一种预应力混凝土箱梁健康状况监测系统及监测方法与流程

本发明属于钢筋束预应力测量技术领域，尤其涉及一种预应力混凝土箱梁健康状况监测系统及监测方法。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：目前，在土木工程中已大量使用预应力混凝土，预应力混凝土与普通混凝土一样，经过长期的使用过程，混凝土的结构性能会随着时间的推移而逐渐发生一定程度上的衰退，即预应力混凝土的应力会逐渐变化，导致混凝土表面上出现裂缝，常见的裂缝有横向裂缝，纵向裂缝，腹板裂缝和表面龟裂等。结构出现裂缝以后，在结构裂缝处会发生相应的物理化学反应，混凝土在硬化之后，氧化钙的碱性作用会使混凝土内部的钢筋在其表面形成一层致密的氧化物薄膜，由于混凝土出现裂缝，空气中的二氧化碳和氧气进入混凝土内部，氢氧化钙会与二氧化碳反应产生碳酸钙，降低内部的碱性环境，原有的氧化物薄膜被破坏，从而造成钢筋发生锈蚀，导致钢筋应力降低，整个梁体应力降低，若梁体应力降低到所设计的最低应力值时，梁体遭到破坏，影响桥梁的正常使用。

对梁体典型裂缝的归纳总结与分析，可以为桥梁梁体的应力监测，挠度监测，振动参数的测定提供有效地支持。对梁体出现的裂缝形式进行研究表明，梁体出现的裂缝类型分为以下几种：a.横向裂缝，b.纵向裂缝，c.腹板斜裂缝，d.表面龟裂。桥梁在使用期间，横向裂缝比较常见。横向裂缝多出现于梁体的跨中，由于混凝土是典型的脆性材料，耐压不耐拉，截面处的弯拉应力值超过了允许应力值。纵向裂缝主要分布于底板底面的中间区域，沿横断面方向，呈跨中密，粗而长，两侧相对较稀，细而短分布。预应力混凝土箱梁腹板斜裂缝一般分布在跨到跨之间，两侧结构基本对称，与桥轴线成25-45度之间。由于斜截面受到的强度或内部受到的主拉应力在支座负筋梁体下部产生结构弯矩的同时还会产生相应的剪力作用，有弯矩作用产生下的拉应力预渐力作用产生的剪应力相互作用下，形成倾斜方向上的主拉应力，当主拉应力超过混凝土内部的极限抗拉强度时，则产生斜裂缝，斜裂缝一般在腹板上较为常见。

预应力混凝土箱梁中钢筋的锈蚀类型主要有自然电化学锈蚀，杂散电流锈蚀和应力锈蚀，在钢筋混凝土中钢筋的锈蚀中最常见的是电化学锈蚀。通常情况下，混凝土空隙中充满水泥水化时产生的ca(oh)2过饱和溶液，使得混凝土具有很强的碱性，ph值一般为12.5～13.2。钢筋在这种强碱性环境中，表面会沉积一层致密的由fe2o3.nh2o或fe3o4.nh2o组成的碱性钝化膜，该膜的厚度约为(0.2～1)um，能使阳极反应受到抑制从而阻止钢筋锈蚀。只要碱性环境存在，钝化膜就能自我修复。但是当酸性物质侵入并与ca(oh)2作用时，混凝土的ph值就会降低(可降至9以下)。当混凝土ph值降至11.5以下时，混凝土钝化膜就会遭受破坏，从而失去对钢筋的保护作用，若有空气和水分侵入时，钢筋便开始锈蚀。应力锈蚀是钢筋在腐蚀介质和拉应力协同作用下引起钢筋破裂的现象，锈蚀是过程的局部化和拉应力的结果，使裂纹生核，裂纹随着时间的推移而逐渐扩展，由于拉应力的局部集中，裂纹急剧生长导致材料的破坏。随着裂纹扩展阶段的进行，拉应力束渐渐增大，应力集中愈大，导致裂纹的迅速扩展，最后导致了钢筋的破坏。

