（固体力学专业论文）梁板式基础转换结构的预应力检测技术分析.pdf

摘要 本文以梁板式基础转换结构为分析对象，论述了预应力工程检测的作用和意 义，围绕预应力作用及结构应力和变形响应的施工期检测技术展开了研究。 论文中重点探讨了预应力力值计量、钢筋和混凝土内部应力以及预应力反拱 位移的测试方法与技术。对预应力传感器和振眩式钢筋计的工作原理和研制关键 技术作了充分讨论。从理论上分析了内埋式应变计与混凝土的变形协调关系。运 用三种测试方法确保了反拱位移的成功量测，特别是在现代光测力学数字散斑相 关原理分析的基础上，首次将该远距离光学计量技术应用于结构工程现场测试， 为众多工程中的位移( 变形) 测量提供了一种高技术含量的新技术。 对某重点工程梁板式基础结构进行施工检测，作者所研究的综合试验方法在 预应力结构分析中起到了全面的揭示和评估作用 关键词：梁板武基础转换结构；力值计量；预应力响应；振弦应变计；反拱度 数字散斑相关方法 a b s t r a c t i nt h et h e s is ，i tisd is c u ss e d ，t h ee f f e c to fp r e s tr e ss e dm e a s u r e & l e n t b a s e do i lt h eb e a m - s l a bt r a n s f e rc a d r e ，m u c ha p p ll c a t i o nt e c h n o l o g i c a lh a s d o n e0 1 1 【h ed e t e c t i o no f p r e s tr e ss e df o r c e a n dt h er e s p e n s e t e s to f s t u c t u r a ls t r e ssa n dd e f o r m a t i o n m a n ym e t h o d sa n ds k i i l sh a v eb e e np r o b e di n t ot h es u r v e yo fp r o s t r e ss e d f o r c ev a l u e ，r e i n f o r c e m e n ts t r e s s ，c o n c r e t es t r a i na n di n v e r t e dc a m b e r i nt h ep a p e r t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt h ek e ym a n u f a c t u r et e c h n i q u e o f p r e s t r e ss e a s e n s o rsa n d v i b r a t i n gs t r i n g e x t e n s o m e t e rh a v eb e e n a p p r o a c h e d t h ec o m p a t i m es t a t eo fd e f n r m a t i o nb e t w e e nb u r i e ds t r a i n g a u g ea n dc e n t r e t eisa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h r e et e s t i n gs k i l l sh a v e b e e nu s e dt od e t e c tt h ei n v e r t e dc a m b e rs u c c e s s f u l l y ，e s p e c i a l l y t h e d is t a n to p t i c a lm e a s u r e m e n ta p p l i e dt ot h ec o n s t r u c t i o n a l e n g i n e e r i n g f i e l d t e s t i n gi n n o v a t i v e l y ，w h i c hb a s e s u p o n t h e p r i n c i p l eo fd i g i t a l s p e c k l ec o r r e l a t i o n ，a n d i tisa h i g ha n dn