一种长期监测PSC结构预应力损失的装置及方法与流程

本发明涉及一种长期监测PSC结构预应力损失的装置及方法。

背景技术：

预应力混凝土结构在使用期间内，由于各种不利条件和因素的影响，导致预应力混凝土结构产生不同程度的损伤；而造成预应力损失的因素极其复杂，我们很难甚至不可能准确地计算出结构的预应力损失。因此，对预应力损失进行实时长期监测将变得至关重要。

通过在预应力混凝土结构中安装预应力监测传感器，可以直接获取现存的预应力，应用十分方便。目前，常用的传感器类型主要有以下几种:

1)应变片法，即在钢绞线上粘贴应变片，从而获得钢绞线应力的方法。但是由于应变片的防护困难、稳定性差，在实际工程中的应用存在很大的制约性。

2)钢弦式应变测量传感器是通过监测混凝土的应力应变，从而推算预应力筋的损失情况。但是由于混凝土收缩徐变和应变测量滞后等的影响，使得其预测应力损失大小的效果并不是太理想。

3)位移传感器或压力传感器，将传感器安装在锚具与张拉端之间。分别通过位移传感器测量预应力筋的伸长量、压力传感器测量张拉力。但是这种方法只能侧得张拉端钢绞线的应力，所以得出的预应力损失并不可靠。

4)振弦传感器，采用振弦式应变计测量混凝土的应变，从而推测混凝土的应力水平，但这种方法的长期性和可靠性还需进行探讨。

5)裸光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、稳定性好等优点，但缺点也十分明显—脆弱、已损坏、工艺复杂，成本高昂。

现有的问题：目前对预应力混凝土结构预应力损失的现有的长期监测手段主要存在下列问题：1)对预应力混凝土结构长期监测设备耐久性不足，桥梁设计使用年限为100年，但是监测设备的使用寿命往往只有10-20年，有的甚至更短；2)当预应力混凝土结构处于服役期，对预应力监测时，存在对预应力混凝土结构损伤问题，否则无法安装监测装置；3)目前对预应力损失的监测方法的智能程度不高而且稳定性不足，严重阻碍了预应力混凝土结构在服役期性能评估；4)现有的监测方法获得的监测数据受环境影响严重，需要对数据进行多次处理。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种长期监测PSC结构预应力损失的装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种长期监测PSC结构预应力损失的装置，在主梁结构的1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8，7/8截面的上层各安装两个PZT压电陶瓷传感器，绑扎于预应力筋下表面，每一个截面上层的两个PZT压电陶瓷传感器中，一个沿水平方向安装，用以记录预应力混凝土结构竖向应力以及剪应力的变化，另外一个PZT压电陶瓷传感器垂直于水平方向安装，用以记录预应力结构纵向应力的变化；在主梁结构的1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8，7/8截面的下层各安装两个PZT压电陶瓷传感器，绑扎在上缘架立钢筋下，每一个截面下层的两个PZT压电陶瓷传感器中，一个沿水平方向安装，用以记录预应力混凝土结构竖向应力以及剪应力的变化，另外一个PZT压电陶瓷传感器垂直于水平方向安装，用以记录预应力结构纵向应力的变化；14个PZT压电陶瓷传感器安装在主梁结构中性轴附近。

所述PZT压电陶瓷传感器包括传感器本体；所述传感器本体设置在防水层内；所述防水层外设有保护层。

所述防水层的材料为环氧树脂。

所述保护层为与预应力混凝土主梁结构同一级配的混凝土外包层。

本发明还提供了一种长期监测PSC结构预应力损失的方法，包括以下步骤：

1)桥梁建成时，设立基准初始时间t0，获得预应力损失还没有发生时的基准信号并记录基准信号

2)试验分析在土木结构振动响应的频率范围，即在低频范围内，驱动频率对PZT压电陶瓷传感器(1)所受应力与输出电压关系的影响分析；开展PZT压电陶瓷传感器动态应力传递试验，分析PZT压电陶瓷传感器(1)制作工艺对其动态特性的影响，并对理论分析的结果加以验证；

3)建立主梁结构任意测试截面的上层钢筋处即下截面、中性轴即中轴线和下层钢筋处即下截面的应力波信号变化与预应力损失之间的关系表达式，其中上截面应力波信号为下截面的应力波信号为中轴线应力波信号为式中，N_pretress为预应力张拉引起的轴力；e_prestress为预应力张拉时的偏心距；A为任一测试截面的截面面积；I为任一测试截面的惯性矩；M_dead为恒载引起的弯矩；M_dead为车辆荷载引起的弯矩；y₁为预应力效应的力矩；y₂为恒载效应的力矩；y₃为车辆荷载效应的力矩；

