多丝大直径高强度预应力钢绞线锚固系统测试装置的制作方法

1.本实用新型属于预应力锚索主动支护技术领域，具体设计一种多丝大直径高强度预应力钢绞线锚固系统测试装置。


背景技术：

2.在岩土锚固与支护工程领域，在深部岩土、软岩大变形、高地应力等复杂困难条件下的工程中，随着主动支护理念的发展，预应力锚索作为一种重要的围岩控制手段被予以广泛采用，并且起到了良好的支护加固作用。早期的预应力锚索主要采用1860级的1
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7结构，直径15.2mm钢绞线，在破断荷载、延伸率及直径等参数方面因难以满足主动支护理念中“三高一低”的设计要求，使得大直径、高强度、高延伸率的预应力筋材的必然趋势。在国标(gb/t 31314-2014)中，将直径为17.8mm～28.6mm，由19根冷拉光圆钢丝捻制成的钢绞线定义为“多丝大直径高强度低松弛预应力钢绞线”，工程应用中简称为“大直径钢绞线”。
3.目前，由于大直径钢绞线在预应力锚索主动支护体系中尚处于初步发展及推广阶段，受限于锚固机理理论的研究及工程应用经验的积累，其配套的锚固体系尚未成熟，因而应用中常出现设计、施工、验收过程中的参数选验困难，进而造成了工程实施过程中不能满足设计要求，严重影响工程质量和可靠性。再者，由于大直径钢绞线的特殊性能，如编织方式、直径、强度、延伸率等参数与常规钢绞线的差异较大，因此需要对锚固性能，如配套锚具的锚固效率、施工锚固损失、锚固段粘结性能等进行系统性测试，目前尚无针对性的测试装置。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在解决现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是提供一种多丝大直径高强度预应力钢绞线锚固系统测试装置。
5.为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：多丝大直径高强度预应力钢绞线锚固系统测试装置，包括沿钢绞线轴线方向设置的锚具、全部或部分嵌于锚具中的工作夹片、与锚具抵接的反力支架、以及用于张拉钢绞线且与反力支架相作用的内卡式的千斤顶，千斤顶的进油口和回油口分别通过进油管和回油管与液压泵站连接；还包括用于检测千斤顶施加给钢绞线的轴向载荷的荷载检测部件、以及用于检测工作夹片的位移量的位移检测部件。
6.上述技术方案中，反力支架和千斤顶组成反力结构，由千斤顶对钢绞线进行轴向荷载施加，通过对已安装完成的预应力大直径钢绞线锚固系统进行拉拔，通过设置荷载检测部件和位移检测部件分别检测钢绞线的轴向载荷和工作夹片的位移量，再对轴向载荷和位移分析判定钢绞线锚固力，测量精确。
7.在本实用新型的一种优选实施方式中，反力支架内部具有限制工作夹片回退长度的限位结构，限位结构采用如下结构之一；结构一：限位结构包括设在反力支架内部的限位台阶，工作夹片与限位台阶之间具有回退间隙；结构二：限位结构包括设在反力支架内部的
弹性件，工作夹片通过弹性件与反力支架弹性连接。
8.上述技术方案中，通过设置限位结构来限制工作夹片的回退长度，无需人们用眼睛观察工作夹片的回退长度，解决测量过程中的安全问题和不准确的问题。
9.在本实用新型的一种优选实施方式中，荷载检测部件包括设置进油管上的第一压力传感器，第一压力传感器用于检测千斤顶的液压信号；或者荷载检测部件包括沿钢绞线轴线方向设置的力传感器，力传感器设在反力支架与千斤顶之间并与两者相互作用。
10.上述技术方案中，根据实际情况，采用第一压力传感器间接获知千斤顶施加给钢绞线的轴向载荷，或采用力传感器直接获知钢绞线的轴向载荷。
11.在本实用新型的一种优选实施方式中，位移检测部件包括数据采集模块和数据处理模块；数据采集模块用于采集千斤顶的供油压力和流量信息；数据处理模块的输入端与数据采集模块的输出端连接，数据处理模块用于获取采集的信息，并对信息进行模数转换和信号增强处理。