e wt e c h n o l o g yf o rm e a s u r i n g c o n s t r u g t i 0 1 1 8 , ld is p l a c e m e n t t h ee x p e ri m e n t a lm e t h o d ss t u d l e di nt h ee s s a yh a v ep l a y e dag r e a tr e l e i nd is c l o s u r ea n de v a l u a t i o nf o rc o n s t y u c t i o n a lm e a s u l i n gi nt h em a j o r p r o j e c t m e n ti o n e da b o v e k e y w o r d ：b e a m s l a b tr a n s f e rc a d r e ；m e a s u r e m e n to ff o r c ev a l u e ；p r e s tr e ss e d r e s p o n s e ；v ib r al i n g s tr i n g e x t e n s o m e t e r ；i n v e r t e dc a m b e r ；d i g i t a ls p e c k l e c o r r e l a ti o nm e t h o d i f i 江大学硪士论文( 2 0 0 3 ) 第一章绪论 早在1 9 世纪后期，就有不少学者提出了对混凝土施加预应力的设想。但预 应力混凝土进入实际应用，却是约在上个世纪3 0 年代研制出较高强度的钢材、 锚具并对混凝土的收缩、徐变及其对预应力效应的影响有比较充分的认识后才开 始的。 二十多年来，我国在预应力材料、张锚体系、设备、工艺和计算理论以及工 程中的应用取得了长足的发展与进步。而对验证设计理论、检验工程质量、施工 工艺优化有重要意义的现场测试技术亦于近些年问在一些重大或新型工程中起 步发展，相关的实验方法研究与改进，成为力学学科和工程应用双重的紧迫需求。 本文将以作者在论文期间参工程实践与研究的杭州市某医院综会大楼的预 应力基础施工检测项目为研究背景，对梁板式转换结构的现场张拉检测技术进行 了比较全面的讨论和分析。 1 1 预应力技术概述 1 1 1预应力混凝土原理f 1 4 l 普通钢筋混凝土在承受荷载时的应力场由结构形式、荷载大小及作用方式所 确定。一方面，混凝土的低抗拉性使大多数普通钢筋混凝土在带裂缝状态下工作， 裂缝造成了混凝土受拉能力的进一步下降、削弱结构刚度；另一方面，内部钢筋 的暴露锈蚀将严重危及结构的使用寿命，为了维持结构在设计荷载下安全工作 ( 包括不允许于j ：裂或控制裂缝宽度) ，唯有增加构件的截面尺寸或加大钢筋用量。 显然这既不经济同时也必然会增加结构的自重和空间尺寸，从而限制了普通钢筋 混凝土结构的使用范围。 之后发展起来的预应力混凝土技术已从根本上克服了上述的弊病。其力学机 理即为古老而经典的应力叠加原理。 关于预应力混凝土的定义。通常认为，“预应力混凝土是根据需要而预先引 塑堑查兰堡主堡苎；! ! ! ! ! ! 一 入某种量值与分价的内应力。以局部或全部抵销使用荷载应力的一种混凝土列”。 1 1 2 预应力混凝土特点与分类 预应力不仅可以控制结构使用阶段的性能，而且还能充分利用高强材料的潜 能，可以大大节约钢材用量，并减少截面尺寸与混凝土甩量，具有显著的经济效 益1 。如果在受拉构件中采用预应力，则可以避免裂缝的出现或降低高荷载水平 时的裂缝宽度，同时使用荷载下的挠度也可得到控制。可见，预应力混凝土技术 在建造大( 大跨度、大空闯建筑) 、高( 高层建筑、高耸建筑) 、重( 重荷载、重 型结构、转换层结构【5 】) 、特( 特种结构，如水池、电视塔f 6 j 、安全壳f 7 】) 等建筑 与工程结构物领域具有十分重要的意义。 设应力混凝土结构，根据其工艺、预斑力度嘲、体系以及构造特点等，可以 有多种分类方式： 根据其预应力施加工艺可分为先张法【9 1o 】与后张法i m l 4 1 两类。其中先张法更 多的是使用于固定性的预制工厂，而对于吊装、运输不便韵大型构件则宜用后张 法现场施工。 按照预应力度的不同可划分为全预应力【1 5 1 6 1 与部分预应力 1 7 - 2 0 。我国又将 部分预应力混凝土结构分为a 类和b 类f 2 l 】。