专利名称：一种竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于无损检测领域，涉及一种应用在箱梁腹板的竖向预应力钢筋有效应力水平测试的装置。
背景技术：
桥梁结构的竖向预应力筋作用于箱梁腹板(大跨度混凝土箱梁的腹板)中，是承受截面剪应力和主拉应力的关键构造，在桥梁施工中，由于箱梁的高度有限，竖向预应力筋的长度(相对于纵向预应力钢筋)比较短，因而在达到张拉控制应力时钢筋的伸长量有限，如果锚固及锚固过程中稍有偏位，极易造成有效应力水平不能满足设计要求甚至应力失效；受施工工艺、人为操作方法的影响，初张拉不到位以及锚固螺母拧紧力不够，也同样会引起应力失效。解决竖向预应力损失最直接、最有效的途径就是研发一种无损、快速、精准的有效应力水平测试装置及其测试方法，解决竖向预应力钢筋在施工过程中以及运营过程 中应力识别技术难题，对防止预应力混凝土箱梁桥腹板开裂、提高箱梁的耐久性和可靠性具有重大意义。目前竖向预应力钢筋有效应力水平的检测方法有，张拉千斤顶油表测量法、预应力筋延伸量测量法、扭矩扳手法、电阻应变片电测法、压力传感器测试法、频率法、振动波法、弹性磁(磁通量)法等。其中油表测量法、延伸量测量法为施工最常用的方法，但测量精度较低，无法测试己张拉完毕的竖向预应力钢筋；扭矩扳手法是较普遍的一种测量和控制钢筋预紧力的方法，但钢筋螺纹连接中存在严重的应力集中现象，在螺纹牙根部等局部区域的材料总会产生较大的弹塑性变形，这也给控制预紧力带来一定的误差；电阻应变片多用于实验室测量，仅能反映被测钢筋表面的应力，同样受到局部应力集中现象影响，且拧紧螺栓表面会产生一定剪切形变，导致测量结果与实际轴向应力有偏差，施工工程中条件复杂，易失效；压力传感器费用高，自重大，且不能重复使用，虽然测量精度较高，但混凝土箱梁的腹板中竖向预应力钢筋数量众多，无法大范围的推广使用，仅限于复核校验和科研；光栅传感器具有质量轻、体积小灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、传输频带较宽等优点，便于实现时分或频分多路复用，可进行大容量信息的实时测量，使大型结构的预应力检测成为可能，但是光栅传感器安装复杂，受钢筋变形的影响，传感器和引线易损坏，成活率不高。利用频率法测测试预加力可达到很高的精度，且具有操作简单、费用低和设备可重复利用的优点，但竖向预应力钢筋一旦封锚，便不易获得激励下的振动信号，不适用于竖向预应力钢筋的长期监测。振动波法利用振动波在张紧弦上的传递速度与弦张力之间的对应关系，计算竖向预应力钢筋的预加力，边界条件复杂，测试精度有待于提高；弹性磁(磁通量)法，为非接触式的测量手段测试精度较高，但需在结构中欲埋传感器，由于价格昂贵，应力与积分电压的标定较为复杂，测量精度有待于验证，目前在工程中的应用较少。根据声弹性原理，超声波的传播速度会因材料中的应力变化而产生微小的变化，通过研究轴向应力与超声波传播时间变化率的关系，可以利用超声波来测量材料内部的应力。竖向预应力钢筋的长度一般为2 12m，设计张拉力一般为40 60t，相对于机械上用的螺栓，长度大，应力水平高，建造过程中以及成桥运营后使用环境复杂，有效应力水平受钢筋及锚具的连接安装、施加预应力工艺、管道压浆质量等影响较大。实用新型专利CN1420345A，实用新型专利CN2272575Y，超声螺栓紧固力测试装置，通过测量超声波的传播速度(或传播时间)，间接得到螺栓应力的方法，但换能器的能量小、只能满足螺栓20-50cm这样的距离，不能满足预应力钢筋2-12m的长距离测量，超声波的能量衰减很大，没有量化温度对应力测量精度的敏感性，应力测量误差较大，无法满足竖向预应力钢筋的测试要求。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置及其测试方法，要解决箱梁腹板中竖向预应力钢筋有效应力水平测试的技术问题；并解决如何 量化温度对应力测量精度的影响问题。