專利名稱：一種豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置及其測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無損檢測領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用在箱梁腹板的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試的裝置及方法。
背景技術(shù)：
橋梁結(jié)構(gòu)的豎向預(yù)應(yīng)力筋作用于箱梁腹板(大跨度混凝土箱梁的腹板)中，是承受截面剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力的關(guān)鍵構(gòu)造，在橋梁施工中，由于箱梁的高度有限，豎向預(yù)應(yīng)力筋的長度(相對于縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋)比較短，因而在達到張拉控制應(yīng)力時鋼筋的伸長量有限，如果錨固及錨固過程中稍有偏位，極易造成有效應(yīng)力水平不能滿足設(shè)計要求甚至應(yīng)力失效；受施工工藝、人為操作方法的影響，初張拉不到位以及錨固螺母擰緊力不夠，也同樣會引起應(yīng)力失效。解決豎向預(yù)應(yīng)力損失最直接、最有效的途徑就是研發(fā)一種無損、快速、精準的有效應(yīng)力水平測試裝置及其測試方法，解決豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋在施工過程中以及運營過程中應(yīng)力識別技術(shù)難題，對防止預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋腹板開裂、提高箱梁的耐久性和可靠性具有重大意義。目前豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平的檢測方法有，張拉千斤頂油表測量法、預(yù)應(yīng)力筋延伸量測量法、扭矩扳手法、電阻應(yīng)變片電測法、壓力傳感器測試法、頻率法、振動波法、彈性磁(磁通量)法等。其中油表測量法、延伸量測量法為施工最常用的方法，但測量精度較低，無法測試己張拉完畢的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋；扭矩扳手法是較普遍的一種測量和控制鋼筋預(yù)緊力的方法，但鋼筋螺紋連接中存在嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在螺紋牙根部等局部區(qū)域的材料總會產(chǎn)生較大的彈塑性變形，這也給控制預(yù)緊力帶來一定的誤差；電阻應(yīng)變片多用于實驗室測量，僅能反映被測鋼筋表面的應(yīng)力，同樣受到局部應(yīng)力集中現(xiàn)象影響，且擰緊螺栓表面會產(chǎn)生一定剪切形變，導(dǎo)致測量結(jié)果與實際軸向應(yīng)力有偏差，施工工程中條件復(fù)雜，易失效；壓力傳感器費用高，自重大，且不能重復(fù)使用，雖然測量精度較高，但混凝土箱梁的腹板中豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量眾多，無法大范圍的推廣使用，僅限于復(fù)核校驗和科研；光柵傳感器具有質(zhì)量輕、體積小靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、傳輸頻帶較寬等優(yōu)點，便于實現(xiàn)時分或頻分多路復(fù)用，可進行大容量信息的實時測量，使大型結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力檢測成為可能，但是光柵傳感器安裝復(fù)雜，受鋼筋變形的影響，傳感器和引線易損壞，成活率不高。利用頻率法測測試預(yù)加力可達到很高的精度，且具有操作簡單、費用低和設(shè)備可重復(fù)利用的優(yōu)點，但豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋一旦封錨，便不易獲得激勵下的振動信號，不適用于豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的長期監(jiān)測。振動波法利用振動波在張緊弦上的傳遞速度與弦張力之間的對應(yīng)關(guān)系，計算豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)加力，邊界條件復(fù)雜，測試精度有待于提高；彈性磁(磁通量)法，為非接觸式的測量手段測試精度較高，但需在結(jié)構(gòu)中欲埋傳感器，由于價格昂貴，應(yīng)力與積分電壓的標定較為復(fù)雜，測量精度有待于驗證，目前在工程中的應(yīng)用較少。根據(jù)聲彈性原理，超聲波的傳播速度會因材料中的應(yīng)力變化而產(chǎn)生微小的變化，通過研究軸向應(yīng)力與超聲波傳播時間變化率的關(guān)系，可以利用超聲波來測量材料內(nèi)部的應(yīng)力。豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的長度一般為2 12m，設(shè)計張拉力一般為40 60t，相對于機械上用的螺栓，長度大，應(yīng)力水平高，建造過程 中以及成橋運營后使用環(huán)境復(fù)雜，有效應(yīng)力水平受鋼筋及錨具的連接安裝、施加預(yù)應(yīng)力工藝、管道壓漿質(zhì)量等影響較大。