部分预应力混凝土构件按结构承载 需要适度调制预压压力，为预应力设计提供了很大的空问，广为结构工程师所采 用。 此外，按预应力体系的形式又可划分为体内预应力、体外预应力【2 2 】、有稿 结f 2 3 】与无粘结f 2 4 埘1 预应力、预拉应力以及预弯应力等。 1 1 。3 国内外预应力技术进展 尽管美国工程师杰克逊( p h j a c k s o n ) 及德 - f 程师道克林( c e w d o c h r i n g ) 分别于1 8 8 6 年和1 8 8 8 年已把预应力应用于混凝土结构。但直到法国工程师弗莱 希奈( e f r e y s s i n e t ) 在1 9 2 8 年首先将高强钢材和高强混凝土成功应用于预应力 混凝土之后，预应力混凝土技术才进入实用阶段。德国的霍友( e h o y e r ) 、比利 时的麦尼尔( g m a g n e l ) 等许多学者的研究与发明，推动了张拉工艺、张拉体 系等预应力应用技术不断取得发展。 2 浙江大学硕十论文( 2 0 0 3 ) 预应力泓掀上的人监推广应用始于二战后的重建工程。战争对工欧洲的工 业、交通、城市建设造成了巨大破坏，亟待恢复和重建，而钢材供应异常紧张， 一些原来采用钢结构的工程，纷纷改用预应力混凝土结构。应用范围也从桥梁和 工业厂房扩大到土木、建筑工程的各个领域。2 0 世纪5 0 年代起，美国、加拿大、 日本、澳大利亚等国也开始推广预应力混凝土，并在技术上进行了系统的研究。 经过数十年的发展，预应力混凝土的设计理论、施工工艺等都取得了长足的进展， 并出台了许多相应的规范、规定，有效地指导了预应力工程实践。 我国的预应力技术研究与应用晚于国外。随着高层建筑、大跨度桥梁、厂房 等工程的发展，大力发展预应力技术已成为现代建筑结构改革的主流技术方向和 重要的技术手段。我国非常重视预应力技术的发展与应用，建设部、国家科技部 等部门都已明确把大力发展预应力技术列入国家“九五”及2 0 1 0 年发展纲要的 新技术推广项目。经过多年的研究与应用，我国预应力技术取得了很大的进展， 在结构基本性能系统研究及配套施工工艺研究，生产设备和机具研制，以及相关 规范、规定等方面逐步与国际接轨。目前，预应力技术已广泛应用于建造各种类 型的多层、高层建筑、多层工业厂房、停车库、储仓、工程加固和桥梁工程等。 具有代表性的建筑有：广州国际大厦( 6 3 层，高2 0 0 m ) 【2 6 1 、珠海金山大厦( 4 8 层，高1 4 8 m ) 【2 ”、钱塘江二桥( 公路、铁路两用) 、山东胜利炼油厂设备基础 ( 用无粘结筋进行加固) 、武汉长江大桥( 主跨4 0 0 m ) 等等。 1 2 预应力施工检测的目的和意义 事实上，在土木工程的研究、设计、建设和使用中，为了验证设计理论、选 定设计方案、检验工程质量和分析使用中存在的问题，都必须进行各种室内的以 及现场的试验。工程测试技术作为实验科学的一部分，是实现上述目的的基本手 段。因此，预应力工程测试技术的研究与应用是预应力混凝土技术的重要组成部 分之一。 在预应力施工中，实时监测预应力张拉过程，对于预应力控制、体现设计对 预应力的要求具有重要的作用。设计人员可根据规范进行预应力设计，但结构实 际的预应力损失规律只有通过现场测试才能进行分析。 塑坚查兰堡：! 堡苎! ! ! 里! 预应力结构承受设计荷载的力学响应是非常复杂的，结合测试数据综合分析 预应力作用下结构的应力和变形规律，对揭示其工作性能尤其重要。 然而，预应力测试技术是一门跨学科的专业技术，是力学量计量与检测技术 在工程结构测试中的综合应用，如何根据预应力检测要求，开发或研制先进的测 试系统，将科技含量较高的测试手段引入到工程现场测试，是预应力检测必须而 对的一个重要问题。 目前，在一些重大或新型结构中的预应力检测还处在起步发展阶段，相关的 实验方法和技术亟待进一步研究与改进。鉴于现场检测技术的研究对力学学科发 展和工程应用的双重作用，本文将以某预应力基础转换结构为工程分析对象，对 预应力检测技术展开研究。 1 3 工程对象简析 杭州市某医院综合大楼的裙楼为6 层框架结构。由于场地特殊，为跨越已有 的地下人防通道而在桩基间的联接梁上采用了预应力技术，以承托上部剪力墙或 剪力柱，从而形成了预应力基础转换梁的结构形式。根据结构设计需要，共采用 了9 支预应力基础转换梁，各梁的梁长和截面尺寸见表1 1 。梁y k l i y k l 4 内 配置2 束9 0 1 5 和3 束1 2 0 j 1 5 超高强低松弛钢绞线，其余5 支梁都只配置3 束 9 0 1 5 超高强低松弛钢绞线。