筋混 凝土结构的正常工作运行期间内，预应力钢筋的有效应力总体趋势是降低的。

在上世纪八九十年代，国际工程界开始关注混凝土结构全寿命问题，体现 在预应力混凝土结构中，就是工程人员希望在不破坏原有结构整体性的同时， 获得在预应力结构使用期间内的不同时间点上指定局部位置处的预应力钢筋的 有效应力。

目前预应力钢筋有效应力检测方法主要有：应变片粘贴法、锚下压力传感 器检测法、传感器检测法、磁通量检测法、光栅光纤检测法、超声导波检测法、 等效质量检测法等。应变片粘贴法、锚下压力传感器检测法和传感器检测法是 现在比较常用的检测方法，但是这几种检测方法都需要在施工过程中，预应力 结构浇筑之前预装各种传感器，否则便无法获得预应力钢筋的初始状态；光栅 光纤检测法是比较新的检测方法，利用光栅周围预应力钢筋应变量发生变化时 产生的纤芯折射率改变进而导致光栅信号波长发生位移原理来测量预应力钢筋 的有效应力大小，但这种方法也需要在浇筑施工过程中预埋置传感器装置，且 光纤光栅的中心波长易受到环境温度影响，实际应用限制较多，一般应用在实 验室环境中。以上以应变测量为依据的测量方法，虽可获得预应力钢筋局部位 置处的有效应力，但需在混凝土浇筑过程中预埋传感器，需要较高的安装应用 条件。

此外无需在浇筑施工中预埋传感器的方法有：磁通量检测法、超声导波检 测法、磁通量检测法、等效质量检测法等。磁通量检测法是基于铁磁性材料的 磁弹效应来测量预应力钢筋的有效应力大小，成本较高；超声导波检测法利用 应力波传输速度对预应力钢筋有效应力水平的敏感性来测量预应力钢筋的有效 应力大小；等效质量检测法则利用激励锤敲打锚头，然后捕捉锚头的振动响应 来测量预应力钢筋的有效应力大小。但这些预应力钢筋有效应力监测方法只能 测量较长一段预应力钢筋或整根预应力钢筋有效应力的平均值。

以上的预应力钢筋有效应力检测方法是当前条件下对预应力钢筋应力状态 检测的不同角度的探索与尝试。目前缺少一种无需浇筑前预埋传感器的在役预 应力钢筋指定位置处有效应力的，且不破坏预应力钢筋传力整体性的检测装置。

发明内容

本发明提供了一种基于碰撞能量传递特性差异分析的小型的在役预应力钢 筋指定位置处有效应力检测装置及其测量方法，利用不同预应力水平下钢筋侧 向刚度不同，从而在与外界的碰撞冲击过程中能量传递特性存在差异，利用外 界质量球的机械能改变量来捕捉这种差异，实现对在役的预应力钢筋指定位置 处有效应力的无损检测。本发明主要利用检测质量球碰撞过程中机械能改变来 间接测量在役的预应力钢筋指定位置处有效应力的原理，其次利用光电材料对 指定位置处质量球速度量的精细捕捉方法。本发明装置整体性较好、体型较小， 有较高的适用性，解决了目前预应力钢筋有效应力检测装置重复使用成本高、 测试条件要求高等问题。

本发明的一种在役的预应力钢筋指定位置处有效应力检测装置，包括夹具、 支架、质量球、导轨、套筒、点光源、光电条带、数据采集器、制动器；夹具 通过支架固定于套筒上，制动器、质量球套在导轨上，导轨一端固定于套筒上， 导轨另一端与待测预应力钢筋紧密接触，导轨可伸缩，点光源布置于套筒内壁， 光电条带沿套筒轴线方向布置于套筒内壁，点光源和光电条带在套筒内壁上位 置相对并与数据采集器连接。

光电条带是将感光元件以较高的密度线形布置，并能够以很高的频率采集 光信号的装置。当质量球沿导轨运动时，遮挡点光源照射到光电条带上的光线。 光电条带上各感光元件可实时将自身上的光信号强弱并转变成电信号传输到数 据采集仪上，从而可以得到由点光源发出的光线经小球遮挡后照射到光电条带 上的光影区域的变化。由相似三角形关系可知，通过点光源和光电条带的组合 可以将对质量球位移变化值进行比例放大，并能利用以高频采集信号的光电条 带装置得到更精确的质量球瞬时速度测量结果。

数据采集器中记录着多条质量球碰撞不同预应力钢筋后动能损失比和钢筋 有效应力值关系曲线。预应力钢筋的夹持长度、直径和弹模不同，则质量球碰 撞不同预应力钢筋后动能损失比和钢筋有效应力值关系曲线也不同。实际运用 中，这些标准曲线可以由精细化的有限元计算得到。数据采集器根据这些标准 曲线、待测预应力钢筋的性质和质量球碰撞后动能损失实测结果可以得到待测 预应力钢筋的有效应力。

实际应用中，应首先在待测量钢筋混凝土结构预应力钢筋露头处做一次测 量，以标定待测预应力钢筋有效应力为零时的碰撞能量传递特性基准，校正质 量球碰撞预应力钢筋后动能损失比和钢筋有效应力值关系曲线。此外，也要保 证质量球和导轨之间的光滑性，减少摩擦阻力影响，减少量测误差。

