CN102937492A - 预应力混凝土桥梁绝对应力监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力混凝土桥梁绝对应力监测方法，获取待监测混凝土桥梁的绝对应力；根据绝对应力及绝对应力获取中的应变变化值获取结构真实的弹性模量；定时采集所述监测混凝土桥梁表面应变，获取多个应变值；根据多个应变值及所述弹性模量获取多个采集应力值；根据多个采集应力值及所述初始绝对应力获取应力监测值。该方法得到的应力监测值，为混凝土桥梁的绝对应力值，并且较现有技术中的应力监测值更加准确。

Description

预应力混凝土桥梁绝对应力监测方法

技术领域

本发明涉及混凝土桥梁监测领域，特别涉及预应力混凝土桥梁绝对应力监测测方法。

背景技术

随着基础设施建设的不断深入，在公（铁）路桥梁建设过程中，预应力混凝土已成为了应用最广泛的结构形式，在预应力混凝土桥梁服役过程中，由于长期承受车辆、自重等荷载影响，往往会对桥体本身带来影响，为了及时发现桥梁在使用中所存在的安全隐患，通常会采用应变监测的方法来评估结构的应力状况及应力变化趋势。由于绝对应力可表明结构目前所处的应力水平、应力的安全储备等指标，是判断桥梁安全状态的重要指标之一（绝对应力：也称为工作应力或持久应力，是指各种荷载、变形及约束作用在结构上产生的实际应力总和，其中，荷载包括结构自重、车辆及风荷载、雪载荷等；变形及约束作用是指温度、位移、变形、基础不均匀沉降等因素），因此在应变监测中对绝对应力的监测非常重要。但在现有技术中对绝对应力的监测通常是通过应力释放法（通过在混凝土构件上局部破损，测试破损前后的应力变化，再乘以弹性模量得到结构的工作应力，根据破损方法的不同主要有环孔法及钻孔法），而在此过程中，由于实际结构的混凝土弹性模量难以估计，影响应力值的计算；切割时混凝土温度升高，应变测量值会受到温度的影响，使混凝土绝对应力的监测精度并不理想。基于上述原因，现有技术中对于已经运营的混凝土桥梁，绝对应力的测定还没有得到有效的解决方案。

因此，现有技术中的问题在于：由于现有技术中是将应变计黏贴到桥梁表面，将应变测量值乘以弹性模量求得结构在黏贴应变计后所发生的应力变化①传统方法只能监测到应变计安装后结构发生的应力，即相对应力，但无法监测到结构在安装应变计前已经产生的应力。②弹性模量是从规范查到的理论值，但混凝土结构离散性较大，且会随时间发生变化，因此得到的应力值精度较低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明解决了，桥梁混凝土绝对应力监测中存在较大误差的问题，本发明提供了预应力混凝土桥梁绝对应力监测方法，包括以下步骤：

获取待监测混凝土桥梁的初始绝对应力；

根据所述初始绝对应力及所述初始绝对应力获取中的应变变化值获取弹性模量；

定时采集所述监测混凝土桥梁表面应变，获取多个应变值；

根据所述多个应变值及所述弹性模量获取多个采集应力值；

根据多个采集应力值及所述初始绝对应力获取应力监测值。

与现有技术相比，本发明的上述实施方式具有以下优点：获取的应力监测值为绝对应力，不存在假设值（弹性模量）及测试手段中温度的影响。为计算应力监测值用到的弹性模量，为多次平均值,较现有技术中对混凝土桥梁弹性模量的假设值更加准确。因此该方法不仅提高了绝对应力的测量精度，而且可通过定期监测表面的应变变化来实现对绝对应力的监测，监测过程操作简单，监测数据更具可信性。

附图说明

图1为本发明预应力混凝土桥梁绝对应力监测方法的流程图。

图2为本发明预应力混凝土桥梁初始绝对应力检测方法流程图。

图3为本发明预应力混凝土桥梁初始绝对应力检测***示意图。

图4为本发明预应力混凝土桥梁初始绝对应力监测***示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步详细的说明。