4)获取初始时间t0时刻，没有发生预应力损失时，主梁结构的横向应力波信号s_t0-h和纵向应力波信号s_t0-z，用以标定恒载和活载引起的应力变化；

5)获取任意时间ti主梁结构有预应力损失时的下截面、中轴线以及上截面的横向应力波信号s_ti-h和纵向应力波信号s_ti-z；

6)通过带通滤波器，利用时域卷积和小波变换技术，对下截面、中轴线以及上截面带有预应力损失的横向应力波信号和纵向应力波信号进行过滤，去除噪音的影响；

7)将过滤后的下截面、中轴线以及上截面带有预应力损失的横向应力波信号和纵向应力波信号分别与任意测试截面的上层钢筋处、中性轴、下层钢筋处无预应力损失获得的横向应力波信号s_ti-h、纵向应力波信号s_ti-z对比分析，校准下截面、中轴线以及上截面有预应力损失时的横向应力波与纵向应力波的传播速度；

8)将当次测试信号与任意测试截面的上层钢筋处、中性轴和下层钢筋处在t0时刻的基准信号对比分析，计算有预应力损失时的信息的随距离变化的衰减规律；

9)对下截面、中轴线以及上截面带有预应力损失信息的横向应力波信号和纵向应力波信号进行运算处理，得到残差信号，并对残差信号进行希尔伯特变化，然后对横向应力波信号和纵向应力波信号进行相关性和归一化处理；

10)利用相关性和归一化处理后的横向应力波信号和纵向应力波信号计算主梁结构内部任意关心位置的预应力损失值，重复步骤1)～步骤9)，以得到相应关心位置的预应力变化信息。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明用长方形PZT智能骨料嵌入混凝土中长期监测预应力混凝土主梁结构预应力损失情况，通过将智能骨料传感器嵌入混凝土中，将骨料作为传感器和驱动器，当混凝土结构发生预应力损失时，应力波传播的信号发生变化，通过与标定信息对比分析以及理论分析对比研究，利用信号识别技术，结合傅里叶变换处理技术。可以得到预应力损失发生时间以及预应力损失的大小等信息，为预应力混凝土结构评估提供数据支持。

附图说明

图1为长方形PZT智能骨料传感器；

图2新建桥梁1片主梁结构传感器的布置；

图3测试信号连接图。

具体实施方式

本发明涉及制作嵌入式长方形PZT压电智能骨料传感器(传感器本体)1，将长方形PZT压电陶瓷传感器1用防水层11和保护层12包好，如图1，在压电陶瓷传感器1上涂抹一层环氧树脂防水层，用以绝缘和粘结外包层。在防水层外再包一层与预应力混凝土主梁结构同一级配的混凝土外包层，起到防止传感器在结构内部被压碎或者拉断，起到保护传感器的作用。

42个装配式PZT压电智能传感器的安装。在新建预应力主梁结构4施工过程中，每一个截面上层各2个传感器，7个截面，共计14个传感器绑扎于预应力筋5下表面，一个沿水平方向，另一个沿纵向安装，以保护在混凝土浇注过程中遭受破坏；每一个截面下层各2个传感器，7个截面，共计14个压电智能传感器绑扎在上缘架立钢筋6下面，一个沿水平方向，另一个沿纵向安装；14个压电智能传感器安装在中性轴附近。一片主梁结构分别1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8，7/8截面各安装6个传感器，在每一个截面的每一层中，一个是沿着水平纵向安装，用以记录预应力混凝土结构竖向应力以及剪应力的变化，另外一个是垂直于水平方向安装，用以记录预应力结构纵向应力的变化，同时将主梁结构分成8个区，目的是为了获取不同位置的应力变化信号。共计42个智能传感器，具体的安装方法见图2。

建立长方形压电陶瓷实时长期监测预应力损失力学模型。基于PZT正压电效应的本构关系以及预应力混凝土结构应力变化的力学原理，建立了长方形压电智能骨料力学模型及变换模型，σ_stress＝σ_水平/v_g1+σ_纵向/v_g2+σ_ok，σ_水平为水平应力信号，σ_纵向为纵向应力信号，v_g1为信号水平传播速度，v_g2为信号水平传播速度，并认为长方形传感器主要受轴向力以及轴向力在传感器极化面上均匀分布，求解了长方形压电智能传感器与主梁结构混凝土应力参数变化的对应关系，分析了混凝土应力变化特征与传感器激励信号随应力波频率的关系。

