PHC管桩结构荷载检测装置及安装方法与流程

本发明涉及桩基施工检测领域，尤其涉及一种phc(预应力高强度混凝土)管桩结构荷载检测装置及安装方法。

背景技术：

近些年来，phc管桩(即预应力高强度混凝土管桩)以其优异的承载性能、低廉的造价以及生产、施工速度快等特点在高层建筑、道路、桥梁、港口、码头等工程中得到了广泛的应用。作为上部结构荷载与底层基础之间的传递介质，基桩的安全性和适用性对于整个工程的重要性是不言而喻的，而对桩身应力、应变的检测又是评价基桩安全性与适用性非常关键的一环。因此，研究phc管桩在竖向荷载、水平荷载的受力传递机理和结构损伤之间的规律具有十分重要的意义。

由于phc管桩在制作时，需要经过预应力张拉、离心成型和高温蒸汽养护等工序，在对phc管桩实施相应监测时，管桩的制作流程对传感器抗高温、抗高压性能提出了更高要求；同时，在现场施工过程中，phc管桩在受打压时轴向变形较大，对传感器的变形耐受能力要求很高。由于目标传感器需要符合上述额外特殊要求，传统的电阻式应变传感器应用于混凝土管桩现场时，存活率普遍较低。即使存活下来，电阻式应变传感器在精度、漂移、稳定性等方面通常难以满足现场测试需求，并且传统电阻式应变传感器在施工上也较为复杂。因此，亟须寻找一种能够适应phc管桩特殊要求的传感装置来满足结构长期健康监测的需求。

光纤光栅传感器凭借自身抗电磁干扰、电绝缘性能好、耐腐蚀、体积小、传输损耗小、传输容量大、测量范围广等优点在航空航天、土木、交通、能源等领域中得到广泛应用。随着光纤传感器技术发展日趋成熟，在各领域的应用展现出蓬勃发展的态势，极有可能替代传统的传感器。

目前，国内已有将fbg传感技术应用于混凝土管桩测试的工程实例，但成败参半。fbg技术用在桩基结构检测领域的一个关键难题是fbg传感系统的埋设工艺。kister对该传感系统在灌注桩中的埋设工艺与可行性进行了研究，但并未涉及系统运用于混凝土预制桩测试的可行性分析。冯春把fbg传感技术运用到phc桩的竖向静载荷试验中，但试验结果不甚理想，4根试桩的fbg传感器的存活率分别只有13％、47％、3％、25％，然而存活下来的传感器测试精度较高，能准确反映桩体内应变随桩顶载荷的变化趋势。由此可见，只要做好fbg传感系统的保护措施，便可将这项技术应用于混凝土管桩结构载荷试验中。

既有专利(公开号：cn102936903a)公开了一种phc管桩试桩应力、应变检测的方法。具体包括放样、切槽、连线、放线、测试、固定走线、粘贴、密封等工序，属于典型的外壁开槽敷设方法，不仅对管桩结构存在一定的破坏，而且工序非常复杂，可靠性较差，不易推广使用。既有专利(公开号：cn104727352a)公开了一种phc管桩光纤应变计安装方法。首先在phc管桩的桩身周围埋设若干尺寸的槽位；然后将光纤应变计埋入到指定的槽位；最后采用光纤导线将各传感器进行连接。该方法较好地避免光纤应变计在制桩过程中可能受到的损坏，也避免了打桩过程中周围土体给光纤应变计带来的损坏，但施工过程较为复杂，且桩体结构的损伤程度随着埋设传感器数量的增多而存在逐渐增大的风险。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种phc(预应力高强度混凝土)管桩结构荷载检测装置及安装方法，利用工业拉丝塔制备基于光纤光栅阵列技术的传感光纤，该传感光纤集传感、传输于一体，用于phc管桩结构应力、应变检测，具有容量大、距离长、分布密集、多参数融合和测量精度高等特点；与传统的外壁开槽敷设传感器方法不同，本发明是在管桩混凝土浇筑之前，将一次成型的传感光纤预先植入已刻好槽的钢棒，然后将钢棒与钢筋笼捆绑在一起，再进行后续的预应力张拉、离心成型和高温蒸汽养护等工序，具有成活率高、可靠性好、测量准确、敷设便捷和成本低廉等特点，且对管桩本体结构无任何损伤，易于大面积推广使用。