12.上述技术方案中，利用数据采集模块获取相应数据，并将数据信息传输至数据处理模块，将压力及流量数值转化为电信号，并增强信号，有利于数值传输。外部分析系统对采集的压力及流量信息进行分析计算，获取千斤顶活塞杆的行程位移量，实现千斤顶活塞杆行程位移量的精准测量。压力与流量体积换算，解决人工测量、直接测量过程中的安全问题和不准确的问题。
13.在本实用新型的一种优选实施方式中，数据采集模块包括设在进油管上的第二压力传感器和流量传感器，第二压力传感器和流量传感器集成一体设置或者分体设置；第一压力传感器与第二压力传感器为同一个压力传感器或者为分开设置的两个压力传感器。
14.上述技术方案中，压力传感器和流量传感器集成一体设置，便于整体安装、拆卸。压力传感器和流量传感器分体设置，便于根据需要，灵活调整压力传感器和流量传感器的安装位置。第一压力传感器与第二压力传感器为同一个压力传感器时，可降低成本；第一压力传感器与第二压力传感器为分开设置的两个压力传感器，两个压力传感器的数值可进行比对，降低因压力传感器损坏而使得数据不准确的风险。
15.在本实用新型的另一种优选实施方式中，数据处理模块包括模数转换单元和信号增强单元，模数转换单元的输入端与数据采集模块的输出端连接，模数转换单元的输出端与信号增强单元的输入端连接，信号增强单元的输出端与数据分析模块连接。
16.上述技术方案中，实现对采集信息的模数转换和信号增强，保证每个信号均得到预处理，有利于后续信号传输。
17.在本实用新型的另一种优选实施方式中，位移检测部件还包括供电模块和电源管理模块，供电模块的供电端分别与各模块连接，电源管理模块的控制信号输出端与供电模块的控制端连接。
18.上述技术方案中，采用供电模块，确保在整个施工周期内本方案的测试装置保持运行，自动连续采集数据。电源管理模块可控制供电模块的启停，便于灵活控制供电模块的供电操作，避免电量浪费。
19.在本实用新型的另一种优选实施方式中，位移检测部件还包括通信模块，通信模块包括有线通信单元或无线通信单元，各模块通过通信模块进行信息传输。根据选择有线通信单元或无线通信单元，灵活使用。
20.在本实用新型的另一种优选实施方式中，位移检测部件还包括壳体，各模块均设置在壳体内，壳体上具有进油口和出油口。
21.上述技术方案中，壳体用于保护设备，避免外部环境的水、尘土等污染设备。
22.在本实用新型的另一种优选实施方式中，测试装置还包括数据分析模块，荷载检测部件和位移检测部件的输出端与数据分析模块连接。
23.上述技术方案中，通过设置数据分析模块对各传感器采集的数据进行分析，实时拟合钢绞线的轴向载荷-位移量测试曲线。
24.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
25.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
26.图1是本技术实施例一的多丝大直径高强度预应力钢绞线锚固系统测试装置的结构示意图。
27.图2是本技术实施例一中的锚具、工作夹片和反力支架的剖视结构示意图。
28.图3是本技术中的位移检测部件的立体图。
29.图4图3中的位移检测部件的右侧视图。
30.图5是图2的a-a剖视图。
31.图6是本技术实施例二中的锚具、工作夹片和反力支架的剖视结构示意图。
32.图7是本技术实施例三的多丝大直径高强度预应力钢绞线锚固系统测试装置的结构示意图。
33.说明书附图中的附图标记包括：钢绞线a、位移检测部件10、通信模块1、信号增强单元1.1、固定螺帽1.2、固定防护座1.3、电源管理模块2、供电模块2.1、数据采集模块3、压力传感器3.1、流量传感器3.2、数据处理模块4、外壳5、盖板6、进油口7.1、出油口7.2、荷载检测部件20、第一压力传感器20.1、力传感器20.2、锚具30、工作夹片40、反力支架50、限位台阶50.1、回退间隙50.2、弹性件50.3、连接板50.4、千斤顶60、液压泵站70、进油管70.1、回油管70.2。
具体实施方式
34.下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
35.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
