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1、锚下有效预应力检测仪器研发及工程应用 董雁 刘佳琪 张峰 宁夏公路建设管理局 山东大学岩土与结构工程研究中心 摘 要： 为了有效应用拉脱法测试技术测试预应力钢绞线锚下有效预应力, 该文首先介绍了拉脱法的测试原理, 研发了拉脱法的测试设备。测试设备由高频数据采集卡、油压传感器、高精度位移计及电动油泵组成。基于图形化软件平台LabVIEW, 采用图形化设计语言 G 语言编制了测试程序, 给出程序源代码。基于研究的软件和测试硬件, 集成了拉脱法锚下有效预应力测试仪器 (LTF 1.0) 。基于测试仪器, 开展了工程推广应用。研究结果表明:研究的测试仪器能够通过张拉力-延伸量曲线, 有效地识别锚下有效
2、预应力的大小;测试仪器 (LTF1.0) 具有精度高、安全性好及操作简便等优点;通过现场工程应用, 现场检测的预应力钢绞线锚下有效张拉力合格率从 54.4%提升至 94.7%, 同束离散度从 10.2%降至 1.7%。关键词： 预应力钢绞线; 有效预应力; 拉脱法; LabVIEW 软件平台; 同束离散度; 作者简介：董雁, 女, 高级工程师.E-mail:基金：国家自然科学基金资助项目 (编号:51108249) 预应力锚固技术广泛应用于边坡工程、桥梁工程及岩土加固工程中, 预应力钢绞线的张拉质量与工程质量密切相关。对于桥梁工程, 若锚下预应力过大, 会导致梁体变形;若锚下预应力不足, 则会
3、引起梁底的开裂及梁体下挠, 影响工程安全。因此, 开展锚下有效预应力的检测十分必要。锚下预应力检测分为有损检测和无损检测。无损检测主要是通过超声波、振动等技术测出张拉力, 但其受环境因素影响较大, 测量精度偏低。有损检测虽然具有较高的准确性, 但是会对结构和钢绞线造成永久性的损伤, 且不便于操作。相比较而言, 拉脱法作为一种微损检测方法, 不仅可以准确地测得钢绞线的锚下有效预应力, 而且对钢绞线的破坏较小, 可用于实际工程中。现阶段, 对于拉脱法的研究成果较少, 拉脱法的设备生产专业厂家少, 且对应的软件中判别标准不够严谨。为了能够更准确地得到钢绞线的张拉力值, 把这项技术更好地运用到工程中去
4、, 该文提出基于 LabVIEW 软件, 运用拉脱法来检测钢绞线锚下有效预应力的仪器。1 拉脱法检测原理拉脱法又称反拉法, 通过对未进行孔道注浆的预应力钢绞线进行张拉, 从而得到预应力束内的工作荷载。在实际检测过程中, 通过分析测试张拉力与位移之间的关系 (即张拉力-延伸量曲线) , 可以得到锚下有效预应力值。在检测过程中, 预应力钢绞线受 3 种力的影响, 即锚下有效预应力 F0, 检测过程中施加的反向张拉力 F1以及锚具对夹片的反力 F2, 三者关系如下:在理想状态下, 拉脱法测试锚下有效预应力曲线如图 1 所示。图 1 张拉力延伸量曲线 下载原图第 1 阶段:使用千斤顶对预应力钢绞线施加
5、拉力时, 可将其视为弹性体, 其等效刚度 k 表达式如下:式中:E 为钢绞线弹性模量;A 为钢绞线横截面面积;l 为外露段钢绞线伸长量。对外露段钢绞线施加作用后, 随着 F1不断增大, 伸长量也呈线性变化, 如图 1中 OA 段。与此同时, F 2逐渐减小。第 2 阶段:当千斤顶拉力 F1增大至与钢绞线锚下有效预应力 F0相同时, 外露段与锚固段之间的夹片脱开, 两部分钢绞线同时受力, 式 (2) 中 L 增大, 则钢绞线等效刚度减小, 张拉力-延伸量曲线斜率减小, 如图 1 中 AB 段。此时, A 点所对应的张拉力即为锚下有效工作应力。2 锚下有效预应力检测系统研发2.1 系统的软硬件环境
6、(1) LabVIEW 是一种程序开发环境, 其与其他计算机语言显著不同的地方就在于, LabVIEW 使用的是图形化编辑语言 G 编写程序, 即使用图表来代替文本行创建应用程序。并且 LabVIEW 采用数据流编程方式, 程序框图中节点之间的数据流向决定了 VI 及函数的执行顺序。LabVIEW 提供很多外观与传统仪器 (如示波器、万用表) 类似的控件, 可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板, 使用图标和连线, 可以通过编程对前面板上的对象进行控制。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图, 因此又被称作程序框图代码。LabVIEW 具有强大的数
7、据处理功能, 可以充分发挥计算机的能力, 用户可以根据自己的需求自行定义和拼装仪器, 创造出功能更强的仪器。(2) 机箱用 NI 公司生产的 NI cDAQ 9181 以太网机箱, 可容纳 4 个通用 32 位计数器, 配合采集卡使用。NI 9215 采集卡具有 100kS/s 采样率, 16 位分辨率, 可进行 4 路同步采样模拟输入。采集系统还包括位移传感器、电动油泵及油压传感器。其中, 油压传感器通过高压螺纹三通与油管相连接。2.2 检测流程该系统通过电动油泵对钢绞线进行加载, 固定在电动油泵上的油压传感器测得油压, 固定在千斤顶上的位移传感器测得延伸量, 两者将测得数据以电信号的形式送
