竖向预应力筋永存应力长期监测设备研究.docx
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竖向预应力筋永存应力长期监测设备研究
竖向预应力筋永存应力长期监测设备研究
朱浩1；芶洁2
（1．成都合众桥梁科技有限公司四川成都610031；2．贵州交通职业技术学院贵州贵阳550008）
摘要：
桥梁结构竖向预应力钢筋因其长度较短，微小的松弛或锚头回缩也将引起较大的预应力损失，影响结构安全。
因此对大跨径预应力混凝土梁式桥竖向预应力永存应力进行长期监测是很有必要的。
本文通过对磁通量传感器、锚索计、UPUS设备三种监测设备进行对比研究其工作性能，并得出相应的结论。
为今后同类桥梁选择应力监测设备提供依据。
关键词：
竖向预应力钢筋传感器锚索计UPUS
1.概述
三种梁式桥竖向预应力永存应力的监测设备，UPUS设备系在国内首次使用，磁通量传感器设备也缺乏必要的试验验证，本次试验力求通过较为成熟且经过严格检定锚索计设备作为基准在张拉支架上对上述两种设备进行测试。
测试的内容包含常规的重复性、线性度、温度稳定性等。
另外，还对磁通量传感器安装位置的改变的零点漂移及UPUS设备在中、长螺纹钢上的应用情况进行对比测试。
2.验证试验
2.1UPUS传感器验证试验
图2.1UPUS传感器测力原理示意
UPUS传感器的测力原理是通过测出超声波回波周期算出钢筋内的拉力，这种方法目前在汽车工业领域内已经广泛应用。
超声波的回波周期T可以通过钢筋的长度L和声波在钢筋内传播速度V求得，而L和V与钢筋的拉力F是线性相关的。
所以，我们可以得出这样一个公式：
ΔF=KΔT。
其中，系数K可以从一批钢筋中选出几根代表性钢筋，通过张拉试验预先标定。
并测得F＝0时对应的回波周期T0，这样就可以通过测得T来求出当前钢筋拉力。
F=K（T-T0）
Advitam公司将上述方法改进后应用在UPUS®系统上，并且配合强大的分析处理软件－US声波定位和品质鉴定系统，这样就可以保证检测钢筋预应力时有较高的精度。
1.1.1.1短钢棒张拉试验
本组试验采用从一根长的高强螺纹钢上截取的5根短钢筋棒，钢筋棒的长度都在600mm左右，具体尺寸见表8.11。
由于材料特性对于声波在钢筋内的传播速度来说是一个很重要的影响因素，而本组试验的5根短钢筋可以认为材料完全一致，所以在分析试验结果时，只需把精力放在分析钢筋长度对于传播周期的影响，而不需考虑材料的影响因素了。
表8.11钢筋棒长度
钢筋编号
L（mm）
1
603
2
604
3
608
4
605
5
600
根据UPUS数据采集系统采集的钢筋棒张拉试验数据，画出5根钢筋的F-T曲线，并且求出每根钢筋的K值。
图8.145根钢筋棒的F-T曲线
表8.13钢筋棒的K与相关系数
钢筋棒
1#
2#
3#
4#
5#
K
0.2336
0.2322
0.2401
0.2335
0.2385
相关系数
0.9998
0.9995
0.9999
0.9999
0.9997
由图8.14和表8.13可见，五根短钢筋棒的K值很接近，最小值和最大值相差3%，并且每根钢筋的F-T曲线的相关系数都几乎为1，说明荷载的增量ΔF与回波周期的增量ΔT线性相关度非常高，所以用测量回波周期来计算钢筋棒拉力的方法是可行的。
在实际应用时，由于预应力钢筋数量较多，不可能对每根钢筋都进行标定，求出其K和T0，可以在偏差允许范围内（±1.5%），只测量每根钢筋的拉力为零时的T0，然后选取一定比例的钢筋进行标定，并对K值求平均，用这个值作为这一批钢筋的K值。
UPUS传感器在测量0.6m长的短钢筋的拉力取得成功之后，准备将其应用在不同长度的国产高强精轧螺纹钢（3m、5m、9m）以及5m长的DIWIDAG和Freyssinet钢筋，不过大多数钢筋均无法得到足够强的信号，仅在一根5m长DIWIDAG钢筋上成功测得回波周期。
造成这种结果的原因是UPUS传感器对于钢筋材质要求比较高，钢筋内若含有杂质或材质不均匀，会导致预应力筋内的信号很弱，以至于无法测量。
2.2磁通量传感器验证试验
磁通量传感器的测量原理是通过安装在构件（要求是铁磁性材料）上的传感器测定构件中磁通量特性的变化,由此来测定构件应力与温度。
这种传感器由两层线圈组成,其一为激励线圈，主要作用是磁化测量构件，除磁化预应力筋外,它不会影响预应力筋的任何力学特性和物理特性。
另一线圈为测量线圈，测量构件在受力时磁通量特性的变化。
磁通量传感器在测理过程中不损伤测量构件，为非接触性测量。
图8.17磁通量传感器原理
1.1.1.2钢绞线用磁通量传感器验证试验
本组试验采用长度1米的OVM低松弛钢绞线，在万能试验机上进行0-150kN的分级张拉试验，将三个钢绞线用磁通量传感器（以下简称为：
小磁通量传感器）同时穿在钢绞线上，对比不同磁通量传感器测量力值的偏差。
图8.19小磁通量传感器验证试验数据采集
先对小磁通量传感器进行标定，分别求出三个小磁通量传感器的标定曲线。
详见表8.18～表8.110。
表8.18No.1小磁通量传感器试验数据（温度＝23°）
标定
No.1
第一次
标定
No.1
第二次
两次重复性偏差