36.在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
37.实施例一
38.本实施例提供了一种多丝大直径高强度预应力钢绞线锚固系统测试装置(以下简称测试装置)，针对钢绞线安装完成并施加预紧力后，检测其锚固力。
39.如图1和图2所示，在一种优选实施方式中，本实施例的测试装置包括沿钢绞线a轴线方向设置的锚具30、全部或部分嵌于锚具30中的工作夹片40、与锚具30抵接的反力支架50、以及用于张拉钢绞线a且与反力支架50相作用的前卡式的千斤顶60，千斤顶60与反力支架50抵接或固定连接，由千斤顶60对钢绞线a进行张拉和反力紧固。千斤顶60的进油口和回油口分别通过进油管70.1和回油管70.2与液压泵站70连接。该测试装置还包括用于检测千斤顶60施加给钢绞线a的轴向载荷的荷载检测部件20、以及用于检测工作夹片40的位移量的位移检测部件10。
40.使用该测试装置检测预应力大直径钢绞线的锚固力时，先将反力支架50抵靠在锚具30右端，然后将千斤顶60的左端与反力支架50的右端抵紧。比如千斤顶60活塞杆(能伸进伸出千斤顶缸体的杆，即为本领域的顶缸)从千斤顶60缸体的左端伸进伸出，千斤顶60的活塞杆的左端与反力支架50的右端抵紧，千斤顶60的缸体将钢绞线a夹紧，由千斤顶60的缸体对钢绞线a进行反力紧固。
41.需要说明的是，千斤顶60的活塞杆也可从千斤顶60缸体的右端伸进伸出，则千斤顶60缸体的左端与反力支架50的右端抵紧，千斤顶60的活塞杆将钢绞线a夹紧，由千斤顶60的活塞杆对钢绞线a进行反力紧固。
42.接下来启动液压泵站70使千斤顶60工作，进行荷载测试，通过荷载检测部件20和位移检测部件10分别检测钢绞线a的轴向荷载和工作夹片40的位移量，便可绘制出荷载-位移测试曲线。具体根据荷载-位移测试曲线得出锚固性能评价方法为现有技术，比如按照国家标准《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》gb50086-2015中规定的公开方法。
43.实际中，为便于快速绘制出钢绞线a的轴向载荷-位移量测试曲线，可设置数据分析模块，荷载检测部件20和位移检测部件10的输出端与数据分析模块连接，载荷测试时，由数据分析模块实时拟合轴向载荷-位移测试曲线。
44.如图2所示，在另一种优选实施方式中，反力支架50内部具有限制工作夹片40回退长度的限位结构，限位结构包括设在反力支架50内部的限位台阶50.1，工作夹片40与限位台阶50.1之间具有回退间隙50.2。载荷测试时，由限位台阶50.1限制工作夹片40的回退长度，回退间隙50.2可根据实际情况进行设置，保证施工质量。
45.如图1所示，在另一种优选实施方式中，荷载检测部件20包括设置进油管70.1上的第一压力传感器20.1，第一压力传感器20.1用于检测千斤顶60的液压信号，由此便可根据千斤顶60的供油压力和千斤顶60的活塞的有效截面积，计算得出千斤顶60施加给钢绞线的轴向载荷，具体计算方法为现有常规技术，在此不详述。
46.如图3-5所示，在另一种优选实施方式中，位移检测部件10包括数据采集模块3和数据处理模块4，通过液压压力补偿与流量体积换算实现千斤顶活塞杆行程位移量的精准测量，千斤顶活塞杆的位移量等于工作夹片40的位移量。
47.数据采集模块3设置在千斤顶60的进油管70.1上，采用非接触式测量，数据采集模块3用于采集千斤顶的供油压力和流量信息。数据采集模块3包括设在进油管70.1上的第二压力传感器3.1(为电阻式压力传感器)和流量传感器3.2，第二压力传感器3.1和流量传感器3.2集成一体设置或者分体设置，第二压力传感器3.1和流量传感器3.2可集成安装在一块电路板上，便于移动安装。还可对流量传感器3.2的监测参数进行扩展应用，如根据流量参数进行运行状态监测、故障诊断、液压介质监测等等。
48.在本实施方式中，第一压力传感器20.1与第二压力传感器3.1为同一个压力传感器或者为分开设置的两个压力传感器。