钢绞线的抗拉强度标准值为厶。= 1 8 6 0 n m m 2 ，张 拉控制应力为口。= 0 7 x k = 1 3 0 2 n m m 2 。采用分批张拉，并采取逐步补强措 施。普通钢筋的配置在梁顶均取1 6 0 2 5 ，梁y k l l y k l 4 的梁底非预应力主筋 取3 0 0 2 5 ，其余梁则取2 8 0 2 5 。混凝土的强度等级为c 4 ，。采用后张有粘结预应 力施工工艺，预应力筋的孔道在大梁钢筋骨架绑扎就位后即将金属波纹管随之绑 扎就位而形成直线布筋形式。波纹管的内径根据o v m l 5 系列配套选取。预应力 筋在混凝土浇筑后逐根穿入。张拉设备采用y c w 2 5 0 型千斤顶，并配套使用 z b 4 5 0 0 型电动油泵以及工具锚。灌浆设备采用u b j 2 型灰浆泵。为了平整基而 并联接各梁，在工地基础上铺设了1 0 0 m m 板厚的普通钢筋混凝土，从而构成了 下梁平板体系基础结构( 图1 1 ) 。 这种结构的特点是梁板联合承载，增加了转换梁的刚度，提高了承载能力。 浙江大学硕：l ：论文( 2 0 0 3 ) 表i - i梁板式基础预应力梁尺寸及锚孔数 梁号i k z l i i y k l liy k l 2 i y k l 3ly k i a l y k l 5ly k l 6iy k l 7ik z l 2 3 4 0 0 f1 4 5 0 0f1 2 5 0 0fi 1 0 0 0f1 0 5 0 0t1 6 0 0 0f1 4 0 0 0f1 2 0 0 0f1 0 0 0 0 梁间距 ( m m ) 孔数13 - 9 巾j 1 5l 2 - 9 巾j 1 5 + 3 1 2 巾l s l3 - 9 中j 1 5 g l i 1 t 1 1 1 1 1 1 t , 。 0 ，i ，、。i 。q ； ， 多 ， ， ! ， ；蛳ip 肇、p ， ， ； i i， ， p9) p i t ，； f ， i 口 一 3 - 1 静jf ”夕 麓一 卫p d 一 7 己l 正勤 图1 - 1 梁板结构示意图 基础转换层作为整个裙楼结构的重要承载构件，设计要求进行预应力施工期 的检测，重点一是预应力的力值计量和预应力损失分析；二是结构的应力与变形 两个方面的预应力响应，进而从根本上实现施工工艺和质量监控。 1 4 本文主要工作 本文是梁板式基础转换结构预应力施工检测技术的一次探索性研究与应用， 主要工作如下： 1 、结合工程对象，制定预应力施- r j 9 l t l 试方案。 2 、分析张拉控制应力对预应力混凝土结构作用效应，研制适配的专用预应力传 浙江大学硕： 论文( 2 0 0 3 ) 感器z m s j i i 1 8 0 0 k n 及z m s i 2 5 0 0 七。 3 、研究非预应力钢筋和混凝土内部应力测量的特殊技术。在振弦测量技术及内 埋应变计对混凝土应力检测中的加强效应方面提出了自己的观点。 4 、通过技术探讨，用三种测试方法实现了预应力结构的精确测量，特别是首次 将远距离数字散斑相关测试方法引入现场结构工程测量，有一定的开拓意义。 5 、通过实验力学技术与方法的综合分析和研究实践，为改进预应力工程现场测 试技术、全面评估结构性能提交了阶段性的成果。 塑兰奎兰塑主鲨兰! ! ! 里! 第二章预应力力值的施工检测与损失分析 有效预应力张拉是否到位，对结构承载性能有较大的影响。为合理地确定张 拉控制应力，并对实际预应力损失作准确的评估。在分析了张拉力对预应力混凝 土结构影响的基础上，本章着重讨论了预瘦力检测的力值计量技术并以预应力 传感器为测力元件进行了工程实测分析。 2 1 张拉控制应力对预应力混凝结构的影响 预应力张拉是预应力施工中的重要环节。预应力张拉涉及到预应力筋伸长 值、张拉力的锚固损失、孔道摩擦损失、应力松弛损失、混凝土弹性压缩损失、 混凝土收缩、徐变损失以及温度的影响，是一个复杂的力的传递和分配过程。预 应力效果取决于在预应力混凝土中建立的有效预应力。而有效预应力的建立又通 过预应力筋的张拉力实现。混凝土结构工程施工及验收规范g b 5 0 2 0 4 9 2 ( 以 下简称施工规范) 第6 3 3 条规定：预应力筋的张拉控制应力应符合设计要求。 控制应力的数值影响预应力的效果。控制应力高，建立的预应力值则大，但是控 制应力过大，预应力筋处于高应力状态，使构件出现裂缝的荷载与破坏荷载接近， 裂缝出现后。