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案—种竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置，包括超声波换能器、超声脉冲发生器、升压电路、发射电路、可编程滤波器、可编程放大器、A/D转换器、数据缓存器、DSP、时钟计数器、RAM存储区、测温电路、温度传感器、ARM处理器、存储器、键盘和显示器。所述超声波换能器吸附在竖向预应力钢筋张拉端的水平断面上，所述温度传感器吸附在竖向预应力钢筋的外露段的侧面。所述ARM处理器的信号输出端连接超声脉冲发生器的信号输入端，超声脉冲发生器发出的脉冲信号经升压电路和发射电路传送至超声波换能器的信号输入端；所述超声波换能器的信号输出端将超声波经可编程滤波器、可编程放大器和A/D转换器传送至数据缓存器，所述数据缓存器将采集到的信号送入DSP中，所述DSP将采集到的信号存储至RAM存储区；所述ARM处理器与存储器、键盘、显示器、可编程放大器、可编程滤波器、RAM存储区和测温电路均连接；所述测温电路的输出端与ARM处理器连接，测温电路的输入端连接温度传感器。所述显示器用于实时显示超声波扫描波形、超声波的声时、竖向预应力钢筋的应力状态测试结果。所述键盘用于外部数据输入。所述存储器用于存储竖向预应力钢筋温度影响系数、材料影响系数、标定公式及
计算结果。所述超声波换能器用于发射和接收I至20个周期性超声波信号，所述超声波换能器为压电陶瓷传感器，外包裹层为磁性材料。所述温度传感器是带磁性的圆柱体传感元件，用于采集竖向预应力钢筋的温度值；所述温度传感器与ARM处理器经测温电路连接，所述ARM处理器用于对竖向预应力钢筋的计算结果进行温度修正。所述ARM处理器用于可编程放大器的关闭和开启时序的控制和可编程滤波器的频率控制，所述A/D转换器的数据采样速率是lGsps。与现有技术相比本实用新型具有以下特点和有益效果本实用新型为难于定量测试的箱梁腹板竖向预应力钢筋的有效应力水平提供了测试装置。竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置的设计确保信号的有效性和稳定性，当超声波沿竖向预应力钢筋传播至固定端后进行回波反射，超声波换能器接收超声回波信号后，将信号输出至可编程滤波器，可编程滤波器将干扰性的杂波、噪声衰减后，可编程滤波器的输出端连接可编程放大器，对信号进行充分放大，抑制噪声和大信号、限制噪声向后级传播，并可对超声回波信号进行自动距离增益补偿，能够将几次超声回波信号放大到基本相同的幅值水平。另外，在竖向预应力钢筋的施力过程中，整个装置使得竖向预应力钢筋的张拉质量具有可测性、可控性；能够无损、快速、精准、低成本的测量竖向预应力钢筋施工和成桥运营后的应力状态，并通过ARM处理系统和显示器将超声波扫描波形、声波的传播时间、竖向预应力钢筋的有效应力状态测试结果直观显示。本实用新型以超声波原理为基础，通过检测声速变化而获取应力，可以完全消除摩擦力对扭矩测量的影响，能够直观真实的反应竖向预应力钢筋的应力状态；对已经张拉紧固的竖向预应力钢筋可起到检查的作用。 本实用新型考虑到竖向预应力的下锚固端锚固在混凝土中，在未作桥面铺装之前，进行竖向预应力钢筋的超声测量时，可以在钢筋的外露端面安装收发一体的超声波换能器，超声波探头可重复性利用，也可选择关键受力部位的竖向预应力钢筋，如梁端、跨中区域等埋置永久性的超声波探头，将超声波探头的连接线引出，便于成桥后钢筋应力水平的持续跟踪。本实用新型应用了一种基于ARM的时钟计数器，超声波换换能器可发射I 20个周期性的超声波信号，超声波换能器的作用距离大于35m，测量精度可以达到O. 01ns，应力测量水平IMpa 钢筋的屈服强度，应力测量的相对误差< 5%。
以下结合附图