實用新型專利CN1420345A，實用新型專利CN2272575Y，超聲螺栓緊固力測試裝置，通過測量超聲波的傳播速度(或傳播時間)，間接得到螺栓應(yīng)力的方法，但換能器的能量小、只能滿足螺栓20-50cm這樣的距離，不能滿足預(yù)應(yīng)力鋼筋2-12m的長距離測量，超聲波的能量衰減很大，沒有量化溫度對應(yīng)力測量精度的敏感性，應(yīng)力測量誤差較大，無法滿足豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的測試要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置及其測試方法，要解決箱梁腹板中豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試的技術(shù)問題；并解決如何量化溫度對應(yīng)力測量精度的影響問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置，包括超聲波換能器、超聲脈沖發(fā)生器、升壓電路、發(fā)射電路、可編程濾波器、可編程放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)緩存器、DSP、時鐘計數(shù)器、RAM存儲區(qū)、測溫電路、溫度傳感器、ARM處理器、存儲器、鍵盤和顯示器。所述超聲波換能器吸附在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉端的水平斷面上，所述溫度傳感器吸附在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的外露段的側(cè)面。所述ARM處理器的信號輸出端連接超聲脈沖發(fā)生器的信號輸入端，超聲脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號經(jīng)升壓電路和發(fā)射電路傳送至超聲波換能器的信號輸入端；所述超聲波換能器的信號輸出端將超聲波經(jīng)可編程濾波器、可編程放大器和A/D轉(zhuǎn)換器傳送至數(shù)據(jù)緩存器，所述數(shù)據(jù)緩存器將采集到的信號送入DSP中，所述DSP將采集到的信號存儲至RAM存儲區(qū)；所述ARM處理器與存儲器、鍵盤、顯示器、可編程放大器、可編程濾波器、RAM存儲區(qū)和測溫電路均連接；所述測溫電路的輸出端與ARM處理器連接，測溫電路的輸入端連接溫度傳感器。所述顯示器用于實時顯示超聲波掃描波形、超聲波的聲時、豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)測試結(jié)果。所述鍵盤用于外部數(shù)據(jù)輸入。所述存儲器用于存儲豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋溫度影響系數(shù)、材料影響系數(shù)、標定公式及
計算結(jié)果。所述超聲波換能器用于發(fā)射和接收I至20個周期性超聲波信號，所述超聲波換能器為壓電陶瓷傳感器，外包裹層為磁性材料。所述溫度傳感器是帶磁性的圓柱體傳感元件，用于采集豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的溫度值；所述溫度傳感器與ARM處理器經(jīng)測溫電路連接，所述ARM處理器用于對豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的計算結(jié)果進行溫度修正。所述ARM處理器用于可編程放大器的關(guān)閉和開啟時序的控制和可編程濾波器的頻率控制，所述A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采樣速率是lGsps。一種豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試方法測試步驟如下步驟一取一段與實際橋梁中的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋相同材質(zhì)的預(yù)應(yīng)力鋼筋作為標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋，在標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉端緊貼水平斷面安裝超聲波換能器，所述超聲波換能器通過導(dǎo)線與發(fā)射電路和可編程濾波器連接；同時，在標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋的外露段的側(cè)面吸附式安裝溫度傳感器，將溫度傳感器通過導(dǎo)線與測溫電路連接。步驟二，在基準溫度h條件下，對標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋粘貼多組電阻應(yīng)變片后，保持初始鋼筋的有效張拉長度不變，進行拉力試驗機的循環(huán)加載與卸載標定，在每個加載與卸載的標定力級別，若干次采集待標定的預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置的聲時數(shù)據(jù)以及由電阻應(yīng)變片采集得到的標定用的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力，并取平均值；由標定結(jié)果獲得初步的標定公式A S = Ks O，其中A S-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋某一受力狀態(tài)與初始狀態(tài)(未加載前)超聲波的聲時之差，O -豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平，Ks-應(yīng)力常數(shù)；得到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的聲時差與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線。