其宽度发展较快，有的甚至裂缝刚出现就与构件同时折断，破坏前 没有明显的征兆：此外，还可能造成构件反拱过大或预拉区出现裂缝，这是很危 险的。麓工规范第6 3 3 条规定，当施工中预应力筋需要超张拉时，可比设计 要求提高5 。同时给出了各种钢筋、钢丝及钢绞线的最大张拉控制应力允许值。 另一方面，张拉控制应力越低，混凝土构件中建立的有效预压应力就越小，也就 是说有效预压应力并未真正在混凝土构件的受拉区中建立起来，那么构件就有可 能过早出现裂缝，从而不能真正发挥混凝土结构的特点，这是不安全的2 8 1 。 钢筋中的预应力，出于材料性能、施工因素以及环境条件的影响，将会引起 预应力损失，实际损失值大于或小于计算值，这对结构的承载能力影晌较小，但 影响到使用荷载下的性能( 比如反拱、变形、开裂荷载等) ：在使用荷载下，过 高或过低估计预应力损失都是不利的。因此，钢筋应力损失的计算与实测对张拉 控制具有很重要的意义。同时，对不同锚具、不同的施工方法，可能还存在其他 翌坚查兰塑主笙壅! ! ! 竺! 一 预应力损失，需要根据具体条件决定是否考虑其影响。然而，规范中所给定的公 式比较单一，难以适用于多样化的施工条件。 传统预应力张拉工艺往往是根据设计中通过对各项预应力损失的估算值确 定的张拉控制应力或者按照以往的施工经验而确定的张拉控制应力进行张拉控 制。张拉过程中直接采用张拉机具并由压力表读数控制张拉力，一旦张拉完毕， 撒掉张拉机具后张拉力的变化就无从知道了。目前的张拉机具普遍存在压力表读 数不确定、油压表控制误差过大等问题，很难保证预应力张拉精度。预应力张拉 精度是预应力结构安全与正常运行的首要条件，预应力张拉精度失控造成预应力 结构失效、破坏以及生命财产损失的事故时有发生。 因此，在施工中如果遇到实际产生的预应力损失与设计值不一致等情况，应 调整张拉力。如何根据实际施工条件，合理地确定张拉控制应力，提高预应力张 拉精度，并对整个张拉过程进行精确地控制是预应力混凝土旌工过程中迫切需要 解决的问题。 2 2 预应力传感器 用于预应力值计量的传感器，是预应力锚固工程、预应力桥梁工程、预应力 混凝土工程等领域迸行预应力监测、研究与试验必不可少的测量用传感器，但因 其荷载大、使用环境复杂以及较高的精度要求而需专门设计。 2 2 ，i 设计技术要点 当前大多数预应力工程采用的是锚索体系结构，其预应力传感器的设计指 导思想，我们认为主要有以下几点： ( 1 ) 良好的自然线性；( 2 ) 抗侧向能力强、结构简单、易于加工和密封： ( 3 ) 较高的输出灵敏度；( 4 ) 稳定性好，能够适应室外长期监测的恶劣环境。 显然，具有良好工作特性的预应力传感器，对于精确控制预应力的张拉施工 将有重要的指导意义。下面结合工程研究背景，探讨预应力传感器的设计技术要 点。 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) ( 一) 弹性休材料的选择 弹性体材料作为传感器的“第一变换环节”，其所用材料的许多性能对传感 器的应力变形的变化特性将产生影响 2 9 】，所以在选择弹性体材料时，应注意以 下几点：( 1 ) 只有在材料具有较高的弹性模量，且在外力作用下保持恒定不变， 才能保证传感器可获得较大的变换效率( 灵敏度较高) 以及良好的线性。( 2 ) 除 了要求材料具有较高的比例极限强度外，还应具有较高的屈服强度，从而可以提 高弹性体的安全超载能力。( 3 ) 弹性模量分散性小，以保证传感器性能的一致 性。( 4 ) 应具有优良的热处理、加工与焊接性能。( 5 ) 弹模温度系数应尽量小， 以保持材料弹性的热恒定性。 锚索预应力传感器对弹性体材料的主要要求是要有较高的机械强度和弹性 极限，用4 0 c r 钢制作弹性元件已可满足性价比的要求。 ( 二) 弹性体的设计及其：o n - ) - 与热处理 锚索预应力传感器要求弹性体是中空的。圆筒式结构简单、易于加工，在相 同体积下可承受较大的应力，被广泛应用于大、中量程的传感器。只要在布片、 接桥和补偿技术上优化方案，完全可以胜任现场预应力值计量用传感器的精度要 求。 锚索预应力传感器弹性体以穿心式圆筒端面承压，图2 1 中圆筒外径为d ， 内径为d ，在张拉力p 的作用下，由内力分析可得： 肚、( 忑4 p ) + 口2 c z 川 式中，s 为弹性体轴向应变；e 为材料弹性模量。 图2 - 1 传感器弹性体示意图 浙江大学硕l = 论文( 2 0 0 3 ) 根据锚具尺寸，考虑内径与所穿越的钢丝束之问的匹配，试选弹性体的内径 为d 。