对本实用新型做进一步详细的说明。图I是本实用新型的竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置的结构框图。图2是本实用新型的张拉试验竖向预应力钢筋的有效应力水平与声时差关系曲线。图3是本实用新型的竖向预应力钢筋有效受力长度的尺寸规定图。图4是本实用新型的温度试验竖向预应力钢筋的温度与声时差关系曲线。图5是本实用新型的竖向预应力钢筋的测试连接示意图。图6是本实用新型的超声回波信号图。附图标记1-超声波换能器、2-超声脉冲发生器、3-升压电路、4-发射电路、5-可编程滤波器、6-可编程放大器、7-A/D转换器、8-数据缓存器、9-DSP、10-时钟计数器、II-RAM存储区、12-测温电路、13-温度传感器、14-ARM处理器、15-存储器、16-键盘、17-显示器、18-周期为TA的连续超声波信号、19-竖向预应力钢筋、20-超声回波信号、21-时间闸门、22-竖向预应力钢筋上锚垫板、23-竖向预应力钢筋下锚垫板、24-竖向预应力钢筋的拧紧螺母、25-箱梁腹板、26-竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置、27-张拉端、28-固定端。
具体实施方式
实施例参见图I所示，本实用新型的竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置的结构框图。这种竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置，包括超声波换能器I、超声脉冲发生器2、升压电路3、发射电路4、可编程滤波器5、可编程放大器6、A/D转换器7、数据缓存器
8、DSP9(以数字信号来处理大量信息的微处理器)、时钟计数器10、RAM存储区11、测温电路12、温度传感器13、ARM处理器14、存储器15、键盘16和显示器17。所述超声波换能器I吸附在竖向预应力钢筋19张拉端27的水平断面上，超声波换能器为压电陶瓷传感器，外包裹层为磁性材料，用于发射和接收I至20个周期性超声波信号。所述温度传感器13吸附在竖向预应力钢筋19的外露段的侧面。所述ARM处理器14的信号输出端连接超声脉冲发生器2的信号输入端，超声脉冲发生器2发出的脉冲信号经升压电路3和发射电路4传送至超声波换能器I的信号输入端；ARM处理器14控制超声脉冲换能器I产生周期为TA的连续超声波信号18，使超声脉冲电路产生高压激励脉冲和重复频率可调的超声波，这个脉冲加到超声波换能器I上，使超声波换能器I发出频率为2. 5 IOMHz超声波。超声波信号18沿竖向预应力钢筋19传播至 固定端28面后进行回波反射，所述超声波换能器I接收回波信号20后，超声波换能器I的信号输出端将回波信号20经可编程滤波器5、可编程放大器6和A/D转换器7传送至数据缓存器8，所述可编程滤波器5将干扰性的杂波、噪声衰减后，可编程滤波器5的输出端连接可编程放大器6，对超声波换能器I接收的信号进行充分放大，抑制噪声和大信号、限制噪声向后级传播，并可对回波信号20进行自动距离增益补偿，将几次回波信号20放大到基本相同的幅值水平，为保证系统信号的有效性和稳定性，ARM处理器14可对可编程滤波器5进行频率控制，ARM处理器14也可对可编程放大器6进行关闭和开启时序控制，可编程放大器6输出接A/D转换器7，其数据采样速率是lGsps，通过A/D转换器7对回波信号20进行高速采集，并将采集到的信号经数据缓存器8送入DSP 9中，DSP 9接收经过缓存后的数据，完成信号处理，并将采集到的信号存储至RAM存储区11，采样完成后，ARM处理器14读取暂存于RAM存储区11中的数据，并向时钟计数器10输出计数的时间点信号，计数的时间点为两个不同超声反射回波信号的时间间隔(简称声时)，时钟计数器10则在时间闸门21内精确的测量超声回波的传播时间。所述ARM处理器14与存储器15、键盘16、显示器
