基于智能钢绞线的后张预应力张拉精细化控制装置及方法与流程

本发明涉及涉及建筑施工、安全监测和建筑结构材料领域，尤其是涉及一种光纤光栅后张预应力张拉精细化控制装置和方法。

背景技术：

预应力混凝土结构是由钢筋混凝土结构演变而来，二战后重建为了弥补钢材短缺的问题，预应力混凝土技术首先在欧洲各国得到广泛的应用，而后在世界范围内迅速发展起来。预应力是为了改善结构服役表现，在施工期间给结构预先施加的压应力，结构服役期间预加压应力可全部或部分抵消荷载导致的拉应力，避免结构破坏。常用于混凝土结构。预应力混凝土结构，是在结构承受荷载之前，预先对其施加压力，使其在外荷载作用时的受拉区混凝土内力产生压应力，用以抵消或减小外荷载产生的拉应力，使结构在正常使用的情况下不产生裂缝或者裂得比较晚。时至今日，预应力混凝土技术已经从应用于轨枕、电杆、压力管道等简单构件，发展应用于高层、高耸、大跨、重载与抗震结构、土木工程、能源工程、海洋工程、海洋运输等许多新领域。

预应力技术的核心问题是在预应力结构中施加符合设计要求的有效预应力。现阶段预应力张拉的方法主要是通过规范计算或者初步预估预应力损失理论值后确定张拉控制，而后以应力控制为主，伸长值作为校核的控制方法进行张拉控制。预应力技术中最关心的是张拉结束后预应力结构预应力保有度为多少，现有方法主要是通过理论计算和预估计损失来确定张拉控制力，其中现场的材料属性、张拉设备和锚固系统等多方面的影响因素被忽略或初步估计损失，有效预应力控制精度难以把持。从预应力的测试方法来看，目前的手段无外乎粘贴应变片或振弦应变计测试钢绞线应变；在相应预应力混凝土中埋入钢筋计或振弦传感器测试混凝土应变，再反算钢绞线应力；采用压力环测试整体张力；液压千斤顶通过油表测试其整体外张力等。但是，由于布设工艺和传感器自身的缺陷以及方法的不足，针对实际工程应用的预应力损失长期监测技术，还处于起步阶段。

光纤光栅智能钢绞线的出现为解决预应力损失全寿命监测提供了必要手段。智能钢绞线可以采用传统钢绞线的张拉和锚固工具进行施工，并未增加施工工艺，方便易行。智能钢绞线的核心材料——增强纤维复合筋的强度与钢材接近，因此，其兼具受力与传感特性、集结构材料和功能材料于一体，可实现对于钢绞线有效应力的实时把握。针对预应力张拉控制的特点，将智能钢绞线引入到预应力施工过程，对于预应力张拉设备和锚固系统进行一次实地标定，从而把控预应力整体张拉精度是可行的，并且是必要的。

技术实现要素：

本发明设计了一种光纤光栅后张预应力张拉精细化控制装置及方法，其解决的技术问题是现有装置及方法在预应力张拉过程中无法获取有效预应力值，从而需预估预应力损失来确定张拉控制力，并且无法准确估计张拉系统和锚固系统个性带来的有效预应力偏差，即无法保证预应力张拉精度。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种光纤光栅后张预应力张拉精细化控制装置，其特征在于：包括预应力结构(2)、一根智能钢绞线(1)、多根普通钢绞线(3)以及锚固体系(4)，所述智能钢绞线(1)和所述普通钢绞线(3)埋设在所述预应力结构(2)中，所述智能钢绞线(1)和所述普通钢绞线(3)两端通过锚固体系(4)进行紧固，张拉装置对智能钢绞线(1)和普通钢绞线(3)进行张拉；在后张预应力张拉过程中，优先张拉所述智能钢绞线(1)，通过智能钢绞线(1)的测试数据在现场实地反推出张拉装置的张拉控制值，而后采用该张拉装置控制值进行其余普通钢绞线(3)的张拉，以求实现后张预应力张拉过程的精细化控制。

进一步，安装了光纤光栅传感器(11)的所述普通钢绞线(3)即为所述智能钢绞线(1)，所述普通钢绞线(3)由纤维增强复合筋(12)的多缕边丝缠绕光纤(14)构成；所述光纤光栅传感器(11)包括监测光纤光栅传感器(111)和温度补偿光纤光栅传感器(112)，温度补偿光纤光栅传感器(112)设置在中空金属管(15)内的光纤(14)上，中空金属管(15)被所述纤维增强复合筋(12)的多缕边丝缠绕，温度补偿光纤光栅传感器(112)通过中空金属管(15)与所述纤维增强复合筋(14)进行隔离不与所述纤维增强复合筋(12)协同变形；所述监测光纤光栅传感器(111)直接连接在所述光纤(14)，直接连接在所述光纤(14)外部没有中空金属管(15)进行隔离，所述监测用光纤光栅传感器(111)与纤维增强复合筋缠绕光纤(14)协同变形。

