专利名称：一种测试预应力锚固体系张力的无损检测方法
技术领域：
本发明属于工程建设质量检测技术领域，具体涉及一种基于激振响应测试预应力锚固体 系张力的无损检测方法。
背景技术：
随着我国基础工程建设项目的迅猛发展，预应力体系已越来越多的应用于各类土木、建 筑、道桥、水利工程中的主体结构、边坡治理、大型地下洞室及深基坑支护等工程建设中。 预应力体系的张力直接影响着其锚固质量，是最重要的设计及施工指标。但是，由于各种原 因，预应力体系经过一定时间之后，会出现松弛的现象，即其张力会逐渐降低，从而影响锚 固和支护效果，造成工程隐患。此外，在施工过程中，也存在着预应力不足的现象。因此， 如何测试其预应力是非常必要的。同样，对于紧固件的螺栓如各种大型标志牌的安装紧固螺 栓，大型钢结构的紧固螺栓等，其应用范围非常广泛，对其现有张力的测试也是非常有必要。
遗憾的是，由于某些预应力锚固系统的杆身埋藏在结构物中，为检测带来很大困难，目 前国内外还没有一种能在无损条件下快速测试其张力的方法。
对于裸露在外面的钢弦、钢索(用在吊桥、斜拉桥等结构中)等通过测试其横向固有振 动特性(卓越频率)，可以方便地测出其张力状况。其卓越频率与张力之间存在着明确的理 论关系，所以可以精确地测出其张力。
然而，将该方法应用于如锚杆、锚索、螺栓等预应力体系中，由于它们的受力部分隐藏 在结构物中，而且受到周围结构约束的情况下，将使得无法像钢弦、钢索那样通过横向激振 的方法来测出其卓越频率，也就无法测试出其张力。
长期以来，研究人员尝试了各种方法来测试该类预应力体系的张力。例如，日本某公司 新近推出了一种用于测试螺栓张力的检测仪器。该检测仪器以变频超声波测试仪为基础，通 过诱发螺栓纵向固有振动的方法以求出纵向卓越频率，进而通过其与张力之间的相关关系从 而推算出其张力。
但是，传统技术都是以测试的杆件的频率为基础，受预应力体系头部长度以及垫板的影 响大，特别是在高应力条件下的测试精度很不理想。因此，目前尚无有效可靠的测试预应力 体系中预应力的成熟技术。本发明所基于的理论背景状态如下
1、 测试的概念
典型的预应力体系结构如图l所示，其张力测试的基本概念如图2所示。
通过研究发现，当对预应力体系施加张力时，在接触面上，其压縮刚性随着压力的增加 而增大，同时，参与振动的质量也会相应增加，如图3-A,图3-B所示。
图3-A表示低应力下的振动体系，图3-B表示高应力下的振动体系。
根据这两个基本概念，可以得到预应力体系张力与测试的振动响应间的关系，从而开发 预应力体系张力的测试方法。
2、 测试理论
2 — 1)基本原理
通常，我们测试的包括锚头、垫板以及参与振动体系自振频率可以反映体系的刚度和质
即
/ = 1、1 (l-l)
其中，/为测试得到自振频率，单位为Hz;
《是振动系统的刚性(弹簧系数)，单位为N/m M是振动系统的质量，单位为kg。
由于振动系统的刚性《，可以简化为与张力/预应力有关的函数
其中，A为垫板与岩体/混凝土，螺栓与构件的接触面上的压缩刚性； 4为垫板与构件对象(岩体、混凝土等)的接触面积。 压縮刚性A:与压力的关系又可以表达为
(1—2)
V^乂
其中，^为初始刚性,单位为N/ m3，认为其为一常数;
(l一3)
K为接触面刚性系数，取决于结构材质(岩体、混凝土或钢材)及接触面的状态(粗 糙/平滑等)，认为其为一常数，单位为N/m3。
4/7为接触面上的压应力，单位为N/m2， p-W/J，其中，W即压力(预应力或张力)， 单位N， J为接触面积，单位m2。 p。为大气压，可取为105kPa。 w为压力指数，在一个确定 的体系中认为其为一常数，无量纲。
至此，可以得到预应力/张力iV与测试的频率值之间的关系
.几
(1-4)
2—2)张力计算
在振动体系不随张力变化(如锚固对象较小的螺栓、空悬拉杆等)的情况下，上式中振 动质量M则基本为一常数。然而，我们通过研究发现，对于大多数埋入式的锚杆、锚索等预 应力体系，M并非为一常量，而随着张力的变化而变化。对此，我们提出了 "等效质量"的 概念，并用如下的方法进行测试-
其中，打击锤的质量；
打击锤上测试的最大加速度； as:在系统测试的最大加速度； 因此，可以由