步驟三，從存儲器中提取材料影響系數(shù)公式AS = AXLeX O以及步驟二的標定結(jié)果公式AS = KsO，得到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的材料影響系數(shù)A，并將材料影響系數(shù)存入存儲 器中。步驟四，在預(yù)應(yīng)力鋼筋未受力的狀態(tài)下，用溫度控制設(shè)備對標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋進行加溫與降溫控制，在每個溫度控制級別，若干次采集標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋升(降)溫后超聲波傳遞的聲時數(shù)據(jù)，若干次測量得到標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋表面的實時溫度數(shù)據(jù)，并取平均值；由標定結(jié)果獲得初步的標定公式AS = Kt(t_t。)，其中t_豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的實時溫度，h-基準溫度，A S-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋某一溫度狀態(tài)與基準溫度下超聲波的聲時之差，Kt-溫度常數(shù)；得到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的聲時差與溫度變化的關(guān)系曲線。步驟五，從存儲器中提取溫度影響系數(shù)公式AS = BXLX (t-t。)，以及步驟四的標定結(jié)果AS = Kt (t-t。)，得到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的溫度系數(shù)B，并將溫度系數(shù)存入存儲器中。由以上標定參數(shù)獲得豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平的計算公式G = [S2-BxL Ct2 - t0)] - [S1 - BxL Ct1 _ t。)]，g_ 鋼筋張拉前超聲波的聲
時、S2-鋼筋張拉后超聲波的聲時，L-鋼筋的長度，Le-鋼筋的有效受力長度，h-鋼筋張拉前的溫度值，t2-鋼筋受力后的溫度值，將獲得的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平的計算公式存入存儲器中。步驟六，得到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平的計算公式后，將豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置安裝在實際橋梁中的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋上，在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉端緊貼水平斷面安裝超聲波換能器，所述超聲波換能器通過導(dǎo)線與發(fā)射電路和可編程濾波器連接；同時，在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的外露段的側(cè)面吸附式安裝溫度傳感器，將溫度傳感器通過導(dǎo)線與測溫電路連接；在張拉前，未受力狀態(tài)下測試超聲波的聲時S1和鋼筋的溫度h，根據(jù)圖紙上的標注計算出鋼筋長度L和鋼筋的有效受力長度Le。步驟七，在實際橋梁中的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后的某一狀態(tài)，再測定超聲波的聲時S2，鋼筋的溫度值t2。步驟八，計算實際橋梁中的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效應(yīng)力水平；從存儲器中提取溫度系數(shù)A、材料系數(shù)B ;同時通過ARM處理器外接的鍵盤輸入豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的長度L及有效受力長度Le，再根據(jù)存儲器中的聲時數(shù)據(jù)，溫度傳感器測得的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋溫度值以及豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平的計算公式，根據(jù)步驟三材料影響系數(shù)的標定結(jié)果及步驟五溫度影響系數(shù)的標定結(jié)果，由步驟六和步驟七獲得的鋼筋的長度L，鋼筋的有效受力長度Le,受力狀態(tài)前后超聲波的聲時Sp S2,受力狀態(tài)前后溫度值tpt2，通過ARM處理器從存儲器中提取的計算公式進行運算處理，獲得豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效應(yīng)力水平測量值，并在顯示器上顯示測量值、波形、超聲波的聲時等。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下特點和有益效果