进一步，所述智能钢绞线(1)和所述普通钢绞线(3)同样承担施加的预加力，且预应力张拉控制力相同。

进一步，所述智能钢绞线(1)外部设有pe护套，所述智能钢绞线(1)与所述pe护套之间装有粘稠状的防腐剂；所述普通钢绞线(3)外部也设有pe护套，所述智能钢绞线(1)与所述pe护套之间装有粘稠状的防腐剂。

进一步，所述锚固体系(4)包括锚杯、锚垫板和锚夹片，所述锚夹片是放在楔形的所述锚杯里，所述锚夹片的内部有齿痕，所述锚夹片受力的时候齿痕咬紧所述智能钢绞线(1)或所述普通钢绞线(3)，从而把力传给所述纤维增强复合筋(14)，所述锚垫板是为了增大预应力混凝土端部的承受局部压力的能力；所述智能钢绞线(1)中进行信号传输的光纤(14)从所述锚杯处随着所述智能钢绞线(1)自然引出。

进一步，所述张拉装置为千斤顶。

进一步，所述智能钢绞线(1)内封装多个光纤光栅传感器(11)以提高测量精度。

一种光纤光栅后张预应力张拉精细化控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据预应力结构设计，选取智能钢绞线(1)代替的普通钢绞线(3)，确定其相关参数；

步骤2：根据已确定的普通钢绞线(3)的相关参数，下料制作纤维增强复合筋(12)，其中包含应力测试用光纤光栅传感器(111)、温度补偿用光纤光栅传感器(112)和光纤(14)，温度补偿光纤光栅传感器(112)设置在中空金属管(15)内的光纤(14)上，中空金属管(15)被所述纤维增强复合筋(12)的多缕边丝缠绕，温度补偿光纤光栅传感器(112)通过中空金属管(15)与所述纤维增强复合筋(14)进行隔离不与所述纤维增强复合筋(12)协同变形；所述监测光纤光栅传感器(111)直接连接在所述光纤(14)，直接连接在所述光纤(14)外部没有中空金属管(15)进行隔离，所述监测用光纤光栅传感器(111)与纤维增强复合筋缠绕光纤(14)协同变形；将上述部件进行组合安装形成智能钢绞线(2)；

步骤3：将按设计制作智能钢绞线(1)同普通钢绞线(3)铺至结构设计位置，并按要求浇筑预应力结构(2)，将智能钢绞线(1)端部引线进行保护；

步骤4：在结构达到张拉条件后，采用锚具体系(4)和张拉装置或张拉千斤顶优先对智能钢绞线(1)进行张拉，张拉结束后测试有效预应力值，并与设计值进行对比，如果符合停止张拉并记录张拉千斤顶表值；如果不符合，根据其正负差调整千斤顶张拉表值，直到智能钢绞线(1)测试预应力有效值与设计值相符后停止，并记录千斤顶油压表值。

步骤5：以步骤4中获得的张拉千斤顶表值作为之后同类型预应力钢绞线的张拉控制值进行剩余部分的普通钢绞线(3)张拉工作。

进一步，所述光纤光栅后张预应力张拉精细化控制方法，其特征在于：所述步骤4中智能钢绞线(1)的有效预应力值计算公式如下：

其中:

σ——智能钢绞线的应力(mpa)；

eic——智能钢绞线的弹性模量(mpa)；

αε——轴向应变与光纤光栅中心波长变化关系的灵敏度系数；

δλ111——光纤光栅传感器(111)的中心波长变化量(pm)；

δλ112——温度补偿光纤光栅传感器(112)的中心波长变化量(pm)。

进一步，步骤1中的相关参数包括普通钢绞线(3)的直径、长度、普通钢绞线(3)的极限承载力值、拉伸率值和弹性模量。

该光纤光栅后张预应力张拉精细化控制装置和方法与传统预应力张拉控制相比，具有以下有益效果：

(1)本发明将光纤光栅智能钢绞线和后张预应力技术有机结合起来将其应用到后张预应力张拉控制中，使其可在张拉现场预先对现场所用的张拉装置和锚固体系进行一次预标定，从而确定张拉控制装置的控制值，提高预应力有效预应力的控制精度，可广泛应用于以钢绞线为受力构件的后张预应力结构中。

(2)本发明在不增加原有预应力张拉施工的张拉设备、锚固体系、施工工艺的基础上，做到有效提高后张预应力结构有效应力控制精度。

(3)本发明中使用光纤光栅传感器包括监测光纤光栅传感器和温度补偿光纤光栅传感器，温度补偿光纤光栅传感器使得更加准确的剔除温度的影响，更加真实的反映出智能钢绞线所负担的预应力大小。