如图1所示，为本发明预应力混凝土桥梁绝对应力监测方法的流程示意图；包括以下步骤：

步骤S101：获取初始绝对应力。

在此步骤中；获取待监测混凝土桥梁的初始绝对应力，如图2所示，可具体通过以下步骤实现：

步骤S1011：获取应变初始值。

获取混凝土桥梁的应变初始值。如图3所示，对需要贴附应变计的混凝土桥梁表面31进行打磨处理，然后用无水酒精清除混凝土表面的灰尘。在清除灰尘的混凝土表面31涂上环氧树脂，然后粘贴应变片32。在粘贴的过程中确保应变片32与混凝土紧密接触。应避免在混凝土表面有裂缝、孔隙的地方粘贴应变片32。同时应当指出的是，为使监测更为有效，可将上述应变片32设置于桥梁中通常会产生应变较大或已经出现应变变化的位置。应变片32粘贴好后通过应变值采集仪36采集并记录应变计测量值获取混凝土桥梁的应变初始值。

步骤S1012：记录应变变化值。

在混凝土桥梁表面开槽，检测并记录槽中两侧应变面产生的应变变化值。在该步骤中，在混凝土桥梁的表面沿与应变片32垂直的方向切割矩形长槽33，并通过应变值采集仪36采集应变计测量值，从而获得矩形长槽33中两侧应变面产生的应变变化值。矩形长槽33的尺寸约为长7cm，宽4cm，深5cm。矩形长槽33的长边和应变片32垂直。

步骤S1013：施加反向力。

在该步骤中，在两侧应变面间固定施力装置，使施力装置的施力方向与应变面的应变方向相对，通过施力装置在两侧应变面间施加反向力，使两侧应变面间的应变变化值回复到应变初始值。

以上步骤具体实现为，在矩形长槽33的两侧应变面间顺序固定施力装置及测力装置，并可通过自控设备37对施力装置进行控制，使施力装置的施力方向与应变面的应变方向相对。测力装置与施力装置的施力端固定连接，用于检测施力装置对应变面的施加力。施力装置在两侧应变面间施加反向力，通过应变计测量值监测两侧应变面间的应变值，从应变变化值回复到应变初始值。在本实施例中，施力装置可以采用超薄液压千斤顶34，测力装置采用微型测力传感器35，来实现对矩形长槽33的两侧应变面施加反向力和对反向力应力值的测定。将超薄液压千斤顶34和微型测力传感器35放入矩形长槽33内，并固定在矩形长槽33的两侧应变面间。超薄液压千斤顶34的顶杆和微型测力传感器垂直作用于矩形长槽33的应变面，并且位于应变面的中心位置，使超薄液压千斤顶34的顶杆对应变面的作用力均匀。用超薄液压千斤顶34对矩形长槽33的两相对的应变面施加反向力，使矩形长槽33应变面回复切割前的状态，通过应变计监测两侧应变面间的应变值直至应变计恢复初始值。应变计恢复初始值时记录微型测力传感器35的值。

超薄液压千斤顶34的参数见表1。微型测力传感器35的参数见表2。

表1

升力

行程

最小高度

最大高度

作用面积

外型尺寸

自重

5000kg

10mm

40mm

50mm

6.39cm2

66×44×40

1.0kg

表2

外径	高	量程	非线性	重复性	滞后
						13mm	9mm	0～50kg	0.5%FS	0.05%FS	0.5%FS

步骤S1014：获取绝对应力。

在该步骤中，根据微型测力传感器35测得的反向力的值获取混凝土桥梁初始绝对应力。从而可根据微型测力传感器35测得的反向力的值直接获得测点处的绝对应力。

同时在上述步骤S1013及步骤S1014中，可在所述两侧应变面间分多次施加反向力σ₁、σ₂......σ_n，使两侧应变面间的所述应变变化值分多个应变变化值ε₁、ε₂......ε_n逐步回复到所述应变初始值；根据所述多次施加反向力之和σ=σ₁+σ₂+…+σ_n获取所述混凝土桥梁初始绝对应力σ。

