CN115406385A - 斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法,包括:步骤一、AE传感器设置;步骤二、设定主机的声发射监测参数;步骤三、确定钢筋断裂AE弹性波在结构体中传播速度;步骤四、根据AE传感器接收弹性波时域信号的幅值及到达时间确定钢筋断裂所在侧面,进而根据钢筋断裂所在侧面所在方向选择顺桥方向侧壁波速或横桥向侧壁波速,根据选择的顺桥方向侧壁波速或横桥向侧壁波速以及弹性波时域信号到达时间确定各测点与断裂点间的距离差;步骤五、根据各测点与断裂点间的距离差计算出断裂点的相对空间坐标。本发明解决了斜拉桥索塔锚固区的环向预应力锚固结构的预应力钢筋断裂的监测问题,可对桥梁正常运营和影响道路交通的安全情况做出分析和判断。
Description
技术领域
本发明涉及斜拉桥运维安全管理监测技术领域,具体是一种斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法。
背景技术
目前,我国桥梁建设已经取得显著成绩,特别是跨江跨河跨海的大跨度斜拉桥建成数量已位居世界第一。斜拉桥索塔锚固区,是将大跨度桥梁巨大荷载通过斜拉索传至索塔锚固区,再传至索塔下部和地基基础,索塔锚固区被认为是受力最复杂的构造部位,其重要性相当于人体心脏部位。斜拉索在空心截面的索塔上主要是采用对称锚固的方式,具体可以分三种锚固形式:环向预应力、钢锚梁和钢锚箱。
其中的环向预应力锚固形式受力机理,是拉索索力直接作用在主塔内部的齿块上,经由齿块传到混凝土塔壁上,竖直方向的力会从齿块相连塔壁逐步传到塔底;在水平力传递过程中,顺桥向侧壁将会受到巨大索力产生的水平拉应力,横桥向塔壁也会因此受到很强的拉弯作用。要使得锚固区能够抵抗由于拉索产生的强大局部应力,利用众多数量(单箱约1750根/50米)预应力钢筋产生的外力,来抵消拉索对塔壁的拉力。预应力混凝土中所用螺纹钢筋,也称精轧螺纹钢筋,预先给精轧螺纹钢筋施加了高水平的预应拉力。预应力钢筋正常工作状态下储存了高应力水平的弹性势能,而其材料为脆性较强的低合金钢,容易发生延性断裂。同类型的结构中发生预应力钢筋断裂事件时常发生,断裂的预应力钢筋往往撞碎封锚混凝土后弹射出塔壁,甚至掉落至桥面上,给桥梁运营造成安全隐患和不良社会影响。
目前对这种预应力钢筋断裂进行监测的文献未见有报道。因此,开发一种有效的监测方法,十分需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法,以对斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂点进行及时监测。
本发明采用如下技术方案实现:
一种斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法,包括如下步骤:
步骤一、AE传感器设置:将选定的AE传感器设置在斜拉桥索塔锚固区矩形空心截面内侧的混凝土表面上,在索塔锚固区高度1/4位置、1/2位置和3/4位置各设置2个、4个和2个传感器以使4个侧面平面上都分布有4个AE传感器,所有AE传感器通过主机与电脑连接,所述主机用于对AE传感器接收的声发射信号进行采集;
步骤二、设定主机的声发射监测参数:通过电脑设置主机采集信号频段范围为20kHz-1MHz,采样率为10MSPS,以及门槛阈值为30dB-35dB;
步骤三、确定钢筋断裂AE弹性波在结构体中传播速度:选择索塔顺桥方向侧壁和横桥方向侧壁分别进行弹性波传播速度拟合,在监测***开始时和没有现场钢筋断裂监测数据时,使用冲击锤冲击混凝土表面模拟钢筋断裂产生的弹性波,利用顺桥方向侧面和横桥方向侧面布置的4个AE传感器接收到达的时间差,以及已知冲击点与AE传感器间的距离及距离差,得到弹性波传播的距离-时间拟合方程,拟合直线的斜率即得到顺桥方向侧壁和横桥方向侧壁的弹性波波速值;
步骤四、根据AE传感器接收弹性波时域信号的幅值及到达时间确定钢筋断裂所在侧面,进而根据钢筋断裂所在侧面所在方向选择顺桥方向侧壁波速或横桥向侧壁波速,根据选择的顺桥方向侧壁波速或横桥向侧壁波速以及弹性波时域信号到达时间确定各测点与断裂点P间的距离差;
步骤五、根据各测点与断裂点P间的距离差计算出断裂点P的相对空间坐标P(x,y,z)。