本发明利用冲击碰撞动力学原理，建立了预应力钢筋预应力水平与质量球 撞击预应力钢筋前后机械能变化量之间的关系，通过检测质量球撞击预应力钢 筋前后的速度变化计算出质量球撞击预应力钢筋前后的机械能损失，进而得到 预应力钢筋的应力水平即撞击点处预应力钢筋有效应力。本发明利用光电条带 对质量球撞击过程中的运动状态进行捕捉，根据质量球投射在光电条带上的阴 影得到更为精确的质量球瞬时速度测量结果。本发明对所检测的预应力钢筋没 有损伤、测量数据可靠、整体性强、结构简单、尺寸小、成本低，利于检测在 役预应力钢筋指定位置处的有效应力。

附图说明

图1是本发明的装置装配示意图。

图2是本发明的装置沿轴心的平面剖视图。

图3质量球碰撞预应力钢筋后动能损失比和钢筋有效应力值关系曲线。

图中：1夹具，2套筒，3导轨，4质量球，5点光源，6光电条带，7数据 采集器，8待测预应力钢筋，9支架，10混凝土，11制动器。

具体实施方式

如图所示，质量球4的质量为m。导轨3穿过中心有孔的质量球4，安置于 套筒2轴线上，导轨3一端伸入制动器11，导轨3另一端与待测预应力钢筋8 接触。光电条带6固定在套筒2的内壁，沿套筒2轴线方向安置，点光源5固 定于套筒2的内壁且与光电条带6中心点正对方向套筒2的内壁位置处。套筒2 通过支架9连接在夹具1上，夹具1紧密固定在混凝土10中的已裸露出来的待 测预应力钢筋8的两端。

如图所示，质量球4初始位置在套筒2顶端，启动制动器11，将质量球4 以一定的初始速度V₀弹出。质量球4向下运动过程中会阻挡点光源5的光线， 在光电条带6上产生一定范围的阴影，光电条带6以很高的频率f采集光影信号， 并将微小时间间隔内阴影区域移动的距离Δu返回给数据采集器7。质量球4撞 击待测预应力钢筋8前的速度V₁、微小时间间隔内阴影区域移动的距离Δu和频 率f之间满足以下关系：

V₁＝KfΔu(1)

式(1)中：K-为放大系数，由点光源、质量球、光电条带的相对位置决定。 当点光源和光电条带以质量球为对称中心对称布置时，K＝2。

如图所示，质量球4撞击待测预应力钢筋8后开始向上运动，也会在光电条 带6上产生一定范围的阴影，光电条带6依然可以按照式(2)捕捉质量球4撞 击待测预应力钢筋8后的速度V₂：

V₂＝KfΔu(2)

式(2)中：K-为放大系数，由点光源、质量球、光电条带的相对位置决定。 当点光源和光电条带以质量球为对称中心对称布置时，K＝2。

如图所示，质量球4第一次碰撞待测钢筋后反弹，其阴影掠过光电条带6后， 被制动器11收回并固定，等待下一次测量。

如图所示，质量球4撞击待测预应力钢筋8后，由于待测预应力钢筋8吸收 质量球4的机械能产生弹性变形并自振，质量球4会有机械能损失

数据采集器7利用光电条带8捕捉到的质量球4撞击 前后的光电信号得出质量球4机械能损失比ω为：

$\omega =\frac{2\Delta E}{{\mathrm{mV}}_1^2}=\frac{(V_1^2-V_2^2)}{V_1^2}---\left(3\right)$

根据有限元模型计算可以得到质量为m的球体碰撞不同直径、不同强度、不 同有效应力水平下的预应力钢筋一次后动能损失比ω和钢筋有效应力值关系曲 线。

如图3所示，以半径为0.01m、质量为0.033kg的钢制质量球撞击直径为20mm、 初始预应力为907MPa、装置夹持长度为0.2m的两种弹模的预应力钢筋为例， 由有限元软件计算得到的质量球碰撞预应力钢筋后动能损失比ω和钢筋有效应 力值关系曲线，曲线1代表刚度为1.95GPa的预应力钢筋，曲线2代表刚度为 2.1GPa的预应力钢筋。

以直径为20mm、初始预应力为907MPa、弹模为1.95GPa的预应力钢筋为 例，从图3中选取曲线1为该待测钢筋的质量球碰撞预应力钢筋后动能损失比ω 和钢筋有效应力值关系曲线，并且在待测预应力钢筋8露头处即有效应力为零 处测量一次，如测量值与曲线1零点值不一致则对已选择的曲线1进行比例缩 放，达到校正的效果。

数据采集器7利用如上待测预应力钢筋8的质量球碰撞预应力钢筋后动能损 失比ω和预应力钢筋有效应力值关系曲线(即曲线1)和测量得到的质量球4机 械能损失比ω，就能计算出待测预应力钢筋8的有效应力值。

通过本装置，将预应力钢筋有效应力测量问题转变成质量球机械能损失测量 问题，继而利用光电条带得以敏感捕捉质量球机械能损失来完成对预应力钢筋 有效应力的测量。