8、入数据采集卡中, 采集卡将信号转换后送到基于 LabVIEW 编写的数据分析程序, 最后张拉力-延伸量曲线通过 LabVIEW 前面板显示。2.3 数据采集程序油压传感器和位移传感器中压力及位移的变化都与电压呈线性关系, 为保证实际检测的准确性, 通过多次测量, 对传感器进行标定。结果如表 1、2 所示。表 1 油压传感器标定 下载原表 表 2 位移传感器标定 下载原表 对表 1、2 数据进行线性拟合, 可以得到电压张拉力系数为 0.34V/t, 电压延伸量系数为 0.098V/mm。将输出电压输入计算机中, 需要虚拟仪器 LabVIEW 进行数据分析和处理。对油压传感器和位移传感器进行信号采
9、集。其步骤如下:(1) 配置采集卡。传感器连接好后, 对数据采集卡进行配置, 如果配置不合理, 会导致工作重复进行, 对采集过程造成影响。要选择正确测量的方式, 并且对通道及相关参数进行设置, 以保证测试的准确性。(2) 运行 LabVIEW 虚拟程序。将传感器连接到采集卡上, 运行程序进行数据采集工作, 采集到的数据以电信号的形式通过 DAQ 助手传到电脑上, 再输入LabVIEW 程序进行处理, 最终输出得到检测图像。在前面板中, 可以很直观地观测实时检测数据。(3) 数据的分析与提取。当检测图像达到拐点时, 点击“停止”按钮完成采集, 并且将数据进行保存, 便于后续的分析应用。3 工程推
10、广应用3.1 合格率控制基于研究的软件和测试硬件, 集成了拉脱法锚下有效预应力测试仪器 (LTF 1.0) 。基于测试仪器, 开展了工程推广应用。选取某立交主线桥第 14 联进行说明。如图 2 所示, 在该断面中随机抽取 3 束 (19 根/束) 预应力钢绞线, 利用测试仪器 (LTF 1.0) 对其进行检测。图 2 检测横断面图 下载原图在随机抽测的 3 束钢绞线中, 单根张拉合格率仅为 54.4%, 由于篇幅有限, 仅列出其中一束的数据, 检测合格情况见表 3。表 3 整束钢绞线张拉力 (1) 下载原表 从表 3 可以看出:由于施工单位张拉质量等原因, 导致多根钢绞线的张拉力不足, 达不到
11、规范要求的标准, 影响了工程的质量。采用该测试仪器 (LTF1.0) 在现场进行检测发现问题及时解决, 对现场施工进行指导。在后续施工中, 又对此桥进行复测, 检测合格情况见表 4。表 4 整束钢绞线张拉力 (2) 下载原表 由表 1、2 可以看出:第 1 次检测钢绞线平均张拉力为 17.95t, 没有达到检测标准。第 2 次检测钢绞线平均张拉力达到 18.68t, 达到检测标准, 且钢绞线单根张拉合格率由 54.4%提高至 94.7%。表明通过检测张拉控制, 对钢绞线平均张拉力有显著提升。3.2 同束离散度控制钢绞线同束离散度反映了张拉力的分布均匀度, 同束离散度过大, 证明钢绞线受力不均匀
12、, 严重者会引起单根钢绞线拉断, 造成施工事故, 因此, 控制同束离散度十分必要。选取控制前后两组钢绞线进行对比。控制张拉前, 预应力钢绞线同束离散度达到 10.2%, 其中该束钢绞线中单根钢绞线张拉力最大达到 21.94t, 而最小仅为 16.65t, 相差达 5.29t, 会严重影响整束钢绞线的受力模式, 甚至引起断丝, 造成严重的工程事故, 测试张拉力分布情况见表 5。表 5 整束钢绞线张拉力 (3) 下载原表 在后续工程中, 又对其进行了复测, 经过指导, 同束离散度显著下降, 保证了钢绞线受力的均匀性, 测试张拉力分布情况见表 6。表 6 整束钢绞线张拉力 (4) 下载原表 由表 5
13、、6 可以看出:第 1 次检测同束离散度高达 10.2%, 没有达到检测控制标准。通过控制张拉过程, 在第 2 次测试中, 同束离散度已经降至 1.7%, 保证了施工质量, 同时表明:通过控制张拉, 钢绞线同束离散推广价值。度能得到有效控制。4 结论(1) 解释了拉脱法的检测原理, 对于未进行孔道压浆的预应力钢绞线, 可以利用拉脱法, 通过张拉力-延伸量曲线测得钢绞线锚下有效预应力。(2) 研发了拉脱法检测设备, 设备具有高频、实时、软件界面友好等特点, 使用方便, 安全性好。能通过张拉力-延伸量曲线准确检测出锚下有效预应力。(3) 检测仪器可应用于岩土工程、桥梁工程等预应力锚固结构锚下有效预
14、应力测试。控制前后有效张拉力合格率从 54.4%提升至 94.7%, 同束离散度从 10.2%降至 1.7%。可以显著提高工程质量, 具有广泛的参考文献1付丹.预应力锚索工作应力的检测方法研究D.清华大学硕士学位论文, 2010. 2王继成.桥梁预应力及索力张拉测控技术M.北京:人民交通出版社, 2010. 3Chen R H L, Wissawapaisal K.An Ultrasonic Method for Measuring Tensile Forces in a Seven-Wire Prestressing StrandJ.AIP Conference Proceedings, 2002, 615:1 295-1 302. 4付丹, 郭红仙, 程晓辉, 等.预应力锚索工作应力的检测方法:拉脱法的检测机制和试验研究J.岩土力学, 2012 (8) . 5JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范S.
