一种用于应力控制式加筋包裹体的预应力监测方法与流程

本发明涉及土木工程技术领域，特别的涉及一种用于应力控制式加筋包裹体的预应力监测方法。

背景技术：

随着社会技术和经济的发展，人们对建筑的结构稳定性和功能多样性、节约材料以及材料高效经济等方面的要求越来越高。通过给构件在受荷载前施加预应力，不仅能够提高构件的抗裂度和刚度，也能提高延长结构构件的使用期限。为此，发明人曾申请了一种应力控制式加筋包裹体结构及其地基处理施工方法的中国专利，申请号为2014107868852，具体结构如图1，应力控制式加筋包裹体结构包括至少一层土工垫和应力施加装置；所述土工垫由外而内包括土工格栅1，土工无纺织物和填充物，所述土工无纺织物布设在土工格栅1内侧，所述填充物放置在土工无纺织物内侧；其中，应力施加装置包括上、下支压板21，22和设置在上、下支压板21，22之间的用于将上、下支压板21，22拉紧的受拉构件；所述受拉构件包括连接杆，所述连接杆的上端从上支压板21伸出，且连接杆的上端具有拧紧用的螺母8，连接杆的下端从下支压板22伸出，且连接杆的下端具有螺栓3；所述连接杆由下连接杆4、上连接杆5以及设置在下连接杆4和上连接杆5之间的弹簧6构成，所述弹簧6的一端与上连接杆4的下端连接，弹簧6的另一端与下连接杆4的上端连接。通过受拉构件施加的拉应力在外包筋材上主动施加应力的方法改变整个加筋包裹体的截面力学特性，从而提高其整体强度并改善其抵抗变形的能力。

但是，由于预应力构件在长期使用过程中受到不同程度的腐蚀、地基不均匀沉降、材料自身特性等原因，使得预应力的损失影响结构构件的工作性能乃至稳定性，因此，建立一个有效的预应力监测预警装置对服役期预应力结构进行监测是十分必要的。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种安装简洁，操作使用方便，有利于降低施工难度，能够实施监测应力变化的用于应力控制式加筋包裹体的预应力监测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于应力控制式加筋包裹体的预应力监测方法，应力控制式加筋包裹体包括加载预应力的受拉构件，所述受拉构件包括第一连接件和第二连接件，所述第一连接件和第二连接件之间连接有用于蓄力的弹性部件；其特征在于，包括如下步骤：

s1、先在受拉构件上安装检测装置，所述监测装置包括相互平行正对设置的第一极板和第二极板，所述第一极板和第二极板分别用于固定安装在所述第一连接件和第二连接件上；所述第一极板和第二极板上还连接有用于检测二者之间电容量变化的测量电路；

s2、通过测量电路实时检测到的所述第一极板和第二极板之间的电容量，计算第一极板和第二极板的间距，得到弹性部件的实际变形量来计算预应力，从而实现预应力的监测。

当受拉构件上的预应力发生变化时，连接在第一连接件和第二连接件之间蓄力的弹性部件的长度也会随之发生变化。由于平行正对设置的第一极板和第二极板分别固定安装在受拉构件的第一连接件和第二连接件上，弹性部件的长度变化会使第一连接件和第二连接件之间的间距变化，进而使固定安装在二者上的第一极板和第二极板之间的距离发生变化，从而引起二者之间电容量发生变化，通过二者之间电容量的变化，就可以反向计算出二者间距的变化，从而可以实现对受拉构件上的预应力进行监测。

进一步的，所述步骤s1中，所述第一极板和第二极板均为圆形，且二者相对的一侧分别具有整体呈圆筒状的第一极板壁和第二极板壁，所述第一极板壁的外径小于所述第二极板壁的内径，所述第一极板壁朝向所述第二极板的一端可轴向移动地套设在所述第二极板壁内；所述步骤s2中，在监测前，先选取一组第一极板、第一极板壁、第二极板和第二极板壁，使第一极板和第二极板之间的间距发生变化，同时采用测量电路对其电容量进行实施检测，确定第一极板和第二极板之间的间距与电容量之间的对应关系。

第一极板壁的一端套设在第二极板壁内，使得二者在径向上形成重叠区域，相互之间构成电容，一旦预应力发生变化，该区域的重叠面积也会发生变化，且由于该重叠区域的间距更小，对电容量变化的反应更加灵敏，从而可以提高检测的精度。由于该结构既有第一极板与第二极板之间形成的电容变化，又有第一极板壁与第二极板壁之间形成的电容变化，使得通过检测的电容量直接计算第一极板与第二极板之间的间距变得更加复杂。因此，在监测前，通过测量电路对第一极板与第二极板之间的间距与电容量之间的对应关系进行确定，可以使检测更加快捷，检测结果更加准确。