步骤S102：获取弹性模量。

在此步骤中；根据所述初始绝对应力σ及所述初始绝对应力获取中的应变变化值ε，根据弹性模量E=σ/ε公式，获取弹性模量。

为使获得的弹性模量值更为准确在上述步骤S1013及步骤S1014中，当分多次施加反向力σ₁、σ₂......σ_n，使两侧应变面间的所述应变变化值分多个应变变化值ε₁、ε₂......ε_n后，可根据所述初始绝对应力获取中的多次施加反向力σ₁、σ₂......σ_n、所述多个应变变化值ε₁、ε₂......ε_n及多次施加反向力次数n，及下述公式2-3获取平均弹性模量E_平，在上述过程中，为使得测量更为准确，其中，多个应变变化值ε₁、ε₂......ε_n中ε₁≠ε₂≠…≠ε_n，从而进一步提高平均弹性模量E_平的准确性，之后根据所述平均弹性模量E_平确定所述弹性模量。

上述平均弹性模量E_平的具体获取过程如下：在施加反向力的过程中，分n级施加，设当前混凝土弹性模量为E，每一级施加反向力时应变变化为ε_n，释放总应变为ε，其关系见公式1-1；每一级的释放的应力为σ_n，释放总应力为σ，其关系见式1-2；所以根据每一级的恢复应力应变关系，求出平均弹性模量E_平，见式1-3。

ε=ε₁+ε₂+…+ε_n其中，ε₁≠ε₂≠…≠ε_n            公式1-1

σ＝σ₁+σ₂+…+σ_n                                  公式1-2

E_平=(σ₁/ε₁+σ₂/ε₂+…σn/εn)/n                   公式1-3

步骤S103：获取多个应变值。

在此步骤中：如图4所示，定时采集所述监测混凝土桥梁应变，获取多个应变值；在监测混凝土桥梁表面31贴附应变传感器41（应变片），将与所述应变传感器41相连的检测线引出，与应变值采集仪36相连；定时监测混凝土桥梁表面31的应变值，通过采集仪收集应变计传感器的数据并传送到分析装置42，存储的数据可通过数据远程传输设备传输到监控中心的计算机43上并输入电子表格或数据库，从而实现长期监测。

通过上述方法，也可对混凝土桥梁主应变和主应力方向进行监测，具体方法为：根据应变花形式在所述监测混凝土桥梁表面贴附多个应变计，定时采集所述多个应变计应变值σ₁、σ₂、σ₃；根据所述多个应变计应变值获取监测混凝土桥梁主应变σ_主和主应力方向

具体可根据应力状态理论算出测点处的主应力σ_主与主方向

计算方法如公式2-1和2-2。公式2-1中μ为泊松比。

公式2-1

公式2-2

步骤S104：获取多个采集应力值。

在此步骤中：根据所述多个应变值及所述弹性模量获取多个采集应力值；具体可根据所述多个应变值及所述弹性模量的乘积确定多个采集应力值。根据步骤S 102计算的测区混凝土结构的弹性模量E，与所述多个应变△ε相乘得到多个应力变化值△σ，如公式3-1。

Δσ=Δε×E                                公式3-1

步骤S105：获取应力监测值。

在此步骤中：所述根据多个应力变化值及所述初始绝对应力之和确定多个绝对应力；根据所述多个绝对应力及多个应变值采集时间获取应力监测值。所述多个应力变化值△σ与初始绝对应力σ相加即为测区混凝土结构的绝对应力σ_x。如式（5）。