重复性偏差率
积分值
平均值
试验机
积分值
平均值
试验机
力值
力值
174.616
174.405
0
174.306
174.063
0
-0.342
-0.31%
174.414
174.112
174.186
173.772
195.197
195.073
25
195.035
194.629
25
-0.444
-0.40%
195.185
194.528
194.838
194.325
213.395
213.827
50
213.944
213.712
50
-0.115
-0.10%
214.089
213.665
213.997
213.527
233.109
233.272
75
233.315
233.395
75
0.123
0.11%
233.38
233.068
233.328
233.801
252.062
251.970
100
251.551
251.508
100
-0.462
-0.41%
252.249
251.855
251.598
251.117
268.954
268.958
125
269.652
269.576
125
0.618
0.55%
268.84
269.177
269.08
269.898
285.812
285.586
150
285.552
285.765
150
0.179
0.16%
285.471
285.772
285.476
285.97
根据两次标定的平均值，得到No.1磁通量传感器的标定曲线：
图8.110No.1磁通量传感器标定曲线
y=0.279X3+0.1081X2+40.714X－0.1702
其中X＝380/140*（x/89-1）+1，x为磁通量传感器测得积分值。
表8.19No.2磁通量传感器试验数据（温度＝23°）
标定
No.2
第一次
标定
No.2
第二次
两次重复性偏差
重复性偏差率
积分值
平均值
试验机
积分值
平均值
试验机
力值
力值
178.421
177.999
0
177.926
177.633
0
0.366
0.34%
177.712
177.372
177.865
177.602
197.186
197.184
25
196.159
196.465
25
0.719
0.66%
197.058
196.71
197.308
196.527
215.871
215.726
50
215.908
215.7
50
0.026
0.02%
215.787
215.687
215.521
215.505
234.086
234.61
75
234.406
234.486
75
0.124
0.11%
235.138
234.58
234.606
234.473
253.396
253.278
100
252.757
252.936
100
0.342
0.31%
253.278
253.14
253.159
252.912
270.441
270.598
125
270.058
270.059
125
0.539
0.49%
270.771
270.153
270.582
269.966
287.421
287.235
150
286.704
286.387
150
0.848
0.78%
287.219
286.055
287.066
286.403
根据两次标定的平均值，得到No.2磁通量传感器的标定曲线：
图8.111No.2磁通量传感器标定曲线
y=0.4634X3－1.1981X2+45.221X－0.1206
其中X＝380/140*（x/91.3-1）+1，x为磁通量传感器测得积分值。
表8.110No.3磁通量传感器试验数据（温度＝23°）
标定
No.3
第一次
标定
No.3
第二次
两次重复性偏差
重复性偏差率
积分值
平均值
油压
积分值
平均值
油压
177.215
177.308
0
177.215
177.308
0
0.000
0.00%
177.306
177.306
177.403
177.403
194.920
195.180
25
194.452
194.484
25
0.697
0.64%
195.257
194.475
195.364
194.524
214.587
214.569
50
213.735
213.868
50
0.701
0.64%
214.473
214.015
214.647
213.854
233.900
233.634
75
232.734
233.135
75
0.499
0.46%
233.075
233.457
233.927
233.215
251.851
251.816
100
252.124
251.549
100
0.267
0.24%
251.629
251.306
251.969
251.218
269.314
269.128
125
268.120
268.856
125
0.271
0.25%
269.132
269.646
268.937
268.803
285.899
286.224
150
285.298
285.334
150
0.891
0.82%
286.803