(l一5)
^
(l一4)
测出。当然，当M不变且既知时，可直接用式(1-4)计算张力JV。 其中，t。可以由在极低应力(paO)时的响应求出
(l一6)
HO
而所需的参数m、 f则需要事前标定，可以对(1-4)取对数，通过回归的方式求得。
ln(AO = 1" + In p。 +丄 附
=In ^ + In _pa + — 附
ln(4々2^^0)-ln(/r)
(1-7)
当预应力体系振动质量M不变且既知时，根据测试的数据(/)以及标定的预应力体系 参数(&、 m、 /r)可算出预应力体系的张力W。
5当预应力体系振动质量M可变或未知时，则根据测试的数据(/、 、A)、标定的预 应力体系参数(&、 w、 K)以及激振器(锤)的质量Mw便可算出预应力体系的张力。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，针对隐藏在结构物中的预应力体系无法采用无损的方法 测出其张力，为了解决这一难题，就需要重新发明一种检测方法通过对预应力体系的锚头/ 螺栓打击激振并诱发自由振动，再通过测试其响应特性，从而测定其张力，开发一种预应力 体系张力的无损检测方法。本发明的目的是提供一种测试预应力锚固体系张力的无损检测方 法，能够对隐藏在结构物中的预应力体系进行无损检测。获得张力的精确检测。实现本发明 目的所采用的技术方案如下， 一种测试预应力锚固体系张力的无损检测方法，其特征在于， 按如下步骤进行操作a.把加速度传感器安装在预应力锚固体系端部的锚头夹具和激振锤 上，用信号电缆连接到测试仪；
b. 用激振锤或自动装置在预应力锚固体系的锚头夹具上激振，采集测试数据；
c. 对预应力体系的响应 张力的关系参数进行标定；
d. 利用标定求得的参数，对类似的预应力体系进行张力测定； 具体测试步骤如下
d—l确定预应力体系及激振锤的基本参数MH、 ^ d_2设置测试系统
d—3确定&:在接近于零的张力A^下，分别测试出/。、 a別、aSQ，从而算出&: & = 4 /。、"別 (1_6)
d—4确定m和K:在若干个张力iV,.下，分别测试出乂、 affi、 "&以及/^=^,./丄令
<formula>formula see original document page 6</formula>
附则可得到回归方程
^=5X|+C (2-1) 通过直线回归，即可得到S和C，进而求得W和K:
附=1/5 、
(2-2)
d—5张力的测定
利用回归得到的w和f，以及标定的&、杆及激振锤的基本参数Mw、垫板的面积J即 可测定同型预应力体系的张力iV
as .爿
in'P。
(1-4)
本发明的有益效果是，这种测试预应力锚固体系张力的方法，解决了过去预应力锚固体 系张力无法进行无损检测的问题，同时由于打击激振和振动响应测试都是在预应力锚固体系 的锚头上进行，因而测试便捷，可方便的从所测参数推算出体系的张力。
图l预应力体系结构示意图。
图2预应力体系张力测试的基本原理示意图。
图3-A表示低应力下的振动体系。
图3-B表示高应力下的振动体系。
图4预应力体系张力测试的接线示意图
图5对预应力体系的响应 张力的关系参数进行标定时的安装示意图 图6张力 响应关系的回归图
具体实施例方式
参照图1至图3A、 B，表示一般概念下，预应力锚固体系结构示意图，同时也为了表明 预应力体系张力测试基本原理的示意图，及高低应力下振动体系示意情况，参照图4表示本 发明所述的预应力锚固体系张力测试的连接示意图，本实施例中，按以下步骤进行连接。在 图中1为锚杆张力测试仪，2为锚杆索露出的长度，3为由信号电缆连接到张力测试仪上的加速度传感器，4为安装有夹片的锚具，5为激振锤，6为垫板。
a. 把加速度传感器安装在预应力体系(如锚杆、索)端部的锚头夹具和激振锤上，用信 号电缆连接到测试仪；
b. 用激振锤(大小、材质可变的铁锤)或自动装置(电磁铁等)在预应力体系的锚头夹 具上激振，采集测试数据；
C.对预应力体系的响应 张力的关系参数进行标定；
d.利用标定求得的参数，对类似的预应力体系进行张力测定；
在具体测定时，其测试步骤如下-
1) 确定预应力体系及激振锤的基本参数M 、 乂