σ_x=Δσ+σ                                 公式（5）

获得的多个应力监测值后。可进一步经过过滤、分类、汇总、统计，计算出最值、极值、均值、方差等特征值，并可特征值进行反演，对结构进行仿真分析和模型修正，评估真实状态的可承受最大绝对应力值f，在状态评估的基础上，安全预警模块对超过0.6f和0.8f的记录进行预警和报警，提醒管理部门采取对混凝土桥梁的必要维护，避免危险事故的发生。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (10)

1.预应力混凝土桥梁绝对应力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取待监测混凝土桥梁的初始绝对应力；

根据所述初始绝对应力及所述初始绝对应力获取中的应变变化值获取弹性模量；

定时采集所述监测混凝土桥梁表面应变，获取多个应变值；

根据所述多个应变值及所述弹性模量获取多个采集应力值；

根据多个采集应力值及所述初始绝对应力获取绝对应力监测值。

2.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述监测混凝土桥梁的初始绝对应力步骤还包括：

获取混凝土桥梁表面的应变初始值；

在所述混凝土桥梁表面开槽，记录槽中两侧应变面产生的应变变化值；

在所述两侧应变面间施加反向力，使两侧应变面间的所述应变变化值回复到所述应变初始值；

根据所述反向力获取所述混凝土桥梁初始绝对应力。

3.如权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述读取混凝土桥梁的应变初始值步骤还包括：

在所述监测混凝土桥梁表面贴附应变计，根据应变计测量值获取混凝土桥梁的应变初始值。

4.如权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述在所述混凝土桥梁表面开槽，记录槽中两侧应变面产生的应变变化值步骤还包括：

在所述混凝土桥梁表面上，沿所述应变计垂直方向开取矩形长槽，根据应变计测量值确定槽中两侧应变面产生的应变变化值。

5.如权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述在所述两侧应变面间施加反向力，使两侧应变面间的所述应变变化值回复到所述应变初始值步骤还包括：

在所述两侧应变面间顺序固定施力装置及测力装置，使所述施力装置的施力方向与所述应变面的应变方向相对，所述测力装置与所述施力装置的施力端固定连接，用于检测所述施力装置对所述应变面的施加力，通过所述施力装置在所述两侧应变面间施加反向力，通过所述应变计测量值监测两侧应变面间的应变值，从所述应变变化值回复到所述应变初始值。

6.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述在所述两侧应变面间施加反向力，使两侧应变面间的所述应变变化值回复到所述应变初始值；根据所述反向力获取所述混凝土桥梁初始绝对应力步骤包括：

在所述两侧应变面间分多次施加反向力，使两侧应变面间的所述应变变化值分多个应变变化值逐步回复到所述应变初始值；根据所述多次施加反向力之和获取所述混凝土桥梁初始绝对应力。

7.如权利要求6所述的监测方法，其特征在于，所述根据所述初始绝对应力及所述初始绝对应力获取中的应变变化值获取弹性模量步骤包括；

根据所述初始绝对应力获取中的多次施加反向力、所述多个应变变化值及多次施加反向力次数获取平均弹性模量；

根据所述平均弹性模量确定所述弹性模量。

8.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述定时采集所述监测混凝土桥梁表面应变，获取多个应变值步骤还包括：

根据应变花形式在所述监测混凝土桥梁表面贴附多个应变计，定时采集所述多个应变计应变值；根据所述多个应变计应变值获取监测混凝土桥梁主应变和主应力方向。

9.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述根据所述多个应变值及所述弹性模量获取多个采集应力值的步骤还包括：

根据所述多个应变值及所述弹性模量的乘积确定多个采集应力值。

10.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述根据多个应力变化值及所述初始绝对应力获取应力监测值步骤还包括：

所述根据多个应力变化值及所述初始绝对应力之和确定多个绝对应力；

根据所述多个绝对应力及多个应变值采集时间获取应力监测值。

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