进一步的,步骤一中AE传感器设置具体为:在1/2截面位置布置4个传感器,分别布置在内侧4个角点处,1/4截面位置和3/4截面位置分别布置在对角线角点上,且1/4位置和3/4位置的AE传感器呈对角线交叉布置。
进一步的,步骤三中,索塔顺桥向侧壁的弹性波传播的距离-时间拟合方程为:dij=Vp1·Δtij+b1,其中,dij为冲击点至编号为i和j的传感器间的弹性波传播距离差(m),Vp1为顺桥向侧壁的弹性波P波波速(m/s),简称顺桥向侧壁波速,Δtij为冲击点至传感器编号为i和j间的弹性波传播时间差(s),b1为拟合直线方程截距;
索塔横桥向侧壁的弹性波传播的距离-时间拟合方程为:dpq=Vp2·Δtpq+b2,其中,dpq为冲击点至传感器编号为p和q间的弹性波传播距离差(m),Vp2为索塔横桥向侧壁的弹性波P波波速(m/s),简称横桥向侧壁波速,Δtpq为传感器编号为p和q的弹性波传播时间差(s),b2为拟合直线方程截距。
进一步的,步骤四具体包括:
首先,根据中间截面4个传感器接收弹性波时域信号的幅值及到达时间进行排序,信号幅值最大前2且到达时间最短前2的2个传感器的连线所在的侧面,确定为钢筋断裂所在侧面;否则,选择顺桥向侧面为钢筋断裂所在侧面;
其次,坐标***为:X轴为顺桥方向,Z轴为横桥方向,Y轴为竖向,原点设为传感器设置中间截面的传感器D1处,假定按接收时间最短的D1测点为基准,测量同一侧面上的其他3个传感器D2、D5、D7与传感器D1的时间差,选择步骤三求得的对应侧面的波速值Vpn,即求得各测点与断裂点P间的距离差:
d21=∣PD2∣-∣PD1∣=Vpn(t2-t1)
d51=∣PD5∣-∣PD1∣=Vpn(t5-t1)
d71=∣PD7∣-∣PD1∣=Vpn(t7-t1)
其中:
d21—AE源P点与传感器D2及传感器D1测点间的距离差(m);
d51—AE源P点与传感器D5及传感器D1测点间的距离差(m);
d71—AE源P点与传感器D7及传感器D1测点间的距离差(m);
∣PD1∣=Vpn*t1,∣PD2∣=Vpn*t2,
∣PD5∣=Vpn*t5,∣PD7∣=Vpn*t7,
Vpn—顺桥向侧壁波速为Vp1(m/s),横桥向侧壁波速为Vp2(m/s);
t1—D1传感器到达传播时间(s);
t2—D2传感器到达传播时间(s);
t5—D5传感器到达传播时间(s);
t7—D7传感器到达传播时间(s)。
进一步的,步骤五中根据各测点与断裂点P间的距离差,进而推导计算出断裂点P的相对空间坐标P(x,y,z),具体为:
x=[(d0-c25d1)(y2-c27y7)-(d0-c27d3)(y2-c25y5)]/[(y2-c27y7)(x2-c25x5)-(x2-c27x7)(y2-c25y5)]
y=[(d0-c25d1)(x2-c27x7)-(d0-c27d3)(x2-c25x5)]/[(y2-c25y5)(x2-c27x7)-(x2-c25x5)(y2-c27y7)]
z={{[d0-(x5x+y5x)]/d21}2-(x2+y2)}1/2
式中:
d0=1/2(x2 2+y2 2+z2 2-d21 2)
d1=1/2(x5 2+y5 2+z5 2-d51 2)
d3=1/2(x7 2+y7 2+z7 2-d71 2)
d21=Vpn(t2-t1)
d51=Vpn(t5-t1)
d71=Vpn(t7-t1)
c25=d21/d51
c27=d21/d71。
进一步的,还包括步骤六、在电脑上自动定位与显示所有断裂点P,得到结构体断裂点P分布图,结合AE弹性波频率分析,总结钢筋断裂的可能原因和类别,划分结构的相对薄弱区,对结构整体稳定性及安全性做出评价。
附图说明
图1是本发明索塔锚固区AE传感器设置示意图;
图2是本发明监测***拓扑图;
图3是本发明冲击弹性波钢筋混凝土中传播衰减图;
图4是本发明弹性波传播距离-时间拟合方程图;
图5是本发明检测钢筋断裂时的时域波形图;
图6是本发明钢筋断裂时接收弹性波的频域波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例提供一种斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法,包括如下步骤:
