智能感知预制装配预应力的混凝土框架全过程监测方法

本发明涉及装配式建筑和建筑智能监测，尤其是指一种智能感知预制装配预应力的混凝土框架全过程监测方法。

背景技术：

1、推进新型建筑工业化和智能建造是发展住房和城乡建设领域供给侧改革、建筑业转型升级和绿色低碳发展的重要途径，对降低资源消耗，提升工程建设工业化、智能化水平具有重要意义。建筑工业化是我国建筑行业现今及未来的必然发展趋势，而装配式建筑是实现建筑工业化的有效途径。

2、并且，智能感知、智能监控、智能建造、智能运维已逐渐成为未来城市建筑发展的主要趋势。

3、然而，目前建筑在建造、使用和运营过程中，各构件关键部位和控制截面的钢筋和预应力筋的应力、混凝土应变、混凝土裂缝宽度、构件位移及转角等变量，目前主要采用人工检测的方式，该种检测手段由于技术特性，隐患发生之后才安排人员进行测量，无法实时掌握结构物安全状态。引发一系列安全事故的主要因素，往往是因为建筑物自身的细微变化，经过成年累月的积累所造成，而这种细微变化仅靠人工测量是无法察觉的，且仅靠人工检查很难做到精细化管理，应检漏检易发生安全隐患。

4、此外，传统的预制预应力装配式结构在建造过程中，预制预应力梁在完成混凝土浇筑并放张后，在堆放、运输、吊装等过程中，都会有预应力的损失，且在装配完成后的结构使用过程中，梁内的预应力会继续损失，进而对周围的柱、墙等构件产生附加应力。然而，这些过程中无法测得预应的损失值以及剩余的真实预应力是多少，只是基于各种假设进行推测，或利用建筑完成建造后再安装的采集设备进行监测，但这种方法只能检测相对预应力值，而不能读取绝对预应力值，这些推算或测量的结果往往与实际值相差较大。

5、目前，在结构全寿命周期内，无法对结构性能进行实时、有效的评估，也不能对结构未来的使用性能进行预测，整体上来看，建筑结构的智能化程度还处于较低水平。因此，为进一步提高装配式结构的使用安全性和可靠性，有必要对结构的监测方式进行进一步的升级和优化。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中对预制装配式结构中预应力无法准确全过程监测的问题，提供一种智能感知预制装配预应力的混凝土框架全过程监测方法，能够对其各种应力、应变等力学性能指标进行全寿命周期的实时监控，这些数据可为结构的检修、维护及可能发生的破坏提供依据和预警，进一步提高了结构的使用安全性和可靠性。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种智能感知预制装配预应力的混凝土框架全过程监测方法，所述混凝土框架结构包括钢筋混凝土柱、梁柱节点、预制预应力梁、预应力钢绞线和光纤复合绞线；

3、所述梁柱节点浇筑在所述钢筋混凝土柱上，包括：梁柱节点先浇部分和梁柱节点后浇部分；

4、所述预制预应力梁，通过所述梁柱节点与所述钢筋混凝土柱连接；

5、所述预应力钢绞线，分布设置在所述预制预应力梁的上部和下部，所述预应力钢绞线的两端从所述预制预应力梁中伸出，其中：位于所述预制预应力梁下部的部分预应力钢绞线90°弯折后通过弯折锚固的方式锚固于所述梁柱节点中，其余位于所述预制预应力梁的上部和下部的预应力钢绞线不弯折，待节点区现浇混凝土达到设计强度后，通过后张法借助锚具和锚垫板对伸出部分进行后张拉以实现对梁柱节点区混凝土施加预应力；在多根预应力钢绞线中设置有至少一根二次张拉光纤复合绞线代替预应力钢绞线，设置有至少一根弯折锚固光纤复合绞线代替预应力钢绞线；光纤复合绞线中包括至少一根光纤；

6、所述全过程监测方法，包括以下步骤：

7、s1、设计、制作光纤复合绞线；

8、s2、对光纤复合绞线进行标定，确定不同荷载状态下其内部光纤的传感参数；

9、s3、制备预制预应力梁；

10、s3-1、固定、张拉预应力钢绞线和光纤复合绞线，将预应力钢绞线和光纤复合绞线分布设置在预制预应力梁对应位置的上部和下部，监测、记录光纤复合绞线的预应力值；

11、s3-2、固定、标定用于监测的各传感器，使传感器与光纤复合绞线敷设在监测位置，实时监测各力学参数变化；

12、s3-3、支模、浇筑梁、柱混凝土,制备形成预制预应力梁，监测、记录光纤复合绞线的预应力值；

13、s3-4、对预制预应力梁进行拆模、放张，持续监测、记录光纤复合绞线的预应力值；

14、s4、将部分位于预制预应力梁下部伸出梁端的预应力钢绞线和光纤复合绞线进行90°弯折；

15、s5、运输、吊装预制预应力梁和钢筋混凝土柱，浇筑梁柱节点后浇部分的混凝土，将弯折后的预应力钢绞线和光纤复合绞线锚固于梁柱节点中，监测、记录光纤复合绞线的预应力值；

16、s6、节点区现浇混凝土达到设计强度后，通过后张法对部分伸出梁端的预应力钢绞线和光纤复合绞线进行后张拉以实现对梁柱节点区混凝土施加预应力，监测、记录光纤复合绞线的预应力值；