17、可编程放大器6、可编程滤波器5、RAM存储区11和测温电路12均连接；所述测温电路12的输出端与ARM处理器14连接，测温电路12的输入端连接温度传感器13 ;所述温度传感器13是带磁性的圆柱体传感元件，用于采集竖向预应力钢筋19的温度值；所述温度传感器13与ARM处理器14经测温电路12连接，所述ARM处理器14用于对竖向预应力钢筋19的计算结果进行温度修正。所述显示器17用于实时显示超声波扫描波形、超声波的声时、竖向预应力钢筋的应力状态测试结果；所述键盘16用于外部数据输入；所述存储器15用于存储竖向预应力钢筋温度影响系数、材料影响系数、标定公式及计算结果。本实用新型的测试方法的原理如下这种竖向预应力钢筋有效应力水平的测试方法，将超声波换能器吸附在竖向预应力钢筋张拉端的水平端面上，超声波换能器通过超声波耦合剂被竖向预应力钢筋耦合后，发射并接收沿竖向预应力钢筋轴向传递的超声波，基于材料的声弹性现象，当竖向预应力钢筋受力伸长时，通过竖向预应力钢筋的超声波声速减小了，应力的变化引起了超声波声速的变化，当竖向预应力钢筋受力前后温度恒定为&时,应力与声速的关系可表示为υ (σ , t0) = C0(l-ko ) (I)[0035]式中υ (σ，tQ)_基准温度下超声波的声速，V基准温度，C。-钢筋无应力时超声波的声速，k-与钢筋材料有关的常系数，σ -竖向预应力钢筋的应力水平。温度的变化也会引起超声波声速的变化，当竖同预应力钢筋同时受到应力与温度的变化时，钢筋的有效受力长度范围内的声速可表示为υ (σ，t) = C0(l_ko ) [l-m(t_t0)] (2)式中υ (σ，t)_温度为t时超声波的声速，Ccr钢筋无应力时超声波的声速，k_与钢筋材料有关的常系数，σ-竖向预应力钢筋的应力水平，m-温度对超声波声速的影响系数，t-竖向预应力钢筋的实际温度，t0-基准温度。而未受应力长度范围内的声速u (t)可表示为υ (t) = C0[l-m(t-t0) ] (3)钢筋的有效受力长度Le约定为Le = Di+D2+D3+D4 (4)式中D1-竖向预应力钢筋上锚垫板的厚度，D2-竖向预应力钢筋下锚垫板的厚度，D3-竖向预应力钢筋上、下锚垫板之间的距离，D4-竖向预应力钢筋的外径。钢筋的有效受力长度范围内受温度、应力作用后,长度Lj σ，t)为L1 ( σ , t) = Le+ Δ Ls+ Δ Lt (5)Δ Ls = Le X σ /E (6)ALt = LeX α X (t~t0) (7)式中，Le-钢筋的有效受力长度，ALs-应力引起的钢筋伸长，ALt-有效受力长度内温度引起的钢筋伸长，σ-竖向预应力钢筋的应力水平，E-钢筋的弹性模量，α-钢筋材料的膨胀系数，t_竖向预应力钢筋的实际温度，基准温度。未受应力长度范围内，钢筋长度只受温度变化的影响，长度L2 (t)为L2 (t) = (L-Le) [1+α X (t-t0)] ⑶式中L为钢筋的总长，Le-钢筋的有效受力长度，α _钢筋材料的膨胀系数，t_竖向预应力钢筋的实际温度，t0-基准温度。超声波的声速是不易被直接测量的，可通过从超声波声时及其变化量，计算竖向预应力钢筋的应力。竖向预应力钢筋在温度为t、应力为σ时的声时S与基准温度下钢筋未受力情况下的声时Stl作差得
r I AQ Q Q 2Ι^(σ, t)丄 2L2(t) 2LAS = S - S0 = ~— + -^― - — (9)
υ (σ, t; υ (t; C0将式⑵ ⑶带入式(9)可得
AS _ g _ g _ 2Le[l + cr/E + ex Ct — t0)j + 2 (L — Le)[l + oc (t — t0)j _ 2L° C0(I - kcx)[l - m (t - t0)] + ~C0[l - m (t - t0)]C0
(10)为简化分析，首先考虑钢筋受力前后温度恒定为t = h时，声时的变化Λ S。可避免由于温度变化引起钢筋的伸缩对声时测量的影响，且ko << 1，由式(10)，可得AS = S - S= 2 [1//E + kI X L X σ (11)