步骤一、AE(Acoustic Emission)传感器设置:如图1所示,将选定的AE传感器设置在斜拉桥索塔锚固区矩形空心截面内侧的混凝土表面上,在索塔锚固区高度1/4位置、1/2位置和3/4位置,各设置图1所示的2个、4个和2个传感器;其中,在中间截面位置布置4个传感器(D1、D2、D3、D),分别布置在内侧4个角点处,1/4截面位置的2个传感器(D5、D6)和3/4截面位置的2个传感器(D7、D8)分别布置在对角线角点上,且1/4位置和3/4位置的AE传感器呈对角线交叉布置,AE传感器总体呈对称、均匀布置,在4个侧面平面上都分布有4个传感器;这对后边步骤的钢筋断裂AE事件记录和定位,具有空间几何关系坐标方程的可解性打下基础。AE传感器的作用是接收材料或结构内部的声发射信号。如图2所示,所有AE传感器通过主机与电脑连接,所述主机用于对AE传感器的接收的声发射信号进行采集。
步骤二、设定主机的声发射监测参数:通过电脑设置主机采集信号频段范围为20kHz-1MHz,采样率为10MSPS,以及门槛阈值为30dB-35dB,门槛阈值根据现场背景噪音等情况确定。AE传感器接收弹性波信号,电脑记录接收到的弹性波时域信号数据,对记录的时域信号数据,能够进行接收弹性波的FFT频率分析。
步骤三、确定钢筋断裂AE弹性波在结构体中传播速度:选择索塔顺桥向侧壁和横桥方向侧壁(图1中X轴为顺桥方向,Z轴为横桥方向)分别进行弹性波传播速度拟合。如图4,在监测***开始时和没有现场钢筋断裂实测监测数据时,可以使用冲击锤冲击混凝土表面模拟钢筋断裂产生的弹性波,利用顺桥方向侧面和横桥方向侧面布置的4个传感器接收到的时间差和距离差,得到弹性波传播的距离-时间拟合方程,拟合直线的斜率即弹性波波速值Vpn。
索塔顺桥向侧壁的弹性波传播的距离-时间拟合方程为:dij=Vp1·Δtij+b1,其中,dij为冲击点至编号为i和j的传感器间的弹性波传播距离差(m),Vp1为顺桥向侧壁的弹性波P波波速(m/s),简称顺桥向侧壁波速,Δtij为冲击点至传感器编号为i和j间的弹性波传播时间差(s),b1为拟合直线方程截距;
索塔横桥向侧壁的弹性波传播的距离-时间拟合方程为:dpq=Vp2·Δtpq+b2,其中,dpq为冲击点至传感器编号为p和q间的弹性波传播距离差(m)Vp2为索塔横桥向侧壁的弹性波P波波速(m/s),简称横桥向侧壁波速,Δtpq为传感器编号为p和q的弹性波传播时间差(s),b2为拟合直线方程截距。
步骤四、根据AE传感器接收弹性波时域信号的幅值及到达时间确定钢筋断裂所在侧面,进而根据钢筋断裂所在侧面所在方向选择对应方向侧壁的弹性波P波波速,即选择顺桥方向侧壁波速或横桥向侧壁波速,根据选择的顺桥方向侧壁波速或横桥向侧壁波速以及弹性波时域信号到达时间确定各测点与断裂点P间的距离差。
首先,根据中间截面4个传感器接收弹性波时域信号(如图5所示)的幅值及到达时间进行排序,信号幅值最大前2且到达时间最短前2的2个传感器的连线所在的侧面,就是钢筋断裂所在侧面;否则,选择顺桥向侧面为钢筋断裂所在侧面。
其次,坐标***为:X轴为顺桥方向,Z轴为横桥方向,Y轴为竖向,原点设为传感器设置中间截面的D1处,假定按接收时间最短的D1测点为基准,测量同一侧面上的其他3个传感器(D2,D5,D7)与传感器D1的时间差,选择步骤三求得的对应侧面的波速值Vpn,即可求得各测点与断裂点P间的距离差:
∣PD1∣=Vpn*t1,∣PD2∣=Vpn*t2,
∣PD5∣=Vpn*t5,∣PD7∣=Vpn*t7,
Vpn—顺桥向侧壁波速为Vp1(m/s),横桥向侧壁波速为Vp2(m/s)
t1—D1传感器到达传播时间(s)
t2—D2传感器到达传播时间(s)
t5—D5传感器到达传播时间(s)
t7—D7传感器到达传播时间(s)
于是有:
d21=∣PD2∣-∣PD1∣=Vpn(t2-t1)
d51=∣PD5∣-∣PD1∣=Vpn(t5-t1)
d71=∣PD7∣-∣PD1∣=Vpn(t7-t1)
其中:
d21—AE源P点与传感器D2及传感器D1测点间的距离差(m)
d51—AE源P点与传感器D5及传感器D1测点间的距离差(m)
d71—AE源P点与传感器D7及传感器D1测点间的距离差(m)。