传感器标定：长方形PZT智能传感器信号标定以及预应力混凝土桥梁主梁结构4在服役过程中的测试涉及到的设备有信号数字发生器7、压电驱动电源8、数字示波器9、数据终端处理器10，其连接顺序见图3。利用在第3)步中建立的长方形压电智能骨料与预应力损失参数的力学模型，通过设备对桥梁主梁结构4在基准时间t₀时的信号的激励和获取，经过数字示波器9，利用数据终端处理器10对基准时刻t₀时的信息进行傅里叶变化以及小波技术处理，记录新建桥梁在没有锈胀开裂时刻时频率、振幅等参数信息，并储存起来，并记录在当时条件下的环境参数。另外，利用有限元软件模拟了“外包层-防水层-压电陶瓷”结构在简谐荷载激励下，极化方向的应变分布随频率的变化情况，并与分析的理论分析解对比，验证理论分析的正确性。

基于应力波的预应力损失测试与识别技术

由长方形PZT传感器与长方形PZT传感器之间接收的信号获取预应力混凝土结构预应力损失技术的主要步骤为：

a)桥梁刚建成时，设立基准初始时间t0，获得预应力损失还没有发生时的基准信号并记录下来；

b)试验分析在土木结构振动响应的频率范围，即在低频范围内，驱动频率对传感器所受应力与输出电压关系的影响分析；开展嵌入式压电陶瓷传感器动态应力传递试验，分析了传感器制作工艺对其动态特性的影响，并对理论分析的结果加以验证。

c)建立上截面、中轴线以及下截面的应力变化与预应力损失之间的关系表达式，其中上截面应力为下截面的应力为中轴线应力为式中:N_pretress预应力张拉引起的轴力，e_prestress为预应力张拉时的偏心距；A为截面面积；I为截面惯性矩；M_dead为恒载引起的弯矩，M_dead为车辆荷载引起的弯矩，y₁为预应力效应的力矩，y₂为恒载效应的力矩，y₃为车辆荷载效应的力矩。当预应力发生损失时，N_pretress同时发生变化，进而引起σ变化。一旦σ变化，引起应力波以及结构频率发生变化，可以通过应力反馈出来。

d)获取初始时间t0时刻，结构有没有发生预应力损失时，结构的横向应力波信号s_t0-h和纵向应力波信号s_t0-z，用以标定恒载和活载引起的应力变化；

e)获取任意时间ti结构有预应力损失时的下截面、中轴线以及上截面的横向应力波信号s_ti-h和纵向应力波信号s_ti-z；

f)通过带通滤波器，利用时域卷积和小波变换技术，进行下截面、中轴线以及上截面带有预应力损失的横向应力波和纵向应力波信息进行过滤，去除噪音的影响；

g)通过与下截面、中轴线以及上截面无预应力损失获得的应力波信号对比分析，校准下截面、中轴线以及上截面有预应力损失时的横向应力波与纵向应力波的传播速度；

h)通过与下截面、中轴线以及上截面在t0时刻的基准信号对比分析，可以计算有预应力损失时的信息的随距离变化的衰减规律；

i)对下截面、中轴线以及上截面带有预应力损失信息的横向应力波和纵向应力波信号进行运算处理，得到残差信号，并对残差信号进行希尔伯特变化，并对横向应力波信号和纵向应力波信号进行相关性和归一化处理；

j)计算结构内部任意关心位置的预应力损失值，通过信号叠加处理，由于有42个传感器和驱动器，结构内部信号会发生反射以及衍射，一些反射和衍射脉冲中含有预应力损失的信息，对上述步骤进行反复计算和标定，以得到相应关心位置的预应力变化信息；另外可以通过模拟计算软件，利用激励器对信息进行相关处理，得到预应力损失的相关信息，还可以将PZT传感器中的反射信号的强度以及结构内部PZT传感器的分布设定的反射系数运用到结构的新的测试信息中，这样可以提高预应力损失长期监测的精度。

混凝土主梁预应力损失信息识别技术。利用第3)步建立的长方形PZT智能传感器与驱动器的力学模型以及结构预应力损失参数对应关系表达式，通过信号标定处理，将下截面、中轴线以及上截面的横向应力波和纵向应力波进行降噪处理，引入不确定性分析技术，结合预应力结构环境参数，对预应力混凝土主梁结构进行定期地、长期地监测，剔除不稳定数据，通过对数据的概率统计以及小波变换，即可得到混凝土桥梁主梁结构锈胀开裂的预应力损失随时间变化的数据以及主梁结构内部应力变化规律，为桥梁维修加固决策提供数据支持。