2) 设置测试系统
3) 确定& :在接近于零的张力iV。下，分别测试出/。 、 a别、"SQ ，从而算出& :
& = 4々02i^。 (1一6) aso.爿
4) 确定W和K:在若干个张力^下，分别测试出乂、 ％'、化以及A;W'"，令
C = ln(g) 附
则可得到回归方程
>^ = a^+c (2-i)
通过直线回归，即可得到5和C，进而求得W和AT-
m = l/5
(2-2)
5) 张力的测定
利用回归得到的w和/c，以及标定的fc。、杆及激振锤的基本参数Mw、垫板的面积J即 可测定同型预应力体系的张力W<formula>formula see original document page 9</formula>
参照图5，表示对预应力锚力体系的响应和张力的关系参数进行标定时的安装示意图。图中7 为锚杆张力发生器，8为液压拉力计。
在对其他形式的锚索、锚杆以及螺栓张力的测试中同样适用。
在本实施例中，
1) 首先按图5在实验装置和17 mi球型激振锤上安装好加速度传感器，用低噪声信号 电缆连接到预应力体系张力测试仪上。预应力体系张力测试仪采用专用测试仪，上述所需计 算全部由仪器软件自动进行。
2) 确定预应力体系及激振锤的基本参数Mff、 ^等
激振锤的质量；(本例中用直径是17咖的球型激振锤，其值为0.025kg);
J:为接触面积，单位nf。通常情况下为垫板面积，为0.04m2;
3) 对系统施加较小的压力，用激振锤在锚头夹具上激振，用测试仪采集测试数据/， %， A 。在接近于零的张力iV。下，分别测试出/。、 。、&。，从而算出/t。(单位为N/m3):<formula>formula see original document page 9</formula>其中，/:为测试得到自振频率，单位为HZ; 激振锤上测试的最大加速度； s:系统测试的最大加速度；
4) 跟据需要，对系统施加不同的压力，重复2)的操作，测出在若干个不同的张力iV,.下， 的乂、 ~,、 以及； ,=^/丄并求出
<formula>formula see original document page 9</formula> (其中，； 。为大气压，可取为105kPa) (2-3) 凡
<formula>formula see original document page 9</formula>
5)根据求得的《，乂.可以得到如图6所示的锚索的张力 响应关系曲线。通过直线 回归得到回归方程x=&c,+C。即可求得S和C，进而求得W和AT。本例中，可得到3=1. 1178， C=_3.0545 。 由式(2-3)可求得w = 0.8946， ff = 15.3728
利用标定求得的参数，在对类似的预应力体系进行张力测定时，重复l)和2)的操作， 求得工作状态下的
激振锤上测试的最大加速度；
"s:系统测试的最大加速度；
测试的基频频率或计算频率；
利用回归得到的m和k，以及标定的&、杆及激振锤的基本参数Mw、 J即可测定预应 力体系的张力7V
4;t2/2Ma
^
1/ 7
(1-4)
其中，p:压力，为张力(iV) /受力面积^
受力面积，通常为垫板的面积。 p。大气压强，可取为105kPa。
图6是对一锚索的张力 响应关系进行的回归。可以看出，其回归的相关系数R超过 0.99，说明两个变量间的直线相关十分密切，充分证明了本项目理论/技术的可行性。
10
权利要求
1.一种测试预应力锚固体系张力的无损检测方法，其特征在于，按如下步骤进行操作a.把加速度传感器安装在预应力锚固体系端部的锚头夹具和激振锤上，用信号电缆连接到测试仪；b.用激振锤或自动装置在预应力锚固体系的锚头夹具上激振，采集测试数据；c.对预应力体系的响应～张力的关系参数进行标定；d.