步骤五、根据各测点与断裂点P间的距离差计算出断裂点P的相对空间坐标P(x,y,z)。
x=[(d0-c25d1)(y2-c27y7)-(d0-c27d3)(y2-c25y5)]/[(y2-c27y7)(x2-c25x5)-(x2-c27x7)(y2-c25y5)]
y=[(d0-c25d1)(x2-c27x7)-(d0-c27d3)(x2-c25x5)]/[(y2-c25y5)(x2-c27x7)-(x2-c25x5)(y2-c27y7)]
z={{[d0-(x5x+y5x)]/d21}2-(x2+y2)}1/2
式中:
d0=1/2(x2 2+y2 2+z2 2-d21 2)
d1=1/2(x5 2+y5 2+z5 2-d51 2)
d3=1/2(x7 2+y7 2+z7 2-d71 2)
d21=Vpn(t2-t1)
d51=Vpn(t5-t1)
d71=Vpn(t7-t1)
c25=d21/d51
c27=d21/d71
步骤六、自动定位与显示所有AE源,得到结构体AE源分布图,结合AE弹性波频率分析,如图6中(a)所示的钢筋断裂本身产生弹性波的峰值频率约为142kHz,图6中(b)所示的在混凝土介质中传播随距离增大会损失高频成分,即峰值频率降低为125kHz。通过分析,判断断裂事件AE弹性波的传播特性,总结钢筋断裂的可能原因和类别,划分结构的相对薄弱区,对结构整体稳定性及安全性做出评价。
本发明具有如下有益效果:
1、只需设置8个传感器,即可对预应力钢筋断裂AE事件进行记录分析和定位,本发明根据AE事件在哪一个侧面发生和AE源坐标y值是定位控制因素的特点,将索塔简化为空心矩形竖直塔体,索塔单侧壁弹性波传播按均匀速度、直线路径传播的时差法计算模型,得到的是线性方程组,计算速度快且是唯一解,没有利用非同一侧壁的传感器数据,从而避免了非沿直线路径传播带来的不确定性和定位误差问题;
2、由于索塔横桥向侧壁有斜拉索导管和斜拉索锚固***,其结构与顺桥向侧壁具有不同的结构特点,对顺桥向侧壁和横桥向侧壁选择不同的弹性波波速值参与计算,参与距离-时间方程拟合数据数为:从侧面4个测点中取出2个测点的组合数点,因此所得波速值代表性强,所得定位精度满足监测目的要求;
3、本发明在实际桥梁上,进行了断铅试验和回弹冲击试验,验证了弹性波传播的衰减特性(如图3所示),盲点冲击定位试验,验证了方法的有效性。波速值是实测拟合值,定位公式是理论推导公式,具有断裂定位较准确,定位自动显示速度快,安装传感器数量少、成本低和效率高等优点。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤一、AE传感器设置:将选定的AE传感器设置在斜拉桥索塔锚固区矩形空心截面内侧的混凝土表面上,在索塔锚固区高度1/4位置、1/2位置和3/4位置各设置2个、4个和2个传感器以使4个侧面平面上都分布有4个AE传感器,所有AE传感器通过主机与电脑连接,所述主机用于对AE传感器接收的声发射信号进行采集;
步骤二、设定主机的声发射监测参数:通过电脑设置主机采集信号频段范围为20kHz-1MHz,采样率为10MSPS,以及门槛阈值为30dB-35dB;
步骤三、确定钢筋断裂AE弹性波在结构体中传播速度:选择索塔顺桥方向侧壁和横桥方向侧壁分别进行弹性波传播速度拟合,在监测***开始时和没有现场钢筋断裂监测数据时,使用冲击锤冲击混凝土表面模拟钢筋断裂产生的弹性波,利用顺桥方向侧面和横桥方向侧面布置的4个AE传感器接收到达的时间差,以及已知冲击点与AE传感器间的距离及距离差,得到弹性波传播的距离-时间拟合方程,拟合直线的斜率即得到顺桥方向侧壁和横桥方向侧壁的弹性波波速值;
步骤四、根据AE传感器接收弹性波时域信号的幅值及到达时间确定筋断裂所在侧面,进而根据筋断裂所在侧面所在方向选择顺桥方向侧壁波速或横桥向侧壁波速,根据选择的顺桥方向侧壁波速或横桥向侧壁波速以及弹性波时域信号到达时间确定各测点与断裂点P间的距离差;
步骤五、根据各测点与断裂点P间的距离差计算出断裂点P的相对空间坐标P(x,y,z)。
2.如权利要求1所述的斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法,其特征在于:步骤一中AE传感器设置具体为:在1/2截面位置布置4个传感器,分别布置在内侧4个角点处,1/4截面位置和3/4截面位置分别布置在对角线角点上,且1/4位置和3/4位置的AE传感器呈对角线交叉布置。