额定量程的轴向应变取9 0 0 # 6 ，并将所选钢材的弹性模量代入式( 2 2 一1 ) 中。即可求得弹性体的外径d 。此时圆筒两端的截面尺寸应同时考虑锚具的同心 嵌入以及构件与梁端部承压板管口的配合。确定弹性体高度h 时应注意在锚索 预应力作用下应变计工作区域的应变场尽可能为单向性，故至少要大于d ； 然而受结构附加空间的制约，高度不宜过大。通常取高径为1 2 1 5 。 需要注意的是，对于采用有粘结后张预应力技术的工朽! ，为便于结构张拉后 孑l 道灌浆时的内腔排气，防止钢绞线年久锈蚀，通常还需要在弹性体的径向开设 一个横向螺孔。一般取m 1 2 。但要求开孔位置既不能影响应变计的正常工作， 11 、 也不能离端部太近，一般开设于距端部i 三旧处。 43 根据图2 1 粗加工成型后。为使弹性体具有稳定的弹性和较低的蠕变，要求 进行调质热处理，调节硬度至h r c 3 0 h r c 4 5 ，使之与锚具匹配。然后经精加 工后再回火( 空气炉内加热至5 0 0 c ，保温2 矗，空冷) 去应力处理。此外，需 进行时效处理。以提高传感器的重复性精度。 ( 三) 应变计的选择、组桥及补偿 在使用电阻应变计测量构件的应力应变时，应根据试验条件和要求选用合适 的电阻应变计a 当用电阻应变计与弹性体制作传感器时，需注意以下几点要求： ( 1 实际上，人们往往更关心应变计与弹性体粘贴一起而表现出来的综合性能， 比如蠕变匹配问题、刚度适应问题以及温度效应的互补问题等。因此，应选择与 弹性体某些特性相匹配的应变计。 ( 2 ) 由于弹性体最大应变区大小与形状的限制，应选择与弹性体粘贴部位的结 构形状相适应的应变计。 ( 3 ) 虽然现代补偿技术可以使每个传感器的特性一致，但这毕竟费时也花钱。 所以，应变计从选材开始都应尽量保证其参数的一致性，馊其分散性最小化。 ( 4 ) 为减少许多应变计粘贴过程中容易出现的错误，提高应变电桥的可靠性， 可考虑设计专用的应变计。如此一来，既可以使应变计更好地与弹性体的应变灵 敏度相适应，而且还可以减少线路中的焊接点，简化线路，有时甚至可以把多个 塑坚查兰堡：! 堡奎! ! ! 塑! 应变计与辅助调整元件集中在一起，从而可以提高线路的整体性以及特性的归一 化。 一旦传感器用于测量领域后，对应变计的各种性能要求也就越来越高。应变 计的尺寸、形状、材料性能等会影响到滞后、疲劳寿命、蠕变以及其他性能的因 素，均应给予高度的重视并设法加以改善。尤其要注意应变计与弹性体的性能匹 配问题，以提高其综合性能。 由于预应力传感器的外形尺寸较大，为了消除受力不均的影响，通常采用8 片应变计对称布置，组成全桥( 图2 2 ) 。其指示应变为： = 2 ( 1 + ) 寺 2 2 - 2 ) 式中。口为泊松比；a 为圆筒截砸积。 图2 - 2 弹性体的布片、组桥方案 为了保持传感器能长期稳定、精确地工作，需进行电路补偿，比如初始不平 衡补偿、温度补偿和输出灵敏度系数调整等。图中如为灵敏度归一化电阻，将 其串联于桥源回路，选择不同阻值以调制因各传感器电桥内阻不同而导致输入端 电压的差异，同一输出灵敏度。月，为零点温度补偿电阻，采用热敏电阻丝，由 分级恒温试验确定阻值，用以消除因温度变化而带来的热输出。实验表明，该温 度补偿最大可达8 0 ( 2 ，使我们设计的预应力传感器可胜任1 0 5 5 的现场恶劣 温度环境。 塑翌茎兰堡兰堡墨! ! 塑! l 一 ( 四) 传感器的密封 由于锚索预应力传感器的工作环境恶劣，其密封、防潮性能和防腐蚀性能将 直接影响传感器的使用寿命。鉴于此，传感器外壳须涂抹防潮剂或密封胶。 根据上述传感器设计思路及技术要点，我们以4 0 c r 为弹性体材料，适应锚 具o v m l 5 9 及o v m l 5 1 2 的尺寸要求，采用b h f ：3 5 0 - 3 b b 低徐变、高精度的 传感器专用应变计以及黄岩l 撑高温固化应变胶，经按上述方法加工以及热处理 后，制成了预应力传感器办舔一h i 1 8 0 0 k n 及z m s - i v 2 5 0 0 k n 。其中传感器 z m s i i i ，1 l o o k n 的弹性体内径取为d = 1 5 r a m ，处径口= 1 6 5 r a m ，而高度取为 h ：2 0 0 r a m ；传感器z m s i v l 2 5 0 0 k n 的弹性体内径取为d = 1 5 0 m m ，外径 d ：2 2 5 川m 。