为了让结构出现裂缝的时间持久一点，现有技术一般采用两端施加预应力或者在竖向布置竖向的预应力筋束，改善梁体的承载能力以及受力状况。但是，一些监测预应力的装置只是在一些关键部位进行测量，以点代面，不能连续可测预应力。现在桥梁多数为预应力混凝土桥梁，来往人员车流密集，目前尚未由系统的方法来精确的监测预应力混凝土箱梁的健康装况，只是对于钢筋预应力进行较为粗糙的测量来评价梁体的健康状况，监测不够全面，功能不足，难以真实反映箱梁的的实际状况。因此，对预应力混凝土箱梁的健康状况监测显得尤为重要。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统对于钢筋束预应力的测量方法不能够说明整个梁体预应力的分布状况，比较片面。

解决上述技术问题的难度：传统的对预应力的测量只是在一些关键部位进行测量，以点代面，具有很大的随机性，不能够说明梁体的真实受力情况，也不能够连续监测。

解决上述技术问题的意义：针对传统技术的不足，本发明可以长期连续实时的监测梁体的健康状况。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种预应力混凝土箱梁健康状况监测系统及监测方法。

本发明是这样实现的，一种预应力混凝土箱梁健康状况监测系统，所述预应力混凝土箱梁健康状况监测系统设置有：

所述预应力混凝土箱梁健康状况监测系统设置有：

电压采集器，用于获得预应力筋束两端的电压；

lvdt裂缝计，用于测量梁体的裂缝；

表面应变计，用于测量混凝土的变形；

压差式变形测量传感器，用于测量梁体的挠度；

振动传感器，用于测量梁体的振动参数；

所述电压采集器通过导线与处理器的输入端相连；lvdt裂缝计安装于箱梁的两端和跨中，通过导线与处理器的输入端相连；

所述压差式变形测量传感器安装于箱梁的端部和跨中位置，表面应变计、振动传感器通过导线与处理器连接，处理器通过导线与pc机连接。

进一步，在预应力筋束上安装钢筋应变计，且在应变力筋束上设置若干测点，在测点处焊接导线，将预应力筋束靠近锚具的一段记为标准段。

进一步，将钢筋应变计安装于预应力筋束中，将钢筋应变计的导线引出于箱梁模板外侧，与处理器的输入端相连。

进一步，在绑扎钢筋时将导线一端接于预应力钢筋束中，另一端引出箱梁模板，与电压采集器相连，电压采集器与处理器的输入端相连。

进一步，加速度传感器安装于梁的跨中位置，与处理器输入端相连，进行保护并记录起始数据。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述预应力混凝土箱梁健康状况监测系统的预应力混凝土箱梁健康状况监测方法，所述预应力混凝土箱梁健康状况监测方法根据测点的位置不同来测量任意点处的预应力筋束预应力的大小以及梁体的物理参数，经过监测，由处理器将数据传入pc机中，pc机中的相应软件对数据进行处理分析，绘制出相应的变量随时间变化曲线，通过相应软件对图形进行拟合分析，得出关于变量的函数表达式，实时的监测箱梁梁体的健康状况。

进一步，所述预应力混凝土箱梁健康状况监测方法包括以下步骤：

第一步，将钢筋应变计安装于预应力钢筋束中，用导线将预应力筋束两端分别与电源正负极接通；将钢筋应变计的导线引出于箱梁模板外侧，与处理器的输入端相连；

第二步，在绑扎钢筋时将导线一端接于预应力钢筋束中，另一端引出箱梁模板，与电压采集器相连，电压采集器与处理器的输入端相连；

第三步，在箱梁的混凝土浇筑完成之后，将裂缝计安装于梁的两端和跨中，然后与处理器的输入端相连，对其进行保护并记录起始数据；

第四步，在箱梁的混凝土浇筑完成之后，将压差式变形测量传感器安装于梁的端部和跨中位置，将加速度传感器安装于梁的跨中位置，与处理器的输入端相连，对其进行保护并记录起始数据；