284.966
285.971
285.737
根据两次标定的平均值，得到No.3磁通量传感器的标定曲线：
图8.112No.3磁通量传感器标定曲线
y=0.5738X3－1.9389X2+46.128X+0.2205
其中X＝380/140*（x/90.5-1）+1，x为磁通量传感器测得积分值。
（1）安装位置变化验证试验
将钢绞线重新安装，同时改变所三个小磁通量传感器的位置，根据标定好的换算公式得出每个磁通量传感器的换算力值，详见表8.111～表8.113。
表8.111No.1小磁通量传感器验证试验（温度＝23°）
No.1积分值
拉力
磁通量传感器计算值
偏差
偏差率
173.107
0
-1.78
1.78
1.19%
191.007
25
20.51
4.49
2.99%
210.575
50
45.25
4.75
3.17%
229.947
75
70.46
4.54
3.03%
248.344
100
95.39
4.61
3.08%
266.067
125
120.58
4.42
2.94%
283.047
150
146.06
3.94
2.62%
注：
表中积分值为三次积分的平均值，下同。
表8.112No.2小磁通量传感器验证试验（温度＝23°）
No.2积分值
拉力
磁通量传感器计算值
偏差
偏差率
175.393
0
-4.87
4.87
3.24%
193.278
25
19.01
5.99
3.99%
212.624
50
44.46
5.54
3.69%
231.656
75
69.63
5.37
3.58%
250.239
100
94.80
5.20
3.47%
267.641
125
119.33
5.67
3.78%
283.946
150
143.51
6.49
4.33%
表8.113No.3小磁通量传感器验证试验（温度＝23°）
No.3积分值
拉力
磁通量传感器计算值
偏差
偏差率
174.682
0
-3.69
3.69
2.46%
193.080
25
21.05
3.95
2.63%
212.424
50
46.72
3.28
2.19%
231.700
75
72.47
2.53
1.68%
250.156
100
97.80
2.20
1.47%
267.658
125
122.84
2.16
1.44%
284.017
150
147.52
2.48
1.65%
由表可见，安装位置的改变，对于不同磁通量传感器的偏移也不同：
No.1磁通量传感器的最大相对偏差3.17%，No.2磁通量传感器的最大相对偏差4.33%，No.3磁通量传感器的最大相对偏差2.63%。
磁通量传感器读数最大偏差4.43%，零值漂移最大3.24%。
（2）温度变化验证试验
将恒温室的温度先降为4°，然后升至30°，然后再降到4°，最后再升至30°，相当于高温和低温均重复做两次试验，研究温度变化对于小磁通量传感器读数的影响，以及温度的影响是否有可重复性，详见表8.114～表8.119。
表8.114No.1磁通量传感器温度变化验证试验（4°）
拉力
实测值
偏差
偏差率
实测值
偏差
偏差率
0
3.25
3.25
2.17%
7.44
7.44
4.96%
25
26.40
1.40
0.93%
26.43
1.43
0.95%
50
51.31
1.31
0.87%
51.12
1.12
0.75%
75
77.03
2.03
1.35%
75.86
0.86
0.57%
100
102.22
2.22
1.48%
100.99
0.99
0.66%
125
127.40
2.40
1.60%
126.70
1.70
1.13%
150
153.30
3.30
2.20%
153.66
3.66
2.44%
表8.115No.1磁通量传感器温度变化验证试验（30°）
拉力
实测值
偏差
偏差率
实测值
偏差
偏差率
0
-2.25
-2.25
-1.50%
-2.70
-2.70
-1.80%
25
20.64
-4.36
-2.91%
22.50
-2.50
-1.67%
50
45.64
-4.36
-2.91%
46.60
-3.40
-2.27%
75
70.03
-4.97
-3.31%
71.31
-3.69
-2.46%
100
94.71
-5.29
-3.53%
96.82
-3.18
-2.12%
125
120.17
-4.83
-3.22%
121.64
-3.36
-2.24%
150
144.86
-5.14
-3.43%
146.54
-3.46
-2.31%
表8.116No.2磁通量传感器温度变化验证试验（4°）
拉力
实测值
偏差
偏差率
实测值
偏差
偏差率
0
4.09
4.09
2.73%
5.12
5.12
3.41%
25
30.36
5.36
3.57%
24.00
-1.00
-0.67%
50
54.51
4.51
3.01%
49.88
-0.12
-0.08%
75
80.70
5.70
3.80%
75.63
0.63
0.42%
100
106.28
6.28
4.19%
101.00
