智能預應力系統在橋梁設計中的應用

馬翠花

(山西路華通工程咨詢有限公司，山西太原 030006)

智能預應力技術是傳統預應力技術基礎上一次質的飛躍，作為調整結構內力、控制結構變形的重要手段，特別是給工程控制中的小應力、小變形控制難題提供了解決途徑，具有良好的應用前景。

以梁橋為例，梁橋以受彎為主的主梁作為承重構件的橋梁。長期高應力狀態下的主梁容易發生徐變，將影響橋梁結構的正常使用。而將智能預應力技術應用于梁橋主梁，通過計算機系統精確調整主梁預應力大小，可以很好地保障橋梁結構安全。

1 智能預應力

預應力是指結構在沒有承受荷載之前，預先對其施加應力，結構內力重復、遷移和質變從而使得結構剛度、耐久性和承載能力提高的一種技術，包括單次預應力和多次預應力。單次預應力是只對結構加載一次預應力來抵消荷載效應，多次預應力是通過“加載—張拉—再加載—再張拉”的循環過程來抵消荷載效應(見圖1)。多次預應力的原理主要是多次利用材料彈性強度的優勢，降低結構內力，提高承載力，減小結構的變形，降低結構的成本。而智能預應力更是將多次預應力的優點應用到結構的使用過程中，根據結構中應力和變形等自動調整預應力，使得結構中的應力和變形控制在規定的范圍以內。

圖1 預應力提高承載性能的原理

智能預應力發展的前提條件：1)信息技術的發展，特別是計算機技術的發展為智能化提供了工具。2)工程檢測技術的發展。新型檢測技術層出不窮，高精度檢測成可能，打破了傳統技術的缺陷。3)記憶金屬材料的發展，帶來了預應力材料技術的新發展。上述技術的發展，使具有仿生意義的智能預應力技術面世才成為可能。

智能預應力系統的構成除預應力鋼材和錨具等材料外，主要還包括硬件及軟件系統。硬件系統主要是傳感器、電子控制線路(控制器)和動作器三個組成部分。對結構狀態較敏感的傳感器采集主梁結構的應力、應變、速度、溫度等信息;控制器根據采集器收集的信息做出調整方案;動作器根據調整方案調整主梁的受力狀態。軟件系統是控制決策系統。通過三部分的結合，使主梁主動適應外部荷載和內部應力變化(見圖2)。

圖2 智能預應力系統結構及工作原理

主梁的智能預應力系統主動適應外部環境與內部的結構狀態變化，且對結構自身在長期作用下的老化、損害等引起的各種結構的變化，做到“自檢測、自調整、自適應”的目標。

2 智能預應力系統的設計

智能預應力系統是一個復雜的工程，涉及到了結構工程及機械與傳動等很多方面。本文將從自身結構，控制硬件及控制軟件方面做初步的設計探討。

2.1 自身結構

1)體內預應力與體外預應力。體內預應力結構處于混凝土結構的內部，因其與結構完全粘結，結構的耐久性容易出問題。而外預應力結構是力筋在混凝土體外，便于檢測、更換和保養。由于需要根據承載力等調整自身的預應力值，一般選擇體外預應力體系。

2)梁的剛度及預應力筋。主梁自身的剛度在外部荷載、使用環境及內部應力的共同作用下，結構性能保持穩定，同時，基頻必須高于車輛或者行人，防止二者共振。

預應力筋選擇時，一般體內預應力結構使用高強度鋼絲束或無粘結預應力鋼絞等傳統錨具材料;非金屬復合筋材材質輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等優點，適宜作為體外力筋使用，防止脆性破壞。

在承受荷載的體外預應力結構設計中，須考慮體外筋與結構的獨立振動性，主要是防止二者形成共振，如果體外預應力筋在動力荷載作用下發生共振，錨具的疲勞破壞和轉向構件處的預應力筋的彎折疲勞破壞就極易發生。在地震區設計時還必須考慮提高體外預應力結構的抗震性能。