作为优化，所述步骤s1中，所述第一极板壁的外侧和第二极板壁的内侧分别设有用绝缘材料制成的第一填充层和第二填充层，所述第一填充层的外径和第二填充层的内径一致。

由于第一填充层的外径和第二填充层的内径一致，在第一极板和第二极板随同第一连接件和第二连接件移动的时候，使得二者能够始终保持同轴，确保二者之间的电容量变化可控，从而使检测结果更加可靠。

作为优化，所述步骤s1中，所述第一极板壁的内侧或/和第二极板壁的外侧分别设有用隔热材料制成的第一隔热层和第二隔热层。

这样，就可以尽量避免外界温度变化造成的热胀冷缩引起电容量的变化，从而保证检测的准确性和可靠性。

进一步的，所述步骤s1中，所述第一极板壁和第二极板壁均呈圆台形，且二者的锥度相等；所述第一极板壁的直径沿背离所述第一极板的方向逐渐变小，所述第二极板壁的直径沿背离所述第二极板的方向逐渐增大。

由于第一极板壁和第二极板壁为锥度相等的圆台形，使得二者在轴向上相对移动时，二者重叠区域的间距也会一并发生变化，使得二者之间的电容量变化同时受到极板距离和重叠面积的双重影响，提高检测的灵敏度。

进一步的，所述步骤s1中，所述第一填充层的外壁上具有沿轴向设置的第一凸棱或第一凹槽，所述第二填充层的内壁上沿轴向设置有与所述第一凸棱或第一凹槽对应设置的第二凹槽或第二凸棱，所述第一凸棱与所述第二凹槽相配合或所述第一凹槽与所述第二凸棱相配合。

这样，通过第一凸棱与第一凹槽的配合或第二凹槽与第二凸棱的配合，可以限制第一极板壁与第二极板壁在周向上的相对位置，使被检测的电容量仅受受拉构件轴向变化的影响，从而可以提高检测的准确性和可靠性。

进一步的，所述步骤s1中，所述第一极板或/和第二极板的中部同轴设置有轴承，所述轴承固定安装在所述第一连接件或/和第二连接件（201）上。

这样，受拉构件在使用过程中，当第一连接件和第二连接件相对转动时，通过轴承连接可以避免在第一极板和第二极板之间施加扭转力造成第一极板、第一极板壁、第二极板和第二极板壁之间结构的破坏，使得监测装置的可靠性更高。

进一步的，所述步骤s1中，所述轴承为球面关节轴承。

这样，受拉构件在使用过程中，第一连接件和第二连接件之间发生相对偏转时，也可以避免第一极板、第一极板壁、第二极板和第二极板壁之间受到挤压而破坏，使得监测装置的可靠性更高。

综上所述，相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明装置原理为利用电容量变化推算出预应力变化，在极板间距、电容量、预应力之间建立函数关系。监测的参量明确易得，数据处理简单高效、易于理解；采用的装置简单，能够有效的降低施工难度。

2、本发明采用变间隙式电容传感器，敏感度较高，既能够能测量微小的线位移，也能够实现非接触测量，间接的降低了测量误差。

3、本发明装置中各元件材料方便获取，成本低。

4、本发明装置中各零件高度集成化，体积小巧，对现有预应力结构整体性无影响，浅埋于地下，外观上只有电容传感器及相关埋线，对土层的扰动较小，保证了土层的完整性和整个结构的耐久性；

5、通过电脑数据监测系统后台可对测量数据实时监测与分析，保障了监测过程的时效性。

附图说明

图1为应力控制式加筋包裹体结构的示意图。

图2为受拉构件安装状态的剖视结构示意图。

图3为图2中受拉构件部分的剖视结构示意图。

图4为第一连接件或第二连接件偏转状态的结构示意图。

图5为图4中圆圈处的放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：如图2所示的一种用于安装在加载预应力的受拉构件上的预应力监测装置，其中，所述受拉构件包括第一连接件101和第二连接件102，所述第一连接件101和第二连接件102之间连接有用于蓄力的弹性部件103；监测装置包括相互平行正对设置的第一极板301和第二极板401，所述第一极板301和第二极板401采用金属材料制成，且分别用于固定安装在所述第一连接件101和第二连接件102上；所述第一极板301和第二极板401上还连接有用于检测二者之间电容量变化的测量电路。测量电路就是将电容转换成电压或其他电量进行检测的电路，对电容量进行检测的测量电路是成熟的现有技术，广泛应用在电容式传感器中，具体实施时，可以采用桥式电路、调频电路、脉冲宽度调制电路、运算放大器电路、二极管双t形交流电桥等。由于本申请对现有技术的改进并不是测量电路，在此不在赘述。

使用时，当受拉构件上的预应力发生变化时，连接在第一连接件和第二连接件之间蓄力的弹性部件的长度也会随之发生变化。由于平行正对设置的第一极板和第二极板分别固定安装在受拉构件的第一连接件和第二连接件上，弹性部件的长度变化会使第一连接件和第二连接件之间的间距变化，进而使固定安装在二者上的第一极板和第二极板之间的距离发生变化，从而引起二者之间电容量发生变化，通过二者之间电容量的变化，就可以反向计算出二者间距的变化，从而可以实现对受拉构件上的预应力进行监测。