1.00
0.67%
125
131.78
6.78
4.52%
126.72
1.72
1.15%
150
156.69
6.69
4.46%
152.66
2.66
1.77%
表8.117No.2磁通量传感器温度变化验证试验（30°）
拉力
实测值
偏差
偏差率
实测值
偏差
偏差率
0
-0.28
-0.28
-0.19%
-1.27
-1.27
-0.85%
25
24.33
-0.67
-0.45%
23.14
-1.86
-1.24%
50
49.66
-0.34
-0.23%
48.16
-1.84
-1.23%
75
75.09
0.09
0.06%
73.57
-1.43
-0.95%
100
100.66
0.66
0.44%
98.48
-1.52
-1.01%
125
124.63
-0.37
-0.25%
122.83
-2.17
-1.45%
150
149.61
-0.39
-0.26%
148.16
-1.84
-1.23%
表8.118No.3磁通量传感器温度变化验证试验（4°）
拉力
实测值
偏差
偏差率
实测值
偏差
偏差率
0
-2.91
-2.91
-1.94%
1.66
1.66
1.11%
25
24.14
-0.86
-0.57%
25.36
0.36
0.24%
50
51.36
1.36
0.91%
52.55
2.55
1.70%
75
77.4
2.4
1.60%
78.39
3.39
2.26%
100
102.11
2.11
1.41%
102.81
2.81
1.87%
125
127.34
2.34
1.56%
128.4
3.4
2.27%
150
153.44
3.44
2.29%
154.61
4.61
3.07%
表8.119No.3磁通量传感器温度变化验证试验（30°）
拉力
实测值
偏差
偏差率
实测值
偏差
偏差率
0
-3.99
-3.99
-2.66%
-3.33
-3.33
-2.22%
25
24.13
-0.87
-0.58%
24.64
-0.36
-0.24%
50
51.32
1.32
0.88%
52.01
2.01
1.34%
75
76.53
1.53
1.02%
76.92
1.92
1.28%
100
101.68
1.68
1.12%
101.51
1.51
1.01%
125
126.37
1.37
0.91%
126.43
1.43
0.95%
150
152.26
2.26
1.51%
152.80
2.80
1.87%
由表可见，不同磁通量传感器的偏差不同；同一个磁通量传感器，温度变化时，偏差也不同。
在温度＝4°时，No.1磁通量传感器的最大相对偏差为5%，No.2磁通量传感器的最大相对偏差为4.5%，No.3磁通量传感器的最大相对偏差为3.1%。
在温度＝30°时，No.1磁通量传感器的最大相对偏差为3.5%，No.2磁通量传感器的最大相对偏差为1.5%，No.3磁通量传感器的最大相对偏差为2.7%。
当温度从23°降到4°时，按最大偏差4.5%来考虑，则温度每下降1°，小磁通量传感器读数的偏差为0.24%。
对于同一个磁通量传感器，两次测量值也存在一定的离散性偏差，详见表8.120～表8.122。
表8.120No.1磁通量传感器温度变化重复性偏差
4°重复性偏差
30°重复性偏差
第一次
第二次
重复性
偏差率
第一次
第二次
重复性
偏差率
3.25
7.44
-4.19
-2.79%
-2.25
-2.70
0.45
0.30%
26.40
26.43
-0.04
-0.03%
20.64
22.50
-1.85
-1.23%
51.31
51.12
0.19
0.13%
45.64
46.60
-0.96
-0.64%
77.03
75.86
1.17
0.78%
70.03
71.31
-1.28
-0.85%
102.22
100.99
1.23
0.82%
94.71
96.82
-2.10
-1.40%
127.40
126.70
0.70
0.47%
120.17
121.64
-1.47
-0.98%
153.30
153.66
-0.36
-0.24%
144.86
146.54
-1.68
-1.12%
表8.121No.2磁通量传感器温度变化重复性偏差
4°重复性偏差
30°重复性偏差
第一次
第二次
重复性
偏差率
第一次
第二次
重复性
偏差率
4.09
5.12
-1.04
-0.69%
-0.28
-1.27
0.99
0.66%
30.36
24.00
6.36
4.24%
24.33
23.14
1.19
0.79%
54.51
49.88
4.63
3.09%
49.66
48.16
1.50
1.00%
80.70
75.63
5.07
3.38%
75.09
73.57
1.52
1.01%
106.28
101.00
5.29
3.53%
100.66
98.48
2.18
1.45%
131.78
126.72
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