本发明为达到上述目的，所采用的技术方案是：

本发明的智能传感钢筋，包括传感光纤、光纤接续盒和辅助钢筋，所述辅助钢筋上沿其长度方向开设直槽，所述传感光纤沿直槽敷设并以一定的预张状态固定在直槽内；该传感光纤的光纤接头部通过钢筋弯头引入到光纤接续盒。

接上述技术方案，所述直槽内填充环氧树脂砂浆。

接上述技术方案，该传感光纤包括单模光纤、光纤光栅阵列传感器和外护套，所述光纤光栅阵列传感器由若干相同波长的光纤光栅构成，外部套设外护套，传感器之间通过单模光纤进行串接。

接上述技术方案，所述外护套为环氧树脂的材料和光纤光栅阵列传感器一次挤塑成型。

接上述技术方案，所述外护套由聚氯乙烯材料、pvc紧套材料或环氧树脂材料制成。

接上述技术方案，所述辅助钢筋的尾部攻丝，通过橡胶及紧箍与光纤接续盒衔接。

本发明的phc管桩结构荷载检测装置，包括上述智能传感钢筋，该智能传感钢筋固定在管桩钢筋笼的主钢筋上，且位于管桩的外边缘；

该智能传感钢筋的光纤接续盒内的传感光纤通过光纤法兰盘引出，并通过连接光缆与外界解调仪表或其它管桩钢筋笼的传感光纤进行串接。

接上述技术方案，所述光纤接续盒固定于管桩轴心。

本发明的phc管桩结构荷载检测装置的安装方法，包括以下步骤：

采用冷加工方法沿辅助钢筋外侧壁从首端到尾端切直槽，并用砂纸打磨；

用吹风机及毛刷将直槽内的铁屑、灰尘清除干净，并用记号笔标记出传感器的具体安装位置及光纤接头的引出部位；

将传感光纤沿直槽敷设，传感光纤内的光纤光栅传感器与预先标记的安装位置一一对应，采用快速固化胶固定光纤光栅传感器两端，并让传感器保持一定的预张状态；

将所有光纤光栅传感器固定完毕以后，采用环氧树脂砂浆对直槽进行全方位的填充、密封，再将传感光纤接头通过钢筋弯头引入到光纤接续盒，以确保传感光纤及接头在管桩后续的生产过程中免受损坏；

在管桩混凝土浇筑之前，将敷设好传感光纤的辅助钢筋固定在管桩钢筋笼的主钢筋上，且位于管桩的外边缘；

将光纤接续盒内的传感光纤通过光纤法兰盘引出，并通过连接光缆与外界解调仪表或其它管桩钢筋笼的传感光纤进行串接。

本发明产生的有益效果是：本发明通过在辅助钢筋上刻槽，且采用管桩浇筑混凝土之前预埋传感光纤的安装方法，避免了管桩本体因外壁刻槽带来的结构损伤；

此外，采用与phc管桩相同强度的环氧树脂砂浆填充钢筋凹槽，使固化后的砂浆强度尽量与管桩混凝土保持一致，从而有效地避免了打桩过程中管桩周围的土体给传感器带来的损坏，非常适合管桩大规模推广应用。

进一步地，采用一次成型的传感光纤来实现phc管桩的应力、应变检测，具有强度高、成活率高、测量准确和敷设方便等特点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的一种基于光纤光栅阵列技术的传感光纤结构示意图；