而高度取为曰= 2 7 5 m m 。预应力传感器将长期处于潮湿钓工 乍状 态下，为保证传感器的正常使用，用环氧树脂防潮夯4 对传感器作进一步封固。 2 2 2 计量标定 表2 - 1预应力传感嚣z m s - i i i - 1 8 0 0 标定数据 标准测力仪 静态电阻应变仪读数( 肛) 指示值( k q ) 第一次第二次两次平均值 o0o0 2 0 02 1 62 1 32 1 4 4 0 04 3 94 3 74 3 8 7 0 07 8 57 8 17 8 3 1 0 0 0l t 4 21 1 3 8 1 1 4 0 1 2 0 01 3 8 71 3 8 3 1 3 8 5 1 4 0 01 6 3 61 6 3 6 1 6 3 6 1 6 0 01 8 8 41 8 8 1 1 8 8 2 1 8 0 02 1 3 52 1 3 0 2 1 3 2 将我们研制的预应力传感器z m s 一1 1 1 18 0 0 k n 及z m s i v l 2 5 0 0 k n 送山具 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) 有法定计量检测资格的浙江省技术监督检查研究院进行计量标定o 显示仪表用 y j r - s a 型静态电阻应变仪，加载设备为y z 2 0 0 a 型液压式压力试验机，以 q y - 8 9 0 0 c 2 0 0 0 k 标准测力仪为标定基准量器，分级加载。选列预应力传感器 z m s i i i 一2 1 8 0 0 k n 的标定数据如表2 - 1 所示，由此拟合标定曲线( 图2 - 3 ) 。 由图可见荷载应变曲线线性较好。 l _ s t r a i n 夕7 l l h e a rf i to f d a t a l _ s t r a i n ， 一疋 一 彳| 2 3 1 预应力力值计量 图2 - 3 标定曲线 2 。3 实测结果分析 图2 - 4 张拉测试安装示意图 传感器 一 一 一 一 差 。 u i 扫 一塑鋈茎兰堡! ：堡茎! 垫翌上 配合张拉施工，用预应力传感器对各基础转 换梁进行力值计量，按图2 - 4 进行安装 9 1 i 【试，图 2 5 为张拉现场。下面以预应力粱y k l 3 为例作 检测分析( 其余各梁分析类似) 。在梁两端分别 安装了预应力传感器秭然一i 矿一11 2 5 0 0 k j v 和 z m s i v 一2 2 5 0 0 1 d v ，前者固定，后者为活动 端，可取下重复使用。用y j r - 5 型电阻应变仪进 行跟踪记录。将实测数据作福应换算后列为襄 2 1 2 。 如果预应力传感器只在张拉端安装。则可以 图2 - 5 强瘦力传感器张控现场 测出颈应力的锚恩损失姆果在圊定端和张拉端 都安装了预应力传感器，曼4 可以同对测得锚周损失和摩阻损失t 其中摩阻损失值 为张拉控制力时张拉端与固定端之间的荷载之差：锚固损失值为张拉控制力时的 萄载与卸载后的荷载之差。由此可得到实际锚固损失值帮摩阻损失值，如表2 - 2 所示。 表2 - 2y k l 3 粱上预应力传感器的数据 传感器 传感器( i 矿一2 稃，1 2 孔)传感器( i 矿一1 群，1 2 孑l ) 编号 安装 张拉端固定端 方式 摩阻 张拉率应变 载荷载荷差应变载荷载荷差 ( 盘) ( )( 砖( 埘)( 娴嘛)【柳)( 枷 03o0o0 1 02 2 92 2 1 72 2 1 72 1 82 1 0 12 1 0 11 1 ，6 6 01 3 7 41 3 2 3 ，41 0 1 l 。71 3 2 41 2 7 6 21 0 6 6 14 7 、2 1 0 02 3 1 02 2 2 4 5 囝8 4 8 32 2 1 92 1 3 6 58 6 0 38 8 o 卸载 2 1 7 92 1 0 0 2 1 2 4 3 国2 0 7 11 9 6 7 27 4 注；为实测张拉控制力；为锚周损失值：为摩阻损失值， 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) 2 3 ，2 预应力损失汁算3 0 预应力混凝土结构施工及使用过程中，由于张拉工艺和材料特性等原因，都 会发生预应力损失。导致预应力损失的因素很多，而且有些因素还彼此交错影响， 因此计算比较复杂。 对于预应力损失的计算，各国规范的规定大同小异，一般采用分项叠加计算 总损失的方法。全部损失由瞬时损失和长期损失两部分组成。