第五步，在系统安装完成之后，通过处理器传入的数据，pc机进行处理分析，实时的监测预应力混凝土箱梁的物理参数，判断箱梁的健康状况。

进一步，所述预应力混凝土箱梁健康状况监测方法在应变力筋束上安装钢筋应变计，且在应变力筋束上设置若干测点，在测点处焊接导线，将应变力筋束伸出的一段记为标准段；接通电源，将两测点之间的钢筋段视为串联，由电学知识可知其中u0,ui,r0,ri分别表示标准段的电压，电阻和待测段的电压和电阻；

代入得；

由材料力学知识可知，钢筋应力；

联立上式得；

本发明的另一目的在于提供一种所述预应力混凝土箱梁健康状况监测方法在钢筋束预应力测量中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种所述预应力混凝土箱梁健康状况监测方法在梁体健康状况监测中的应用。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明以预应力混凝土单箱室箱梁为研究对象，通过钢筋应变计、lvdt裂缝计、压差式变形测量传感器、加速度传感器、电压采集器、pc机、处理器等监测设备长期监测梁体的健康状况。传统的对于钢筋束预应力的测量方法，是采用钢筋应力计测量外部的钢筋束预应力来反映箱梁梁体的应力状况，这种方法不能够说明整个梁体预应力的分布状况，比较片面。本发明提供监测预应力混凝土箱梁健康状况的装置，由相应的软件进行分析、绘制待测变量与时间的关系曲线，并进行拟合曲线给出待测变量与时间的函数关系，全方位掌握箱梁整体及局部结构的细微变化，精确的判断梁体的健康状况。

附图说明

图1是本发明实施例提供的预应力混凝土箱梁健康状况监测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的预应力混凝土箱梁健康状况监测方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的预应力筋束预应力测量装置示意图；

图4是本发明实施例提供的梁体物理参数监测装置剖面图；

图5是本发明实施例提供的梁体健康状况监测示意图；

图中：1、钢筋应变计；2、电压采集器；3、导线；4、待测钢筋段；5、lvdt裂缝计；6、压差式变形测量传感器；7、加速度传感器；8、表面应变计；9、振动传感器；10、应变力筋束；11、锚具；12、应变采集器；13、处理器；14、pc机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种预应力混凝土箱梁健康状况监测系统及监测方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的预应力混凝土箱梁健康状况监测系统包括：电压采集器2、lvdt裂缝计5、压差式变形测量传感器6、表面应变计8、振动传感器9、应变采集器12、处理器13、pc机14。

电压采集器2，用于获得预应力筋束两端的电压；

lvdt裂缝计5，用于测量梁体的裂缝；

表面应变计8，用于测量混凝土的变形；

压差式变形测量传感器6，用于测量梁体的挠度；

振动传感器9，用于测量梁体的振动参数。

电压采集器2通过导线与处理器13的输入端相连，将lvdt裂缝计5安装于箱梁的两端和跨中，通过导线与处理器13的输入端相连，压差式变形测量传感器6安装于箱梁的端部和跨中位置，表面应变计8、振动传感器9通过导线与处理器13连接，处理器13提供导线与pc机14连接。

如图2所示，本发明实施例提供的预应力混凝土箱梁健康状况监测方法包括以下步骤：

s201：将钢筋应变计安装于预应力钢筋束中，用导线将预应力筋束两端分别与电源正负极接通；将钢筋应变计的导线引出于箱梁模板外侧，与处理器的输入端相连。

s202：在绑扎钢筋时将导线一端接于预应力钢筋束中，另一端引出箱梁模板，与电压采集器相连，电压采集器与处理器的输入端相连。

s203：在箱梁的混凝土浇筑完成之后，将裂缝计安装于梁的两端和跨中，然后与处理器的输入端相连，对其进行保护并记录起始数据。

s204：在箱梁的混凝土浇筑完成之后，将压差式变形测量传感器安装于梁的端部和跨中位置，将加速度传感器安装于梁的跨中位置，与处理器的输入端相连，对其进行保护并记录起始数据。