49.数据处理模块4的输入端与数据采集模块3的输出端电性连接，数据处理模块4用于获取采集的信息，并对信息进行模数转换和信号增强处理。数据处理模块4包括模数转换单元(采用如ad9634bcpz-170模数转换器等)和信号增强单元1.1(如信号放大器、ts-9200信号增强器等)，模数转换单元的输入端与数据采集模块3的输出端电性连接，模数转换单元的输出端与信号增强单元1.1的输入端电性连接。
50.数据分析模块的输入端与数据处理模块4的输出端电性连接，数据分析模块接收数据处理模块4处理后的信息，并根据压力信息和流量信息，计算转换得到千斤顶60的活塞杆的行程位移量。
51.假定初始时，千斤顶的活塞腔中没有液压油，根据千斤顶的供油压力和流量得出千斤顶活塞杆的行程位移量可采用现有公式进行推导。具体过程如下
52.1)先根据千斤顶进油管的流量信息，计算在一定时间t内进入千斤顶活塞腔中的液压油体积增量v；
53.2)用液压油体积增量v除以活塞的有效截面积s，计算得出在不考虑液压油压缩性时的活塞杆的位移量l1；
54.3)利用压缩系数计算公式根据液压油的压缩系数k(液压油确定后其压缩系数为已知)、千斤顶的供油压力信息δp和液压油体积增量v，计算得出液压油的压缩体积δv；
55.4)用液压油的压缩体积δv除以活塞的有效截面积s，计算得出在考虑液压油压缩性时的活塞杆的回退长度l2；
56.5)计算得出活塞杆的实际位位移量l＝l1-l2。
57.如图5所示，在另一种优选方案中，位移检测部件10还包括供电模块2.1和电源管理模块2，用于保证供电。供电模块2.1的供电端分别与各模块电性连接，电源管理模块2的控制信号输出端与供电模块2.1的控制端电性连接，用于控制独立供电模块2.1的启动与停止。供电模块2.1选用高能量密度电池，电源管理模块2可采用控制开关。
58.如图5所示，在另一种优选方案中，位移检测部件10还包括通信模块1，通信模块1包括有线通信单元或无线通信单元，各模块通过通信模块1进行信息传输。有线通信单元可采用光纤、电缆等线路连接模块，无线通信单元采用wifi通信模块1、2g/3g/4g网络通信模块1等。通信模块1上也设有信号增强单元1.1，用于改善信息传输效果。
59.如图3-5所示，本另一种优选方案中，位移检测部件10还包括壳体，壳体上具有进油口7.1和出油口7.2，各模块均设置在壳体内，壳体可避免外部污染物位移检测部件设备
接触，保护设备。
60.具体地，壳体包括一端开口的外壳5和将外壳5的端口封闭的盖板6，盖板6与外壳5通过螺栓固定连接。进油口7.1设在盖板6上，进油口7.1与压力传感器3.1的入口连通，压力传感器3.1的出口与流量传感器3.2的出口连接，出油口7.2设在外壳5上且位于进油口7.1对侧，出油口7.2与流量传感器3.2的出口连通。通信模块1和设置在通信模块1上的信号增强单元1.1通过固定防护座1.3与固定螺帽1.2安装在外壳5上，安装稳定。
61.实施例二
62.本实施例的结构原理同实施例一的结构原理基本相同，不同的地方在于，限制工作夹片40回退长度的限位结构的结构不同。如图6所示，在本实施例中，限位结构包括设在反力支架50内部的弹性件50.3，工作夹片40通过弹性件50.3与反力支架50弹性连接。弹性件50.3优选为柱状弹簧，弹性件50.3的右端与反力支架50内部的台阶固接，弹性件50.3的左端固接有能够在反力支架50内部轴向滑动的连接板50.4，工作夹片40的右端与连接板50.4的左端抵接。载荷测试时，弹性件50.3根据钢绞线a的轴向载荷自动调节工作夹片40回退的长度。
63.实施例三
64.本实施例的结构原理同实施例一和实施例二的结构原理基本相同，不同的地方在于，荷载检测部件20不同。如图7所示，在本实施方式中，荷载检测部件20包括沿钢绞线a轴线方向设置的力传感器20.2，力传感器20.2设在反力支架50与千斤顶60之间并与两者相互作用，由力传感器20.2直接测量出钢绞线a的轴向载荷。力传感器20.2与反力支架50抵接或固定连接，力传感器20.2与千斤顶60抵接或固定连接。
65.在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
66.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。