图2是本发明涉及到的传感光纤敷设安装示意图；

图3是本发明涉及到的智能钢筋放置及线路规划示意图；

图4是本发明涉及到的传感光纤接头连接及保护示意图；

图5是本发明涉及到的传感光纤敷设剖面图；

图6(a)～(d)分别为四根试验桩测试曲线。

图1中：1单模光纤；2光纤光栅阵列传感器；3外护套。

图2中：4辅助螺纹钢筋；5钢筋凹槽；6钢筋弯头；7传感光纤；8环氧树脂砂浆。

图3中：9主钢筋；10智能钢筋；11光纤接头；12光纤接续盒。

图4中：13辅助钢筋；14橡胶及紧箍法兰盘；15下部光纤接续盒；16上部光纤接续盒；17连接光纤；18光纤法兰盘；19连接光缆。

图5中：20钢筋笼；21上下轴向智能钢筋；22左右轴向智能钢筋。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的phc(预应力高强度混凝土)管桩结构荷载检测装置利用工业拉丝塔制备基于光纤光栅阵列技术的传感光纤，该传感光纤集传感、传输于一体，用于phc管桩结构应力、应变检测，具有容量大、距离长、分布密集、多参数融合和测量精度高等特点；与传统的外壁开槽敷设传感器方法不同，本发明是在管桩混凝土浇筑之前，将传感光纤预先植入已刻好槽的钢棒，然后将钢棒与钢筋笼捆绑在一起，再进行后续的预应力张拉、离心成型和高温蒸汽养护等工序，具有成活率高、可靠性好、测量准确、敷设便捷和成本低廉等特点，且对管桩本体结构无任何损伤，易于大面积推广使用。

本发明的智能传感钢筋包括传感光纤、光纤接续盒和辅助钢筋，所述辅助钢筋上沿其长度方向开设直槽，所述传感光纤沿直槽敷设并以一定的预张状态固定在直槽内；该传感光纤的光纤接头部通过钢筋弯头引入到光纤接续盒。

如图1所示，本发明实施例的基于光纤光栅阵列技术的传感光纤主要由单模光纤1、光纤光栅阵列传感器2和外护套3三部分构成。其中，所述外护套可由聚氯乙烯材料、pvc紧套材料或环氧树脂材料制成；所述的光纤光栅阵列传感器由若干(5～1000个)相同波长为1550nm的光纤光栅构成，光纤光栅的反射率为0.01％，相邻两个光栅之间的间距为1.5m，传感器之间通过单模光纤进行串接；所述的传感光纤可由外护套为环氧树脂的材料和光纤光栅阵列传感器一次挤塑成型，成型后的传感光纤外经为1.2mm。

采用环氧树脂材料对制备好的光纤光栅阵列传感器可进行一次挤塑成型，从而制备出可直接用于管桩结构应力、应变检测的传感光纤，所制备的传感光纤具有强度高、一致性好、安装便捷等特点，易于管桩群大规模组网。采用冷加工的方法在外径为12mm的辅助螺纹钢筋外侧壁开深2mm、宽2mm的笔直凹槽，然后将制备好的传感光纤(外径为1.2mm)沿着钢筋凹槽进行敷设、粘贴和密封；随后，再将安装传感光纤后的智能钢筋与待灌注管桩所用钢筋笼牢固绑扎在一起，并对光纤接续盒进行良好封装后固定在管桩中间的空隙处，以便信号引出和续接；最后，将传感光纤安装完毕后的钢筋笼进行后续的预应力张拉、离心成型和高温蒸汽养护等工序，从而达到预先埋植传感器的目的，其传感器成活率可以达到100％。