17、s7、结构建造完成后，在结构使用阶段，实时监测、记录结构各力学参数变化；

18、s8、根据步骤s7中监测和记录的参数变化，分析、评估结构和构件的内力状态，判断结构是否发生损伤；

19、s9、当构件各内力变化值危及结构安全时系统自动进行预警，对该构件进行维修、加固或替换；当构件各内力变化值处于安全范围内时，则结构无需维护，可继续使用；

20、s10、结构使用期满后，对结构进行拆除，智能监测结束。

21、在本发明的一个实施例中，在步骤s1中，在光纤复合绞线内部光纤上的先张段、后张段和弯折段的对应位置处加工光栅，将光栅标记、编号。

22、在本发明的一个实施例中，在步骤s2中，对光纤复合绞线进行标定的步骤包括：

23、s2-1、记录光纤复合绞线未经张拉时对应的波长，作为初始波长；

24、s2-2、将光纤复合绞线张拉至5kn进行预紧；

25、s2-3、以20kn为一级进行加载，最大加载到光纤复合绞线极限承载能力的80％，加载速度控制在10kn/min内，每一级加载过程持荷5min，记录对应的波长；

26、s2-4、记录完加载指定荷载对应的波长后，持荷15min，观察光纤光栅信号传输是否出现异常甚至失效等情况，确认无误后，逐级卸载至0。

27、s2-5、将步骤s2-2～步骤s2-4重复操作5次，取平均值进行标定计算。

28、在本发明的一个实施例中，在步骤s3-1中，将光纤复合绞线固定于预制预应力梁中的设计位置处，并将光纤复合绞线和预应力钢绞线进行同步张拉，采集设备自动对张拉过程中光纤复合绞线先张段的拉力值进行记录，达到设计值后停止张拉，并在张拉台座的两端临时锚固以防止预拉应力下降，记录此阶段二次张拉光纤复合绞线和弯折锚固光纤复合绞线先张段的拉力值。

29、在本发明的一个实施例中，在步骤s3-2中，所述传感器包括：

30、埋入型传感器，包括：筋材应力计、应变计和测缝计，在各构件制作过程中，将这些埋入型传感器浇筑在节点中心位置、梁柱交界面、梁跨中、柱脚及柱顶等需重点关注的控制截面处的混凝土中；

31、所述筋材应力计固定在所述钢筋混凝土柱、预制预应力梁、梁柱节点关键位置处的箍筋、柱筋和耗能钢筋上；

32、所述应变计置于钢筋混凝土柱、预制预应力梁、梁柱节点混凝土变形较大区域；

33、所述测缝计置于预制预应力梁与梁柱节点交接处、预制预应力梁与钢筋混凝土柱塑性铰区以及梁柱节点可能出现斜裂缝的位置处。

34、在本发明的一个实施例中，在步骤s3-2中，所述传感器包括：

35、外置型传感器，包括：激光测距仪、温湿度传感器、风速风向仪、倾角仪和加速度计，将这些外置型传感器安装于结构表面；

36、所述激光测距仪和所述倾角仪固定于柱上端朝向另一根柱的表面上；

37、所述温湿度传感器、风速风向仪和加速度计固定于结构顶层的楼板上。

38、在本发明的一个实施例中，在步骤s3-3中，支好预制预应力梁的模板后开始浇筑混凝土，浇筑及养护过程中通过光纤复合绞线持续采集并记录钢绞线中的拉力变化，记录此阶段二次张拉光纤复合绞线和弯折锚固光纤复合绞线先张段的拉力值；

39、在步骤s3-4中，养护至设计强度后，进行放张，放张过程中通过光纤复合绞线持续采集并记录梁体内上部和下部钢绞线中的拉力变化，记录此阶段二次张拉光纤复合绞线和弯折锚固光纤复合绞线先张段的拉力值；放张结束后，持续采集并记录放张过程中预制预应力梁跨中上部和下部混凝土的应变。

40、在本发明的一个实施例中，在步骤s5中，包括以下步骤：。

41、s5-1、放张结束后，将预制预应力梁吊运至仓库进行堆放，再运输至施工现场，在施工现场进行吊装，持续记录二次张拉光纤复合绞线和弯折锚固光纤复合绞线先张段的拉力值；

42、s5-2、吊装完成后，开始浇筑梁柱节点后浇部分的混凝土，浇筑及养护过程中记录弯折锚固钢绞线弯折段的力值。

43、在本发明的一个实施例中，在步骤s7中，采集设备自动采集并记录光纤复合绞线先张段和后张段的预应力的值，以及弯折段的力值，同时各传感器进行实时监测、记录，并实时上传至云端服务器。

44、在本发明的一个实施例中，所述传感器通过配套的传输设备与物联网结构体系、云计算、局域网或通讯网无缝连接技术、海量节点数据并行智能处理技术结合，建立一套完整的结构安全实时监测系统

45、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

46、本发明所述的智能感知预制装配预应力的混凝土框架全过程监测方法，提出的构造形式与各种内置的传感器相结合的监测方法，将传统结构提升为智能结构，从结构层面上可对各构件关键部位和控制截面的真实的钢筋和预应力筋的应力、混凝土应变、混凝土裂缝宽度、构件位移及转角等变量进行实时采集；从构件层面，可对其各种应力、应变等力学性能指标进行全寿命周期的实时监控，这些数据可为结构的检修、维护及可能发生的破坏提供依据和预警，进一步提高了结构的使用安全性和可靠性。

47、本发明的混凝土框架中，梁、柱等构件都是预制的，各种传感器和光纤复合绞线在梁、柱等构件的制作过程中就内置于构件中，可对构件的内力、变形等状态从生产、堆放、运输、吊装、使用直至拆除的整个生命周期进行全过程的监测；根据记录的光纤复合绞线各阶段、各区域绞线的预应力值变化，可推算出预制预应力梁在制作、养护、堆放、运输、吊装、使用及各种荷载作用情况下的不同阶段、不同区域真实的预应力损失值，为后续该类型构件的优化设计提供了参考和依据。