利用标定求得的参数，对类似的预应力体系进行张力测定；具体步骤为d-1确定预应力体系及激振锤的基本参数MH、A；d-2设置测试系统d-3确定k0在接近于零的张力N0下，分别测试出f0、aH0、aS0，从而算出k0<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>k</mi> <mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <mrow><mn>4</mn><mi>π</mi> </mrow> <mn>2</mn></msup><msup> <msub><mi>f</mi><mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn></msup><msub> <mi>M</mi> <mi>H</mi></msub><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>H</mi><mn>0</mn> </mrow></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>S</mi><mn>0</mn> </mrow></msub><mo>·</mo><mi>A</mi> </mrow></mfrac><mo>;</mo> </mrow>]]></math></maths>d-4确定m和κ在若干个张力Ni下，分别测试出fi、aHi、aSi以及pi＝Ni/A，则可得到回归方程yi＝Bxi+C通过直线回归，即可得到B和C，进而求得m和κ；m＝1/Bκ＝e-C/B；d-5张力的测定利用回归得到的m和κ，以及标定的k0、杆及激振锤的基本参数MH、垫板的面积A即可测定同型预应力体系的张力N<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mi>pA</mi><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>·</mo><msup> <mrow><mo>[</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>κ</mi></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <msup><mrow> <mn>4</mn> <mi>π</mi></mrow><mn>2</mn> </msup> <msup><mi>f</mi><mn>2</mn> </msup> <msub><mi>M</mi><mi>H</mi> </msub> <msub><mi>a</mi><mi>H</mi> </msub></mrow><mrow> <msub><mi>a</mi><mi>S</mi> </msub> <mo>·</mo> <mi>A</mi></mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <msub><mi>k</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>m</mi> </mrow></msup><mo>·</mo><msub> <mi>p</mi> <mi>a</mi></msub><mo>.</mo> </mrow>]]></math></maths>
2.根据权利要求1所述测试预应力锚固体系张力的方法，其特征在于打击激振和振 动响应测试都是在预应力体系的锚头上进行。
全文摘要
一种测试预应力锚固体系张力的无损检测方法，属于工程建设质量检测技术领域，该方法按如下步骤进行操作安装加速度传感器；用激振锤激振，测试其响应特性；进行参数标定及张力测定；利用参照按公式进行张力推算。这种测试预应力锚固体系张力的方法，解决了过去预应力锚固体系张力无法进行无损检测的问题，同时由于打击激振和振动响应测试都是在预应力锚固体系的锚头上进行，因而测试便捷，可方便的从所测参数推算出体系的张力。
文档编号G01N3/32GK101672751SQ20091017785
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者丝贺裕美, 吴佳晔, 吴曾炜, 季文洪, 徐建达, 超 杨, 沈卓洋, 田北平, 胡祖光 申请人:四川升拓检测技术有限责任公司;上海建科建设发展有限公司;杭州海儿科技有限公司