如图2所示，本发明涉及到的传感光纤敷设安装示意图。首先，采用冷加工方法将外径为12mm的辅助螺纹钢筋4外侧壁开深2mm、宽2mm的凹槽(可以理解的是，也可以根据需要设置其他的尺寸)。从首端到尾端切直槽，紧接着用砂纸打磨，要求槽底面平滑，无突出棱角；然后，用吹风机及毛刷将钢筋凹槽5内的铁屑、灰尘清除干净，并用记号笔标记出传感器的具体安装位置及光纤接头的引出部位；再次，将外径为1.2mm的传感光纤7沿钢筋凹槽敷设，要求传感光纤内的光纤光栅传感器与预先标记的安装位置一一对应，采用快速固化胶固定光纤光栅传感器两端，并让传感器预张800pm，提高其检测灵敏度；最后，将所有光纤光栅传感器固定完毕以后，采用环氧树脂砂浆8对钢筋凹槽进行全方位的填充、密封，再将传感光纤接头通过钢筋弯头6引入到光纤接续盒，从而确保传感光纤及接头在管桩后续的生产过程中免受损坏。在管桩混凝土浇筑之前，将敷设好传感光纤的辅助钢筋固定在管桩钢筋笼的主钢筋上，且位于管桩的外边缘；将光纤接续盒内的传感光纤通过光纤法兰盘引出，并通过连接光缆与外界解调仪表或其它管桩钢筋笼的传感光纤进行串接。

如图3所示，本发明涉及到的智能钢筋放置及线路规划示意图。智能钢筋10由感知管桩结构应力、应变的传感光纤和辅助螺纹钢筋构成，将智能钢筋与制作管桩钢筋笼的主钢筋9牢固地捆绑在一起，两端的传感光纤接头11通过钢筋弯头引入到光纤接续盒12，通过焊接方法将光纤接续盒固定在管桩轴心，避免管桩离心成型时将其损坏，并将接续盒密封保护，以免混凝土泥浆渗入破坏光纤接头。

如图4所示，本发明涉及到的传感光纤接头连接及保护示意图。传感光纤接头的连接和保护是至关重要的，是决定系统监测成败的关键。本发明在辅助钢筋13的尾部攻丝，通过橡胶及紧箍14与下部光纤续接盒15进行衔接，以防止管桩在离心旋转时渗入混凝土泥浆破坏光纤。光纤接续盒内的连接光纤17通过光纤法兰盘18引出，并通过连接光缆19与其它管桩进行衔接，其中上部光纤续接盒16与下部光纤续接盒15分别位于上、下两根智能管桩轴心部位，管桩之间采用单芯光缆进行信号传输。

如图5所示，本发明涉及到的传感光纤敷设剖面图。为了深入地研究管桩结构承受荷载的能力以及应力、应变的分布情况，在每根管桩中设计了4路安装有传感光纤的智能钢筋，分别为上、下轴向智能钢筋21和左、右轴向智能钢筋22，所研制的4根智能钢筋均与管桩钢筋笼20的主钢筋进行绑扎，且位于管桩的外边缘，呈对称型分布。相比外壁刻槽敷设光纤光栅传感器的方法，该系统具有稳定性好、可靠性高、测量准确和敷设便捷等优点，且对管桩本身结构无损伤，易于大面积推广使用。

本次试验对4根管桩进行了光纤应力测试试验，通过贯入过程的波长变化值，可以计算出光纤传感器的应力变化，由传感器的应力变化计算出桩身截面的轴力，从而求得管桩在贯入土层时的摩擦力。如图6(a)～(d)分别为①～④试验桩测试曲线，从图上可以看出，桩顶受竖向荷载作用后，桩身压缩而向下位移，桩侧表面受到土的向上摩阻力，桩身荷载通过发挥出来的侧阻力传递到桩周土层中去，从而使桩身荷载与桩身压缩变形随深度递减。随着荷载增加，桩端出现竖向位移和桩端反力，桩端位移加大了桩身各截面的位移，并促使桩侧阻力进一步发挥，一般说来，靠近桩身上部土层的侧阻力先于下部土层发挥，而侧阻力先于端阻力发挥出来。

本发明采用智能传感钢筋来实现phc管桩的应力、应变检测，具有强度高、成活率高、测量准确和敷设方便等特点；采用管桩浇筑混凝土之前预埋传感光纤的安装方法，避免了管桩本体因外壁刻槽带来的结构损伤；采用与phc管桩相同强度的环氧树脂砂浆填充钢筋凹槽，使固化后的砂浆强度尽量与管桩混凝土保持一致，从而有效地避免了打桩过程中管桩周围的土体给传感器带来的损坏，非常适合管桩大规模推广应用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。