基于頻率法的鋼絞線預應力檢測

陳卓敏　張奔牛　黃月華　袁燦

摘 要：針對混凝土橋梁的鋼絞線預應力檢測的實際問題，提出了一種基于頻率振蕩的新方法對鋼絞線有效預應力進行研究，對該方法進行了理論分析和公式推導，搭建了相應的實驗系統，并對鋼絞線進行了應力加卸載實驗。實驗結果表明，鋼絞線頻率與鋼絞線所受應力值存在一階線性關系，且單調遞減，由此驗證了基于頻率法進行應力檢測原理的有效性。

關鍵詞：橋梁；鋼絞線；預應力；頻率

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

0 引言

預應力鋼絞線在張拉及結構運營過程中，由于受到設計荷載以及各種其它突發因素的作用，結構將不可避免地發生損傷，使得結構的健康狀況不斷惡化，從而威脅整個結構的正常使用和安全。因此，為了保證工程結構的正常使用和安全，需對結構的健康狀況進行實時在線檢測或監測，以便盡可能早地發現結構隱含的缺陷或損傷，并且采取必要的防范和修復措施，否則將有可能導致災難性的后果發生。

目前國內外對鋼絞線預應力無損檢測方法主要有：超聲導波檢測法、等效質量檢測法、磁通量檢測法等。

超聲導波測試法根據波動理論和聲彈理論[1]，利用應力波傳輸時間對預應力鋼絞線應力水平的敏感性，通過應力波的傳輸時間變化來評價鋼絞線中的應力水平。

等效質量法利用激勵錘敲打錨頭[2]，通過粘貼在錨頭上的傳感器采集錨頭振動響應，從而推算出鋼絞線的有效預應力。

這兩種方法有了一定的發展，但目前它的精度很難達到實際應用要求。

磁通量傳感器基于鐵磁性材料的磁彈效應原理[3]，即當鐵磁性材料受到外力作用時，其內部將產生機械應力，其磁導率會發生相應的變化，從而可以通過測定磁導率的變化來反映應力的變化。受加載條件影響目前僅能用于體外預應力測量。

由于目前預應力測量方式的局限性，本文提出一種新的方法，將預應力鋼絞線作為振蕩電路的一部分，利用振蕩頻率對鋼絞線應力的敏感性來評價預應力鋼絞線中的應力水平。

1 頻率法測量預應力原理

頻率法檢測的基本原理[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力的敏感性，通過測試多諧振蕩電路的頻率變化來評價預應力鋼絞線中的應力水平。原理圖與等效電路如圖1所示，其中①端伸長的直線即為模擬的鋼絞線：

振蕩器的振蕩頻率f由電容C的充電時間t1、放電時間t2所決定。即：

因此，理論上證明我們可以通過檢測頻率變化來實現預應力應力檢測。

2 實驗

為了證明理論的正確性，我們設計了如圖2所示的實驗裝置，整個裝置包括錨具、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。從而使得整個預應力鋼絞線處于垂直拉伸狀態，杠桿一端連接承重框，通過向承重框加入和去掉重物來達到加載、卸載的目的。

實驗中所使用的重物是標準混凝土試件，每塊重7.5Kg，裝滿承重框能達到180Kg的重量。所采用的預應力鋼絞線是1×7標準型，其主要參數指標為：公稱直徑為15.20mm，截面積為140mm2，每米參考質量為1101g/m，抗拉強度不小于1720Mpa，最小破斷拉力為241KN。

實驗的主要器材：安裝好的實驗裝置、5V穩壓電源、多諧振蕩器、數字頻率計數器一臺（GFC-8131H）、數字示波器一臺（TDS-2012）、1m長的同軸電纜一根、工具包一個、線手套一雙、6.25m長的預應力鋼絞線一根、重量為7.5Kg的混凝土試件（30cm×10cm×10cm）若干。

實驗過程按照以下步驟進行：

（1）搭建實驗裝置，使預應力鋼絞線處于垂直拉伸狀態，并將承重框懸掛在杠桿的端頭，讓杠桿處于平衡狀態。

（2）制作初始頻率為64KHz的多諧振蕩電路。

（3）將1m長的同軸電纜一端焊接在預應力鋼絞線的端頂，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實驗系統的抗干擾能力。同時，將數字頻率計和數字示波器連接在多諧振蕩器的輸出端。

（4）加載，向承重框內加入混凝土試件，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到600kg。

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

（6）卸載、重復實驗，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，進行下一組實驗。整個實驗系統如圖2所示。

3 實驗結果與分析

對公式（3）取Rf=1.5KΩ、C=4.7nf，通過計算可得初始頻率f≈64.47453KHz（不接鋼絞線時的理論值），當鋼絞線接上振蕩器后，對記錄的實驗數據進行整理（已求平均值），如表1所示：

由實驗數據可見，隨著應力的不斷增加，檢測到的頻率隨之不斷減小；隨著應力的不斷減小，檢測到的頻率隨之不斷增加。鋼絞線在應力狀態下的頻率誤差在10Hz以內，且加載整個過程的頻率變化值為79.57Hz，卸載整個過程的頻率變化值為79.03Hz。

將實驗對應的數據點在散點坐標圖中標示出來，并對散點坐標圖上的數據點進行線性擬合，如圖3所示。

對實驗數據進行線性擬合處理后得到其傳感特性關系式為：

y=y=-0.0019x+63.112 （11）

式中，x表示應力（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），應力靈敏系數為1.9Hz/MPa。即在誤差允許范圍內系統靈敏度能夠達到19Hz/10MPa。

通過對三種不同頻率下的實驗數據分析，可以得到如下結論：

（1）加卸載實驗結果表明，檢測到的頻率平均值與鋼絞線所受應力值存在一階線性關系，且呈比例關系。

（2）64KHz范圍內的實驗數據顯示，誤差在10Hz范圍內，加載線性度為0.9932，卸載線性度為0.9925，實驗系統靈敏度為19Hz/10MPa。

由此驗證了基于頻率法進行應力檢測原理的有效性。

4 總結與展望

總的來說，本文提出的一種基于頻率法的鋼絞線預應力檢測技術是一種新的可行的方法，它具有較高的靈敏度，并且檢測系統結構簡單、成本較低、方案易于實現。為更高精度的混凝土結構中的鋼絞線預應力檢測提供了一種新思路。

從本次實驗檢測情況來看，目前還存在一些問題需要更深入的研究：

（1）信號處理方法的研究，鋼絞線預應力檢測時存在大量的干擾信號，如何準確地屏蔽這些外界干擾需要進一步加以研究。

（2）本文中的檢測結果均是在簡易實驗室條件下完成的，還需要設計更大的實驗裝置反復測試，在以后的工作中獲取足夠的檢測事例，這樣才能得到真正應用于實際工程的檢測系統。

參考文獻：

[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.基于動力性能的PC梁有效預應力預測，長安大學學報：自然科學版，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，Feb，2014.