本發(fā)明為難于定量測試的箱梁腹板豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效應(yīng)力水平提供了測試方法及裝置。以超聲波原理為基礎(chǔ)，通過檢測超聲波聲時的變化而獲取應(yīng)力，可以完全消除摩擦力對扭矩測量的影響，能夠直觀真實的反應(yīng)豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)；對已經(jīng)張拉緊固的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋可起到檢查的作用，消除了電測法操作上的局限性。豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置的設(shè)計確保信號的有效性和穩(wěn)定性，當(dāng)超聲波沿豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋傳播至固定端后進行回波反射，超聲波換能器接收超聲回波信號后，將信號輸出至可編程濾波器，可編程濾波器將干擾性的雜波、噪聲衰減后，可編程濾波器的輸出端連接可編程放大器，對信號進行充分放大，抑制噪聲和大信號、限制噪聲向后級傳播，并可對超聲回波信號進行自動距離增益補償，能夠?qū)状纬暬夭ㄐ盘柗糯蟮交鞠嗤姆邓?。另外，在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的施力過程中，結(jié)合測試方法使得豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉質(zhì)量具有可測性、可控性；能夠無損、快速、精準、低成本的測量豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋施工和成橋運營后的應(yīng)力狀態(tài)。本發(fā)明考慮到豎向預(yù)應(yīng)力的下錨固端錨固在混凝土中，在未作橋面鋪裝之前，進行豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的超聲測量時，可以在鋼筋的外露端面安裝收發(fā)一體的超聲波換能器，超聲波探頭可重復(fù)性利用，也可選擇關(guān)鍵受力部位的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋，如梁端、跨中區(qū)域等埋置永久性的超聲波探頭，將超聲波探頭的連接線引出，便于成橋后鋼筋應(yīng)力水平的持續(xù)跟蹤。本發(fā)明量化溫度對應(yīng)力測量結(jié)果的影響，修正豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力水平測試的誤差特征，得到具有工程精度的豎向預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力測試的近似公式。本發(fā)明應(yīng)用了一種基于ARM的時鐘計數(shù)器，超聲波換換能器可發(fā)射I 20個周期性的超聲波信號，超聲波換能器的作用距離大于35m，測量精度可以達到O. 01ns，應(yīng)力測量水平IMpa 鋼筋的屈服強度，應(yīng)力測量的相對誤差彡5%。通過ARM處理系統(tǒng)和顯示器將超聲波掃描波形、聲波的傳播時間、豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效應(yīng)力狀態(tài)測試結(jié)果直觀顯示。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。圖I是本發(fā)明的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明的張拉試驗豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效應(yīng)力水平與聲時差關(guān)系曲線。圖3是本發(fā)明的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效受力長度的尺寸規(guī)定圖。圖4是本發(fā)明的溫度試驗豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的溫度與聲時差關(guān)系曲線。圖5是本發(fā)明的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的測試連接示意圖。圖6是本發(fā)明的超聲回波信號圖。附圖標記1-超聲波換能器、2-超聲脈沖發(fā)生器、3-升壓電路、4-發(fā)射電路、5-可編程濾波器、6-可編程放大器、7-A/D轉(zhuǎn)換器、8-數(shù)據(jù)緩存器、9-DSP、10-時鐘計數(shù)器、II-RAM存儲區(qū)、12-測溫電路、13-溫度傳感器、14-ARM處理器、15-存儲器、16-鍵盤、17-顯示器、18-周期為TA的連續(xù)超聲波信號、19-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋、20-超聲回波信號、21-時間閘門、22-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋上錨墊板、23-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋下錨墊板、24-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的擰緊螺母、25-箱梁腹板、26-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置、27-張拉端、28-固定端。
