基于頻率法的鋼絞線預(yù)應(yīng)力檢測(cè)

陳卓敏　張奔牛　黃月華　袁燦

摘 要：針對(duì)混凝土橋梁的鋼絞線預(yù)應(yīng)力檢測(cè)的實(shí)際問題，提出了一種基于頻率振蕩的新方法對(duì)鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力進(jìn)行研究，對(duì)該方法進(jìn)行了理論分析和公式推導(dǎo)，搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)鋼絞線進(jìn)行了應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼絞線頻率與鋼絞線所受應(yīng)力值存在一階線性關(guān)系，且單調(diào)遞減，由此驗(yàn)證了基于頻率法進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)原理的有效性。

關(guān)鍵詞：橋梁；鋼絞線；預(yù)應(yīng)力；頻率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.189

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼絞線在張拉及結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)過程中，由于受到設(shè)計(jì)荷載以及各種其它突發(fā)因素的作用，結(jié)構(gòu)將不可避免地發(fā)生損傷，使得結(jié)構(gòu)的健康狀況不斷惡化，從而威脅整個(gè)結(jié)構(gòu)的正常使用和安全。因此，為了保證工程結(jié)構(gòu)的正常使用和安全，需對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)或監(jiān)測(cè)，以便盡可能早地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)隱含的缺陷或損傷，并且采取必要的防范和修復(fù)措施，否則將有可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果發(fā)生。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼絞線預(yù)應(yīng)力無損檢測(cè)方法主要有：超聲導(dǎo)波檢測(cè)法、等效質(zhì)量檢測(cè)法、磁通量檢測(cè)法等。

超聲導(dǎo)波測(cè)試法根據(jù)波動(dòng)理論和聲彈理論[1]，利用應(yīng)力波傳輸時(shí)間對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力水平的敏感性，通過應(yīng)力波的傳輸時(shí)間變化來評(píng)價(jià)鋼絞線中的應(yīng)力水平。

等效質(zhì)量法利用激勵(lì)錘敲打錨頭[2]，通過粘貼在錨頭上的傳感器采集錨頭振動(dòng)響應(yīng)，從而推算出鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力。

這兩種方法有了一定的發(fā)展，但目前它的精度很難達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。

磁通量傳感器基于鐵磁性材料的磁彈效應(yīng)原理[3]，即當(dāng)鐵磁性材料受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，其磁導(dǎo)率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而可以通過測(cè)定磁導(dǎo)率的變化來反映應(yīng)力的變化。受加載條件影響目前僅能用于體外預(yù)應(yīng)力測(cè)量。

由于目前預(yù)應(yīng)力測(cè)量方式的局限性，本文提出一種新的方法，將預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為振蕩電路的一部分，利用振蕩頻率對(duì)鋼絞線應(yīng)力的敏感性來評(píng)價(jià)預(yù)應(yīng)力鋼絞線中的應(yīng)力水平。

1 頻率法測(cè)量預(yù)應(yīng)力原理

頻率法檢測(cè)的基本原理[4]是將鋼絞線作為多諧振蕩電路的一部分，利用振蕩頻率與鋼絞線應(yīng)力的敏感性，通過測(cè)試多諧振蕩電路的頻率變化來評(píng)價(jià)預(yù)應(yīng)力鋼絞線中的應(yīng)力水平。原理圖與等效電路如圖1所示，其中①端伸長(zhǎng)的直線即為模擬的鋼絞線：

振蕩器的振蕩頻率f由電容C的充電時(shí)間t1、放電時(shí)間t2所決定。即：

因此，理論上證明我們可以通過檢測(cè)頻率變化來實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力應(yīng)力檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)

為了證明理論的正確性，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，整個(gè)裝置包括錨具、承載杠桿、承重框、試樣鋼絞線和若干組鋼絲。首先將鋼絞線兩端用錨具錨固，然后利用粗鋼絲拴住錨具并將鋼絞線固定于上下兩端，其中，上端固定在承重架上，下端通過連接1：3的承載杠桿并固定在地面上。從而使得整個(gè)預(yù)應(yīng)力鋼絞線處于垂直拉伸狀態(tài)，杠桿一端連接承重框，通過向承重框加入和去掉重物來達(dá)到加載、卸載的目的。

實(shí)驗(yàn)中所使用的重物是標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件，每塊重7.5Kg，裝滿承重框能達(dá)到180Kg的重量。所采用的預(yù)應(yīng)力鋼絞線是1×7標(biāo)準(zhǔn)型，其主要參數(shù)指標(biāo)為：公稱直徑為15.20mm，截面積為140mm2，每米參考質(zhì)量為1101g/m，抗拉強(qiáng)度不小于1720Mpa，最小破斷拉力為241KN。

實(shí)驗(yàn)的主要器材：安裝好的實(shí)驗(yàn)裝置、5V穩(wěn)壓電源、多諧振蕩器、數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器一臺(tái)（GFC-8131H）、數(shù)字示波器一臺(tái)（TDS-2012）、1m長(zhǎng)的同軸電纜一根、工具包一個(gè)、線手套一雙、6.25m長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線一根、重量為7.5Kg的混凝土試件（30cm×10cm×10cm）若干。