2.2 控制硬件

智能預應力系統硬件包括傳感器、控制器及動作器三部分。

1)傳感器。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出。傳感器應對結構狀態敏感，適應性好，抗干擾能力強。傳統的電阻應變式傳感器靈敏度及精確度高，測量范圍大，但是容易受到干擾。一般選用布拉格光柵應變傳感器，其有耐腐蝕，耐久性好，能避免磁場干擾，不影響應力結構等優點。新技術的發展也促進了傳感器技術的發展，市場上出現了有記憶合金傳感器，碳纖維傳感器等新型傳感器。傳感器各項指標比較見表1。

表1 四種傳感器各項指標比較

在不同的使用環境中，根據被測對象的實際情況，選擇多種傳感器相互搭配，取長補短，以達到更好的檢測效果。

2)控制器。控制器主要是接受輸入的傳感器信息和外部命令進行集中、存儲、分析及加工等信息處理，并輸出執行命令到動作器。它是智能預應力系統的中樞，它直接決定了智能控制系統的控制效果。主要有單片機、可編程控制器等。選擇合適的控制器是智力控制系統成敗的關鍵。

3)動作器。動作器是對接受的控制器信息進行執行的機構。主要有電氣驅動器、流體驅動器、可記憶金屬驅動器等。液壓、氣壓驅動需要備有動力源，不宜長期待機;可記憶金屬驅動等新型技術精度高，成本也不菲，目前技術還不適宜應用于工程結構;電氣驅動成本低，效率高，易于控制，適宜于智能預應力系統。從驅動部件到受控對象要通過機械傳動。機械傳動一般選擇滾動摩擦的傳動機構，具有精度高，摩擦小、壽命長、傳動平穩的特點。

2.3 控制軟件

傳統的控制方法難以完成智能預應力系統的控制，智能控制則是將自動控制與人工智能很好地結合來解決傳統方法難以解決的問題。智能控制就是依據人工智能的理論與技術和運籌學的優化方法，并將其同控制理論的方法和技術相互結合，在未知的環境下，仿效人工智能，來實現對系統的控制。主要包括四部分，分別是：模糊邏輯控制、專家控制、神經網絡和遺傳算法。模糊控制的基本思想是用機器去模擬人對系統的控制，適用于任意復雜的對象控制。專家系統是利用專家知識對專門的或困難的問題進行描述。神經網絡的主要特征是具備類似人類的學習功能，在復雜多變的環境中進行有效的自我調節。遺傳算法作為一種非確定的擬自然隨機優化搜索工具，具有并行計算、搜索覆蓋面大、快速尋找全局最優解等特點，一般用于智能控制的參數、結構或環境的最優控制。智能控制系統是將多種策略相互結合，取長補短，組成復合的控制算法，使智能預應力系統對使用環境不斷的適應性。智能控制系統核心是高層控制，具有非線性和變結構的特點、可以總體自尋優特征、能滿足多樣性目標的高性能要求。智能控制算法的框架見圖3。

圖3 智能控制算法的框架

3 結語

智能預應力結構相比較傳統的預應力結構具有極大的優勢。傳統的預應力技術在長期的高應力狀態下，混凝土結構容易出現較大變形，影響結構的正常使用。智能預應力技術可以明顯的改善預應力效果，使應力結構具有良好的自適應性，達到控制短期撓度和長期的徐變效應，具有良好的前瞻性和現實意義。

智能預應力系統的研究還處于起步階段，但其在保證結構應力，增強結構安全的優勢是傳統的預應力系統不可比擬的，距離這種技術從推廣到實際應用還要很長的路要走，尚需要繼續深入研究。

［1］ 鄧友生，劉 釗，曹三鵬.智能預應力系統初探［J］.公路，2005(16)：7-10.

［2］ 熊學玉.體外預應力結構設計［M］.北京：中國建筑工業出版社，2005.

［3］ 徐偉蔚，呂志濤.智能預應力梁初探［J］.哈爾濱工業大學學報，2005(37)：99-100.