具體實施例方式實施例參見圖I所示，本發(fā)明的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置的結(jié)構(gòu)框圖。這種豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置，包括超聲波換能器I、超聲脈沖發(fā)生器
2、升壓電路3、發(fā)射電路4、可編程濾波器5、可編程放大器6、A/D轉(zhuǎn)換器7、數(shù)據(jù)緩存器8、DSP9(以數(shù)字信號來處理大量信息的微處理器)、時鐘計數(shù)器10、RAM存儲區(qū)11、測溫電路 12、溫度傳感器13、ARM處理器14、存儲器15、鍵盤16和顯示器17。所述超聲波換能器I吸附在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋19張拉端27的水平斷面上，超聲波換能器為壓電陶瓷傳感器，外包裹層為磁性材料，用于發(fā)射和接收I至20個周期性超聲波信號。所述溫度傳感器13吸附在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋19的外露段的側(cè)面。所述ARM處理器14的信號輸出端連接超聲脈沖發(fā)生器2的信號輸入端，超聲脈沖發(fā)生器2發(fā)出的脈沖信號經(jīng)升壓電路3和發(fā)射電路4傳送至超聲波換能器I的信號輸入端；ARM處理器14控制超聲脈沖換能器I產(chǎn)生周期為TA的連續(xù)超聲波信號18，使超聲脈沖電路產(chǎn)生高壓激勵脈沖和重復(fù)頻率可調(diào)的超聲波，這個脈沖加到超聲波換能器I上，使超聲波換能器I發(fā)出頻率為2. 5 IOMHz超聲波。超聲波信號18沿豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋19傳播至固定端28面后進行回波反射，所述超聲波換能器I接收回波信號20后，超聲波換能器I的信號輸出端將回波信號20經(jīng)可編程濾波器5、可編程放大器6和A/D轉(zhuǎn)換器7傳送至數(shù)據(jù)緩存器8，所述可編程濾波器5將干擾性的雜波、噪聲衰減后，可編程濾波器5的輸出端連接可編程放大器6，對超聲波換能器I接收的信號進行充分放大，抑制噪聲和大信號、限制噪聲向后級傳播，并可對回波信號20進行自動距離增益補償，將幾次回波信號20放大到基本相同的幅值水平，為保證系統(tǒng)信號的有效性和穩(wěn)定性，ARM處理器14可對可編程濾波器5進行頻率控制，ARM處理器14也可對可編程放大器6進行關(guān)閉和開啟時序控制，可編程放大器6輸出接A/D轉(zhuǎn)換器7，其數(shù)據(jù)采樣速率是lGsps，通過A/D轉(zhuǎn)換器7對回波信號20進行高速采集，并將采集到的信號經(jīng)數(shù)據(jù)緩存器8送入DSP 9中，DSP 9接收經(jīng)過緩存后的數(shù)據(jù)，完成信號處理，并將采集到的信號存儲至RAM存儲區(qū)11，采樣完成后，ARM處理器14讀取暫存于RAM存儲區(qū)11中的數(shù)據(jù)，并向時鐘計數(shù)器10輸出計數(shù)的時間點信號，計數(shù)的時間點為兩個不同超聲反射回波信號的時間間隔(簡稱聲時)，時鐘計數(shù)器10則在時間閘門21內(nèi)精確的測量超聲回波的傳播時間。所述ARM處理器14與存儲器15、鍵盤16、顯示器17、可編程放大器6、可編程濾波器5、RAM存儲區(qū)11和測溫電路12均連接；所述測溫電路12的輸出端與ARM處理器14連接，測溫電路12的輸入端連接溫度傳感器13 ;所述溫度傳感器13是帶磁性的圓柱體傳感元件，用于采集豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋19的溫度值；所述溫度傳感器13與ARM處理器14經(jīng)測溫電路12連接，所述ARM處理器14用于對豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋19的計算結(jié)果進行溫度修正。所述顯示器17用于實時顯示超聲波掃描波形、超聲波的聲時、豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)測試結(jié)果；所述鍵盤16用于外部數(shù)據(jù)輸入；所述存儲器15用于存儲豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋溫度影響系數(shù)、材料影響系數(shù)、標定公式及計算結(jié)果。