實(shí)驗(yàn)過程按照以下步驟進(jìn)行：

（1）搭建實(shí)驗(yàn)裝置，使預(yù)應(yīng)力鋼絞線處于垂直拉伸狀態(tài)，并將承重框懸掛在杠桿的端頭，讓杠桿處于平衡狀態(tài)。

（2）制作初始頻率為64KHz的多諧振蕩電路。

（3）將1m長(zhǎng)的同軸電纜一端焊接在預(yù)應(yīng)力鋼絞線的端頂，一端焊接在多諧振蕩器的輸入端，采用同軸電纜是為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的抗干擾能力。同時(shí)，將數(shù)字頻率計(jì)和數(shù)字示波器連接在多諧振蕩器的輸出端。

（4）加載，向承重框內(nèi)加入混凝土試件，每次增加4塊，即每次鐵框增重30Kg，從而鋼絞線每次加載為120Kg，一直加至鐵框裝滿試件使鋼絞線受重達(dá)到600kg。

（5）記錄變化頻率值，觀察信號(hào)波形。以杠桿端頭懸掛承重框處于平衡狀態(tài)時(shí)為初始狀態(tài)，荷載每增加一次就記錄一次頻率變化值，每次記錄5組數(shù)據(jù)，然后取平均值。

（6）卸載、重復(fù)實(shí)驗(yàn)，卸載過程與加載過程類似，同樣記錄下每次卸載的頻率變化值。取完混凝土試件后，進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)公式（3）取Rf=1.5KΩ、C=4.7nf，通過計(jì)算可得初始頻率f≈64.47453KHz（不接鋼絞線時(shí)的理論值），當(dāng)鋼絞線接上振蕩器后，對(duì)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理（已求平均值），如表1所示：

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，隨著應(yīng)力的不斷增加，檢測(cè)到的頻率隨之不斷減小；隨著應(yīng)力的不斷減小，檢測(cè)到的頻率隨之不斷增加。鋼絞線在應(yīng)力狀態(tài)下的頻率誤差在10Hz以內(nèi)，且加載整個(gè)過程的頻率變化值為79.57Hz，卸載整個(gè)過程的頻率變化值為79.03Hz。

將實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)在散點(diǎn)坐標(biāo)圖中標(biāo)示出來，并對(duì)散點(diǎn)坐標(biāo)圖上的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，如圖3所示。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合處理后得到其傳感特性關(guān)系式為：

y=y=-0.0019x+63.112 （11）

式中，x表示應(yīng)力（MPa），y表示加載過程的頻率值（KHz），y表示卸載過程的頻率值（KHz），應(yīng)力靈敏系數(shù)為1.9Hz/MPa。即在誤差允許范圍內(nèi)系統(tǒng)靈敏度能夠達(dá)到19Hz/10MPa。

通過對(duì)三種不同頻率下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）加卸載實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)到的頻率平均值與鋼絞線所受應(yīng)力值存在一階線性關(guān)系，且呈比例關(guān)系。

（2）64KHz范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，誤差在10Hz范圍內(nèi)，加載線性度為0.9932，卸載線性度為0.9925，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)靈敏度為19Hz/10MPa。

由此驗(yàn)證了基于頻率法進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)原理的有效性。

4 總結(jié)與展望

總的來說，本文提出的一種基于頻率法的鋼絞線預(yù)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)是一種新的可行的方法，它具有較高的靈敏度，并且檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、方案易于實(shí)現(xiàn)。為更高精度的混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼絞線預(yù)應(yīng)力檢測(cè)提供了一種新思路。

從本次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)情況來看，目前還存在一些問題需要更深入的研究：

（1）信號(hào)處理方法的研究，鋼絞線預(yù)應(yīng)力檢測(cè)時(shí)存在大量的干擾信號(hào)，如何準(zhǔn)確地屏蔽這些外界干擾需要進(jìn)一步加以研究。

（2）本文中的檢測(cè)結(jié)果均是在簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)室條件下完成的，還需要設(shè)計(jì)更大的實(shí)驗(yàn)裝置反復(fù)測(cè)試，在以后的工作中獲取足夠的檢測(cè)事例，這樣才能得到真正應(yīng)用于實(shí)際工程的檢測(cè)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] S. Chaki， G. Bourse， Guided ultrasonic waves for non-destructive monitoring of the stress levels in prestressed steel strands， Ultrasonics， 2009（49）：162-171；

[2]劉齡嘉，賀拴海，趙小星.基于動(dòng)力性能的PC梁有效預(yù)應(yīng)力預(yù)測(cè)，長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，29（06）：37-40.

[3]H.C. Schoenekess， W. Ricken， W.J. Becker， Method to determine tensile stress alterations in prestressing steel strands by means of an eddy-current technique， IEEE Sensors Journal， Aug，2007，7（08）.

[4]N. Ashwear， A. Eriksson， Natural frequencies describe the pre-stress in tensegrity structures，Computers & Structures，F(xiàn)eb，2014.