附图说明

图1：本发明光纤光栅后张预应力张拉精细化控制装置示意图；

图2：本发明中监测光纤光栅传感器与温度补偿光纤光栅传感器设置示意图。

附图标记说明：

1—智能钢绞线；11—光纤光栅传感器；111—监测光纤光栅传感器；112—温度补偿光纤光栅传感器；12—纤维增强复合筋；14—光纤；15—中空金属管；2—预应力结构；3—普通钢绞线；4—锚固体系。

具体实施方式

下面结合图1和图2，对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种光纤光栅后张预应力张拉精细化控制装置包括智能钢绞线1、普通钢绞线3、锚固体系4、液压张拉装置，智能钢绞线1为原位置代替普通钢绞线3中的一根，智能钢绞线1和普通钢绞线3选用相同的张拉设备和锚固体系4。智能钢绞线1和普通钢绞线3均作为预应力结构2的受力构件使用，承担相同的设计预加力。

如图2所示，光纤光栅传感器11分为监测光纤光栅传感器111和温度补偿光纤光栅传感器112。其中，监测光纤光栅传感器测量的对象是预应力钢绞线的应力，并且实时监测钢绞线的应力状态。监测光纤光栅传感器111与纤维增强复合筋12为一体结构，协同变形。温度补偿光纤光栅传感器112仅测量后张预应力智能加固结构的温度。由于光纤光栅传感器对温度和应变都敏感，考虑加固体系长期应用过程中温度肯定会变化，为了更加准确的剔除温度的影响，增加了悬空的仅测温度的温度补偿光纤光栅传感器112。温度补偿光纤光栅传感器112是不与纤维增强复合筋12协同变形，因而其也是不与纤维增强复合筋12接触的。具体做法是通过在温度补偿光纤光栅传感器112外部套有一中空金属管15实现与光纤光栅纤维增强复合传感筋12的隔离。

因而，最终通过智能钢绞线1获取的有效预应力值时张拉设备的张拉值来对于普通钢绞线3进行张拉，从而实现预应力钢筋张拉精细化控制。

本发明光纤光栅后张预应力张拉精细化控制方法可以采用下述步骤来实现：

步骤1：根据预应力结构设计，选取智能钢绞线1代替的普通钢绞线3，确定其几何和物理参数；

步骤2：根据已经确定的普通钢绞线3的相关参数，下料制作智能传感筋其中包含应力测试用光纤光栅传感器111和温度补偿用光纤光栅传感器112，并重新组装智能传感筋和普通钢绞线6根边丝，形成智能钢绞线1；

步骤3：将按设计制作智能钢绞线2同普通钢绞线3铺至结构设计位置，并按要求浇筑预应力结构1，将智能钢绞线端部引线进行适当保护；

步骤4：在结构达到张拉条件后，采用常规锚具系统4和张拉装置优先对智能钢绞线2进行张拉，1次张拉结束后测试有效预应力值，并与设计值进行对比，如果符合停止张拉并记录张拉千斤顶表值；如果不符合，根据其正负差调整千斤顶张拉表值，直到智能钢绞线2测试预应力有效值与设计值相符后停止，并记录千斤顶油压表值。

步骤5：以步骤4中获得的油压表值作为之后同类型预应力钢绞线的张拉控制值进行剩余部分的钢绞线张拉工作。

由此可见，本发明预应力张拉精细化控制原理是：通过同条件位置的智能钢绞线1代换普通钢绞线3，预应力张拉时优先张拉智能钢绞线1使其最终预应力值与设计值相同，记录下该工况下张拉控制装置的张拉值，并采用这一已经更精准考虑现场张拉设备、锚固体系、施工环境、施工人员等影响因素的张拉控制值对于其余普通钢绞线进行张拉，实现后张预应力结构预应力张拉的精细化控制。

此外，本发明监测原理是：智能钢绞线1的变形和纤维增强复合筋2的变形相同也就是应变相同。而同时，纤维增强复合筋12和其内的监测光纤光栅传感器111是一体的，也是具有相同应变的。因此通过监测光纤光栅传感器111可以获得钢绞线的应变。但是为了补偿温度影响，需要减去温度补偿光纤光栅传感器112的数值，最终可推导出智能钢绞线1的力值。这样使得本加固体系既有力学性能，又有测试性能，从而实现了智能加固结构。

公式部分：

其中:

σ——钢绞线的应力(mpa)；

eic——智能钢绞线的弹性模量(mpa)；

αε——轴向应变与光纤光栅中心波长变化关系的灵敏度系数；

δλ111——光纤光栅传感器(111)的中心波长变化量(pm)；

δλ112——温度补偿光纤光栅传感器(112)的中心波长变化量(pm)。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。