本發(fā)明的測試方法的原理如下這種豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平的測試方法，將超聲波換能器吸附在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉端的水平端面上，超聲波換能器通過超聲波耦合劑被豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋耦合后，發(fā)射并接收沿豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋軸向傳遞的超聲波，基于材料的聲彈性現(xiàn)象，當(dāng)豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋受力伸長時，通過豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的超聲波聲速減小了，應(yīng)力的變化引起了超聲波聲速的變化，當(dāng)豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋受力前后溫度恒定為&時,應(yīng)力與聲速的關(guān)系可表示為υ (σ , t0) = C0(l-ko ) (I)式中u (σ，0_基準溫度下超聲波的聲速，V基準溫度，Ccr鋼筋無應(yīng)力時超聲波的聲速，k-與鋼筋材料有關(guān)的常系數(shù)，σ -豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力水平。
溫度的變化也會引起超聲波聲速的變化，當(dāng)豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋同時受到應(yīng)力與溫度的變化時，鋼筋的有效受力長度范圍內(nèi)的聲速可表示為υ ( σ , t) = C0 (Ι-k ο ) [l-m(t-t0) ] (2)式中u (σ，t)_溫度為t時超聲波的聲速，Ccr鋼筋無應(yīng)力時超聲波的聲速，k_與鋼筋材料有關(guān)的常系數(shù)，σ-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力水平，m-溫度對超聲波聲速的影響系數(shù)，t-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的實際溫度，t0-基準溫度。而未受應(yīng)力長度范圍內(nèi)的聲速u (t)可表示為υ (t) = C0[l-m(t-t0) ] (3)鋼筋的有效受力長度Le約定為Le = Di+D2+D3+D4 (4)式中D1-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋上錨墊板的厚度，D2-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋下錨墊板的厚度，D3-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋上、下錨墊板之間的距離，D4-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的外徑。鋼筋的有效受力長度范圍內(nèi)受溫度、應(yīng)力作用后，長度L1O，t)為L1 ( σ , t) = Le+ Δ Ls+ Δ Lt (5)ALs = LeXo/E (6)ALt = LeX α X (t~t0) (7)式中，Le-鋼筋的有效受力長度，ALs-應(yīng)力引起的鋼筋伸長，ALt-有效受力長度內(nèi)溫度引起的鋼筋伸長，σ-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力水平，E-鋼筋的彈性模量，α-鋼筋材料的膨脹系數(shù)，t_豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的實際溫度，基準溫度。未受應(yīng)力長度范圍內(nèi)，鋼筋長度只受溫度變化的影響，長度L2 (t)為L2 (t) = (L-Le) [1+α X (t~t0)]⑶式中L為鋼筋的總長，Le-鋼筋的有效受力長度，α _鋼筋材料的膨脹系數(shù)，t_豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的實際溫度，t0-基準溫度。超聲波的聲速是不易被直接測量的，可通過從超聲波聲時及其變化量，計算豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力。豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋在溫度為t、應(yīng)力為σ時的聲時S與基準溫度下鋼筋未受力情況下的聲時Stl作差得
「 ， Ac c c 2W) , 2L2(t) 2L ,n、AS = S - S0 = ~— + -^― - — (9)
υ (cr, t； υ (t； C0將式⑵ ⑶帶入式(9)可得
權(quán)利要求
1.一種豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置，其特征在于包括超聲波換能器(I)、超聲脈沖發(fā)生器(2)、升壓電路(3)、發(fā)射電路(4)、可編程濾波器(5)、可編程放大器(6)、A/D轉(zhuǎn)換器(7)、數(shù)據(jù)緩存器⑶、DSP (9)、時鐘計數(shù)器(10)、RAM存儲區(qū)(11)、測溫電路(12)、溫度傳感器(13)、ARM處理器(14)、存儲器(15)、鍵盤(16)和顯示器(17)；所述超聲波換能器(I)吸附在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋(19)張拉端(27)的水平斷面上，所述溫度傳感器(13)吸附在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋(19)的外露段的側(cè)面；所述ARM處理器(14)的信號輸出端連接超聲脈沖發(fā)生器的信號輸入端，超聲脈沖發(fā)生器(2)發(fā)出的脈沖信號經(jīng)升壓電路(3)和發(fā)射電路(4)傳送至超聲波換能器(I)的信號輸入端；所述超聲波換能器(I)的信號輸出端將超聲波經(jīng)可編程濾波器(5)、可編程放大器(6)和A/D轉(zhuǎn)換器(7)傳送至數(shù)據(jù)緩存器(8)，所述數(shù)據(jù)緩存器(8)將采集到的信號送入DSP (9)中，所述DSP (9)將采集到的信號存儲至RAM存儲區(qū)(11);所述ARM處理器(14)與存儲器(15)、鍵盤(16)、顯示器(17)、可編程放大器￠)、可編程濾波器(5)、RAM存儲區(qū)(11)和測溫電路(12)均連接；所述測溫電路(12)的輸出端與ARM處理器(14)連接，測溫電路(12)的輸入端連接溫度傳感器(13)；所述顯示器(17)用于實時顯示超聲波掃描波形、超聲波的聲時、豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)測試結(jié)果；所述鍵盤(16)用于外部數(shù)據(jù)輸入；所述存儲器(15)用于存儲豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋溫度影響系數(shù)、材料影響系數(shù)、標定公式及計算結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置，其特征在于所述超聲波換能器(I)用于發(fā)射和接收I至20個周期性超聲波信號，所述超聲波換能器(I)為壓電陶瓷傳感器，外包裹層為磁性材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置，其特征在于所述溫度傳感器(13)是帶磁性的圓柱體傳感元件，用于采集豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的溫度值；所述溫度傳感器(13)與ARM處理器(14)經(jīng)測溫電路(12)連接，所述ARM處理器(14)用于對豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的計算結(jié)果進行溫度修正。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置，其特征在于所述ARM處理器(14)用于可編程放大器(6)的關(guān)閉和開啟時序的控制和可編程濾波器(5)的頻率控制，所述A/D轉(zhuǎn)換器(7)的數(shù)據(jù)采樣速率是lGsps。
5.一種豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試方法，其特征在于應(yīng)用權(quán)利要求1-4所述的測試裝置，測試步驟如下步驟一取一段與實際橋梁中的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋相同材質(zhì)的預(yù)應(yīng)力鋼筋作為標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋，在標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉端緊貼水平斷面安裝超聲波換能器，所述超聲波換能器通過導(dǎo)線與發(fā)射電路和可編程濾波器連接；同時，在標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋的外露段的側(cè)面吸附式安裝溫度傳感器，將溫度傳感器通過導(dǎo)線與測溫電路連接；步驟二，在基準溫度h條件下，對標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋粘貼多組電阻應(yīng)變片后，保持初始鋼筋的有效張拉長度不變，進行拉力試驗機的循環(huán)加載與卸載標定，在每個加載與卸載的標定力級別，若干次采集待標定的預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置的聲時數(shù)據(jù)以及由電阻應(yīng)變片采集得到的標定用的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力，并取平均值；由標定結(jié)果獲得初步的標定公式AS = Kso，其中Λ S-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋某一受力狀態(tài)與初始狀態(tài)(未加載前)超聲波的聲時之差，σ -豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平，Ks-應(yīng)力常數(shù)；得到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的聲時差與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線；步驟三，從存儲器中提取材料影響系數(shù)公式AS = AXLeX σ以及步驟二的標定結(jié)果公式AS = KsO，得到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的材料影響系數(shù)Α，并將材料影響系數(shù)存入存儲器中；步驟四，在預(yù)應(yīng)力鋼筋未受力的狀態(tài)下，用溫度控制設(shè)備對標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋進行加溫與降溫控制，在每個溫度控制級別，若干次采集標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋升(降)溫后超聲波傳遞的聲時數(shù)據(jù)，若干次測量得到標定用的預(yù)應(yīng)力鋼筋表面的實時溫度數(shù)據(jù)，并取平均值；由標定結(jié)果獲得初步的標定公式AS = Kt(t_t。)