U/~\6可将(11)表示为[0058]Λ S = S-S0 = A Le σ (12)，式中
权利要求1.一种竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置，其特征在于包括超声波换能器(I)、超声脉冲发生器(2)、升压电路(3)、发射电路(4)、可编程滤波器(5)、可编程放大器(6)、A/D转换器(7)、数据缓存器⑶、DSP (9)、时钟计数器(10)、RAM存储区(11)、测温电路(12)、温度传感器(13)、ARM处理器(14)、存储器(15)、键盘(16)和显示器(17)； 所述超声波换能器(I)吸附在竖向预应力钢筋(19)张拉端(27)的水平断面上，所述温度传感器(13)吸附在竖向预应力钢筋(19)的外露段的侧面； 所述ARM处理器(14)的信号输出端连接超声脉冲发生器的信号输入端，超声脉冲发生器(2)发出的脉冲信号经升压电路(3)和发射电路(4)传送至超声波换能器(I)的信号输入端；所述超声波换能器(I)的信号输出端将超声波经可编程滤波器(5)、可编程放大器(6)和A/D转换器(7)传送至数据缓存器(8)，所述数据缓存器(8)将采集到的信号送入DSP (9)中，所述DSP (9)将采集到的信号存储至RAM存储区(11);所述ARM处理器(14)与存储器(15)、键盘(16)、显示器(17)、可编程放大器￠)、可编程滤波器(5)、RAM存储区(11)和测温电路(12)均连接；所述测温电路(12)的输出端与ARM处理器(14)连接，测温电路(12)的输入端连接温度传感器(13)； 所述显示器(17)用于实时显示超声波扫描波形、超声波的声时、竖向预应力钢筋的应力状态测试结果； 所述键盘(16)用于外部数据输入； 所述存储器(15)用于存储竖向预应力钢筋温度影响系数、材料影响系数、标定公式及计算结果。
2.根据权利要求I所述的竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置，其特征在于所述超声波换能器(I)用于发射和接收I至20个周期性超声波信号，所述超声波换能器(I)为压电陶瓷传感器，外包裹层为磁性材料。
3.根据权利要求I所述的竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置，其特征在于所述温度传感器(13)是带磁性的圆柱体传感元件，用于采集竖向预应力钢筋的温度值；所述温度传感器(13)与ARM处理器(14)经测温电路(12)连接，所述ARM处理器(14)用于对竖向预应力钢筋的计算结果进行温度修正。
4.根据权利要求I所述的竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置，其特征在于所述ARM处理器(14)用于可编程放大器(6)的关闭和开启时序的控制和可编程滤波器(5)的频率控制，所述A/D转换器(7)的数据采样速率是lGsps。
专利摘要一种竖向预应力钢筋有效应力水平测试装置，其中的ARM处理器连接超声脉冲发生器，超声脉冲发生器发出的脉冲信号经升压电路和发射电路传送至超声波换能器；所述超声波换能器将超声波经可编程滤波器、可编程放大器和A/D转换器传送至数据缓存器，所述数据缓存器将采集到的信号送入DSP中，DSP再将信号存储至RAM存储区；ARM处理器与存储器、键盘、显示器、可编程放大器、可编程滤波器、RAM存储区和测温电路均连接；所述测温电路与温度传感器连接。本实用新型具有无损、快速、精准和低成本特点，特别是量化温度对应力测量结果的影响，修正竖向预应力钢筋应力水平测试的误差，得到具有工程精度的竖向预应力筋有效应力水平值。
文档编号G01L5/00GK202599578SQ20122014992
公开日2012年12月12日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者张劲泉, 傅宇方, 张科超, 李万恒, 郑毅 申请人:交通运输部公路科学研究所