s205：在系统安装完成之后，通过处理器传入的数据，pc机进行处理分析，可以实时的监测预应力混凝土箱梁的物理参数，判断箱梁的健康状况。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明对箱梁梁体的健康状况进行连续实时的监测，所用装置包括钢筋应变计1、lvdt裂缝计5、加速度传感器7、直流电源、压差式变形测量传感器6、表面应变计8、振动传感器9、电压采集器2、pc机14和处理器13，以及导线3若干。装置分为预应力筋束应力测量装置和梁体物理参数监测装置两部分。

1、装置原理

为了简化实际工程中问题的复杂性，特作出以下六个假设：

(1)将钢筋看作各向同性的材料；

(2)钢筋所受到的应力应变满足hook’slaw，即始终处于线弹性阶段；

(3)钢筋变形为小挠度变形；

(4)钢筋受到预应力之后，认为其横截面积保持不变，即满足平截面假定；

(5)所用导线在混凝土浇筑完成之后均能正常使用；

(6)混凝土电阻阻值视为无限大，即绝缘材料。

在应变力筋束10上安装钢筋应变计1，且在应变力筋束10上设置若干测点，在测点处焊接导线3，将应变力筋束10伸出的一段记为标准段。接通电源，将两测点之间的钢筋段视为串联，由电学知识可知(其中u0,ui,r0,ri分别表示标准段的电压，电阻和待测段的电压和电阻)；

代入上式可得；

由材料力学知识可知，钢筋应力；

联立上式可得；

在混凝土箱梁浇筑完成之后将lvdt裂缝计5安装于梁的两端和跨中。当结构物伸缩缝或裂缝的开合度发生变化时，使lvdt裂缝计5左右安装座产生相对位移，该位移产生电信号，电信号经电缆传输至数据采集装置，再经换算即可得到被测结构物伸缩缝，相对位移的变化量。

在混凝土箱梁浇筑完成之后，将压差式变形测量传感器6安装于梁的端部和跨中位置。用于测量梁的挠度，将所测挠度数值传入处理器13中，然后经过pc机14中相关软件进行处理分析。

2、操作步骤

在工作时，钢筋应变计1、lvdt裂缝计5、压差式变形测量传感器6、加速度传感器7、电压采集器2分别测量预应力钢筋的应变值、梁体的裂缝、梁体的挠度、梁体的振动参数、待测段处的电压，装置原理图，如图3、图4、图5所示：

将钢筋应变计1安装于应变力筋束10中，将钢筋应变计1的导线3引出于箱梁模板外侧，与处理器13的输入端相连。

在绑扎钢筋时将导线一端接于预应力钢筋束中，另一端引出箱梁模板，与电压采集器2相连，电压采集器2与处理器13的输入端相连。

在箱梁的混凝土浇筑完成之后，将lvdt裂缝计5安装于梁的两端和跨中，然后与处理器13的输入端相连，对其进行保护并记录起始数据。

在箱梁的混凝土浇筑完成之后，将压差式变形测量传感器6安装于梁的端部和跨中位置，将加速度传感器7安装于梁的跨中位置，与处理器13输入端相连，对其进行保护并记录起始数据。

在系统安装完成之后，通过处理器13传入的数据，pc机14进行处理分析，可以实时的监测预应力混凝土箱梁的物理参数，判断箱梁的健康状况。

本发明实现了箱梁梁体任一点处预应力分布的大小以及局部物理参数的测定，根据测点的位置不同来测量任意点处的预应力筋束预应力的大小以及梁体的物理参数，经过长期的监测，由pc机14对数据进行处理分析，绘制出相应的变量随时间变化曲线，通过相应软件对图形进行拟合分析，得出关于变量的函数表达式，从而可以实时的监测箱梁梁体的健康状况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。