，其中t_豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的實時溫度，h-基準溫度，Λ S-豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋某一溫度狀態(tài)與基準溫度下超聲波的聲時之差， Kt-溫度常數(shù)；得到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的聲時差與溫度變化的關(guān)系曲線；步驟五，從存儲器中提取溫度影響系數(shù)公式AS = BXLX (t-t。)，以及步驟四的標定結(jié)果AS = Kt (t-t。)，得到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的溫度系數(shù)B，并將溫度系數(shù)存入存儲器中；由以上標定參數(shù)獲得豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平的計算公式CJ = Is2 _ B X L Ct2 - t0)] - [S1 _ B X L U1 _、)■!，Si_ 鋼筋張拉前超聲波的聲時、A LeS2-鋼筋張拉后超聲波的聲時，L-鋼筋的長度，Le-鋼筋的有效受力長度，tr鋼筋張拉前的溫度值，t2-鋼筋受力后的溫度值，將獲得的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平的計算公式存入存儲器中；步驟六，得到豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平的計算公式后，將豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置安裝在實際橋梁中的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋上，在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉端緊貼水平斷面安裝超聲波換能器，所述超聲波換能器通過導(dǎo)線與發(fā)射電路和可編程濾波器連接；同時，在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的外露段的側(cè)面吸附式安裝溫度傳感器，將溫度傳感器通過導(dǎo)線與測溫電路連接；在張拉前，未受力狀態(tài)下測試超聲波的聲時S1和鋼筋的溫度h，根據(jù)圖紙上的標注計算出鋼筋長度L和鋼筋的有效受力長度Le ；步驟七，在實際橋梁中的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后的某一狀態(tài)，再測定超聲波的聲時S2,鋼筋的溫度值t2 ；步驟八，計算實際橋梁中的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效應(yīng)力水平；從存儲器中提取溫度系數(shù)A、材料系數(shù)B;同時通過ARM處理器外接的鍵盤輸入豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的長度L及有效受力長度Le，再根據(jù)存儲器中的聲時數(shù)據(jù)，溫度傳感器測得的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋溫度值以及豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平的計算公式，根據(jù)步驟三材料影響系數(shù)的標定結(jié)果及步驟五溫度影響系數(shù)的標定結(jié)果，由步驟六和步驟七獲得的鋼筋的長度L，鋼筋的有效受力長度Le，受力狀態(tài)前后超聲波的聲時Sp S2,受力狀態(tài)前后溫度值t2，通過ARM處理器從存儲器中提取的計算公式進行運算處理，獲得豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效應(yīng)力水平測量值，并在顯示器上顯示測量值、波形、超聲波的聲時等。
全文摘要
一種豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋有效應(yīng)力水平測試裝置及其測試方法，其中的ARM處理器連接超聲脈沖發(fā)生器，超聲脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號經(jīng)升壓電路和發(fā)射電路傳送至超聲波換能器；所述超聲波換能器將超聲波經(jīng)可編程濾波器、可編程放大器和A/D轉(zhuǎn)換器傳送至數(shù)據(jù)緩存器，所述數(shù)據(jù)緩存器將采集到的信號送入DSP中，DSP再將信號存儲至RAM存儲區(qū)；ARM處理器與存儲器、鍵盤、顯示器、可編程放大器、可編程濾波器、RAM存儲區(qū)和測溫電路均連接；所述測溫電路與溫度傳感器連接。本發(fā)明具有無損、快速、精準和低成本特點，特別是量化溫度對應(yīng)力測量結(jié)果的影響，修正豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力水平測試的誤差，得到具有工程精度的豎向預(yù)應(yīng)力筋有效應(yīng)力水平值。
文檔編號G01L5/00GK102636307SQ20121010382
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月10日
發(fā)明者傅宇方, 張勁泉, 張科超, 李萬恒, 鄭毅 申請人:交通運輸部公路科學(xué)研究所