3.如权利要求1所述的斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法,其特征在于:步骤三中,索塔顺桥向侧壁的弹性波传播的距离-时间拟合方程为:dij=Vp1·Δtij+b1,其中,dij为冲击点至编号为i和j的传感器间的弹性波传播距离差,Vp1为顺桥向侧壁的弹性波P波波速,简称顺桥向侧壁波速,Δtij为冲击点至传感器编号为i和j间的弹性波传播时间差,b1为拟合直线方程截距;
索塔横桥向侧壁的弹性波传播的距离-时间拟合方程为:dpq=Vp2·Δtpq+b2,其中,dpq为冲击点至传感器编号为p和q间的弹性波传播距离差,Vp2为索塔横桥向侧壁的弹性波P波波速,简称横桥向侧壁波速,Δtpq为传感器编号为p和q的弹性波传播时间差,b2为拟合直线方程截距。
4.如权利要求3所述的斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法,其特征在于:步骤四具体包括:
首先,根据中间截面4个传感器接收弹性波时域信号的幅值及到达时间进行排序,信号幅值最大前2且到达时间最短前2的2个传感器的连线所在的侧面,确定为钢筋断裂所在侧面;否则,选择顺桥向侧面为钢筋断裂所在侧面;
其次,坐标***为:X轴为顺桥方向,Z轴为横桥方向,Y轴为竖向,原点设为传感器设置中间截面的传感器D1处,假定按接收时间最短的D1测点为基准,测量同一侧面上的其他3个传感器D2、D5和D7与传感器D1的时间差,选择步骤三求得的对应侧面的波速值Vpn,即求得各测点与断裂点P间的距离差:
d21=∣PD2∣-∣PD1∣=Vpn(t2-t1)
d51=∣PD5∣-∣PD1∣=Vpn(t5-t1)
d71=∣PD7∣-∣PD1∣=Vpn(t7-t1)
其中:
d21—AE源P点与传感器D2及传感器D1测点间的距离差(m);
d51—AE源P点与传感器D5及传感器D1测点间的距离差(m);
d71—AE源P点与传感器D7及传感器D1测点间的距离差(m);
∣PD1∣=Vpn*t1,∣PD2∣=Vpn*t2,
∣PD5∣=Vpn*t5,∣PD7∣=Vpn*t7,
Vpn—顺桥向侧壁波速为Vp1(m/s),横桥向侧壁波速为Vp2(m/s);
t1—D1传感器到达传播时间(s);
t2—D2传感器到达传播时间(s);
t5—D5传感器到达传播时间(s);
t7—D7传感器到达传播时间(s)。
5.如权利要求4所述的斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法,其特征在于:步骤五中根据各测点与断裂点P间的距离差,进而计算出断裂点P的相对空间坐标P(x,y,z),具体为:
x=[(d0-c25d1)(y2-c27y7)-(d0-c27d3)(y2-c25y5)]/[(y2-c27y7)(x2-c25x5)-(x2-c27x7)(y2-c25y5)]
y=[(d0-c25d1)(x2-c27x7)-(d0-c27d3)(x2-c25x5)]/[(y2-c25y5)(x2-c27x7)-(x2-c25x5)(y2-c27y7)]
z={{[d0-(x5x+y5x)]/d21}2-(x2+y2)}1/2
式中:
d0=1/2(x2 2+y2 2+z2 2-d21 2)
d1=1/2(x5 2+y5 2+z5 2-d51 2)
d3=1/2(x7 2+y7 2+z7 2-d71 2)
d21=Vpn(t2-t1)
d51=Vpn(t5-t1)
d71=Vpn(t7-t1)
c25=d21/d51
c27=d21/d71。
6.如权利要求1所述的斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测方法,其特征在于:还包括步骤六、在电脑上自动定位与显示所有断裂点P,得到结构体断裂点P分布图,结合AE弹性波频率分析,总结钢筋断裂的可能原因和类别,划分结构的相对薄弱区,对结构整体稳定性及安全性做出评价。
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