如图3所示，所述第一极板301和第二极板401均为圆形，且二者的边缘沿相对的方向延伸形成整体呈圆筒状的第一极板壁302和第二极板壁402，所述第一极板壁302的外径小于所述第二极板壁402的内径，所述第一极板壁302朝向所述第二极板401的一端可轴向移动地套设在所述第二极板壁402内。

这样，第一极板壁的一端套设在第二极板壁内，使得二者在径向上形成重叠区域，相互之间构成电容，一旦预应力发生变化，该区域的重叠面积也会发生变化，且由于该重叠区域的间距更小，对电容量变化的反应更加灵敏，从而可以提高检测的精度。

实施时，所述第一极板壁302的外侧和第二极板壁402的内侧分别设有用绝缘材料制成的第一填充层303和第二填充层403，所述第一填充层303的外径和第二填充层403的内径一致。

由于第一填充层的外径和第二填充层的内径一致，在第一极板和第二极板随同第一连接件和第二连接件移动的时候，使得二者能够始终保持同轴，确保二者之间的电容量变化可控，从而使检测结果更加可靠。

实施时，所述第一极板壁302的内侧或/和第二极板壁402的外侧分别设有用隔热材料制成的第一隔热层304和第二隔热层404。

这样，就可以尽量避免外界温度变化造成的热胀冷缩引起电容量的变化，从而保证检测的准确性和可靠性。

如图3~图5所示，所述第一极板壁302和第二极板壁402均呈圆台形，且二者的锥度相等；所述第一极板壁302的直径沿背离所述第一极板301的方向逐渐变小，所述第二极板壁402的直径沿背离所述第二极板401的方向逐渐增大。

由于第一极板壁和第二极板壁为锥度相等的圆台形，使得二者在轴向上相对移动时，二者重叠区域的间距也会一并发生变化，使得二者之间的电容量变化同时受到极板距离和重叠面积的双重影响，提高检测的灵敏度。

实施时，所述第一填充层303的外壁上具有沿轴向设置的第一凸棱或第一凹槽，所述第二填充层403的内壁上沿轴向设置有与所述第一凸棱或第一凹槽对应设置的第二凹槽或第二凸棱，所述第一凸棱与所述第二凹槽相配合或所述第一凹槽与所述第二凸棱相配合。

这样，通过第一凸棱与第一凹槽的配合或第二凹槽与第二凸棱的配合，可以限制第一极板壁与第二极板壁在周向上的相对位置，使被检测的电容量仅受受拉构件轴向变化的影响，从而可以提高检测的准确性和可靠性。

实施时，所述第一极板301或/和第二极板401的中部同轴设置有轴承，所述轴承固定安装在所述第一连接件101或/和第二连接件201上。

这样，受拉构件在使用过程中，当第一连接件和第二连接件相对转动时，通过轴承连接可以避免在第一极板和第二极板之间施加扭转力造成第一极板、第一极板壁、第二极板和第二极板壁之间结构的破坏，使得监测装置的可靠性更高。

如图5所示，所述轴承为球面关节轴承。这样，受拉构件在使用过程中，第一连接件和第二连接件之间发生相对偏转时，也可以避免第一极板、第一极板壁、第二极板和第二极板壁之间受到挤压而破坏，使得监测装置的可靠性更高。

本实施例中，对图1所示的预应力加筋包裹体的受拉构件进行监测，其中，下连接杆4、上连接杆5和弹簧6即分别对应图2中的第一连接件101、第二连接件102和弹性部件103。具体监测时，采用如下步骤：

1、在弹簧与上、下连接杆上均匀涂抹一层绝缘漆，然后通过关节轴承将第一极板和第二极板分别安装在上下连杆上，并将第一极板壁同轴插入第二极板壁内，调整关节轴承至上、下连接杆设计安装位置。

2、在监测前，先选取一组受拉构件以及安装在该受拉构件上的第一极板301、第一极板壁302、第二极板401和第二极板壁402，对受拉构件施加沿轴向的外力，使第一极板301和第二极板401之间的间距发生变化，同时采用测量电路对其电容量进行实施检测，确定第一极板301和第二极板401之间的间距与电容量之间的对应关系。

3、实地安装时，在上支压板的上连接杆螺母一侧加工一道比导线直径略大的圆孔（也即引线孔），以便数据传输线引出；将第一极板和第二极板上的导线通过该引线孔连接至测量电路。

4、将安装有检测装置的受拉构件安装在土岩地基易发生不均匀沉降的各个关键位置，并对监测点位进行编号，方便数据收集整理。

5、通过测量电路对电容量进行实施检测，通过第一极板301和第二极板401之间的间距与电容量之间的对应关系，就可以确定第一极板和第二极板的实施间距，从而可以计算出弹性部件的位移变形量，据此计算出应力变化量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。