其中，瞬时损失包 括摩阻损失和锚固损失以及混凝土弹性压缩损失。长期损失包括混凝土的收缩、 徐变和预应力钢材的松弛等损失，它们需经过较长时间才能完成。因此，这里将 主要讨论的预应力损失主要是瞬时损失，混凝土的弹性压缩损失由于采用了超张 拉的办法而可不予考虑。 ( )锚固损失 预应力筋张拉到控制应力后，要加以锚固，此时由于锚具变形、垫板之间缝 隙的压紧或钢筋在锚具中有滑移，使得拉紧的钢筋回缩而造成预应力损失。显然， 锚固损失不仅仅是锚具损失，因此两者不可混为一谈。 计算锚固损失时，应根据不同的预应力筋的布筋形式而采用相应的计算公 式。由于本工程采用直线配筋形式，所以在此只对直线筋情况作分析，其他线型 配筋的损失计算可参考相关文献。 直线筋的锚固损失计算可按下面的公式进行计算： o l l = “- - ，e ； ( 2 3 1 ) 式中，d 张拉端锚具变形和钢筋的内缩值卅) 。本工程采用夹片式锚具，故 取4 = 5 r a m ： i - - - 张拉端至固定端之间的距离( m m ) 。对于梁y k l 3 ，* 1 1 0 0 0 m m ； e 预应力筋的弹性模量( 朋朋2 ) 。本工程取用的是低松弛预应力钢绞 线。取e 。= 1 8 x 1 05 n l m m 2 。 ( 二) 摩阻损失 由于施工偏差以及孔道壁粗糙等原因。预应力筋与孔道壁表面的接触会产生 摩擦阻力。孔道为曲线时，摩擦阻力更大。从而使得构件各截面上钢筋的实际预 应力都比张拉端小，且离开张拉端越远，钢筋的拉应力下降得越多。 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) 直线筋的摩阻损火可根据下面的公式进行计算： 一。e 卜古j q 小：， 式中，o c o n - ，张拉控制应力( 棚埘2 ) 。在此取盯。= o 7 1 8 6 0 = 1 3 0 2 n m m 2 k 考虑孔道( 每米) 局部偏差的摩阻损失。对于预埋波纹管的有牯结 钢绞线，取k = o 0 0 1 5 ； x - 从张拉端至计算截面的孔道长度( 以米计算) ，也可近似取作该孔道 在纵轴的投影长度。本工程取工= f 。 因此，预应力损失，在此为第一批预应力损失： o j l = o t l + o 1 2 ( 2 3 3 ) 按照上述公式，分别代入有关参数，即可求得： a r n = 孚e = 上1 1 0 0 0 1 8 1 0 5 = 8 1 8 m p a = 盯一( - 一古) 娟呱( - 一万亲) = s s t 舰 a l l = o i l + ( 7 1 2 = 8 1 8 + 5 6 1 = 1 3 7 9 m p a 2 3 3 对比与分析 出表2 - 2 口j 知： 实测张拉控制应力为： 盯。= = 篇= 1 3 2 4 1 舰 实测锚固损失为： 毋l ：f j l ：1 2 4 3 0 0 ：7 4 0 m p a a ， 1 2 x 1 4 0 锚固损失率为： 罢川帖嵩舢s 吒。 l j 2 4 i 实测摩擦阻力损失为： = 譬= 黑坝。胁 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) 摩n i g h 力损失率为 仉= 罢枷嵩圳帖。肌 实测结果与前面理论计算值的对比列于表2 3 表2 - 3张拉预应力及预应力损失的设计值与实测值的比较 张拉控制应力摩阻损失锚固损失 设计计算值( 卵d ) 1 3 0 2 05 6 18 1 8 现场实测值( a g ) 1 3 2 4 15 2 47 4 2 差值似) 1 76 69 2 由表2 - 2 及表2 3 可见，实测预应力瞬时损失值较计算值低，其中波纹管和 预应力直线筋摩阻较小起了主要作用。实测锚固损失率( 5 6 ) 以及摩阻损失率 ( 4 ，o ) 都在规范可接受的范围内。 灌浆前无粘结状态下的持荷观察，各预应力力值的波动较小( o 5 ) 说 明传感器锚固是可靠、稳定的。 2 4 小结 预应力张拉是预应力结构施工中的重要环节。预应力的效果取决于预应力混 凝土中建立的有效预应力水平。在实际施工条件下，测定张拉控制应力和分析各 项预应力损失，对预应力张拉精度实现有效监控，是预应力工程测试的重要内容。 本章根据工程检测要求研制了专用预应力传感器( z m s i v 一1 2 5 0 0 k n 和 z m s i v 一2 2 5 0 0 k n ) ，具有良好的线性度和稳定性，可以胜任现场预应力值计 量。 监测张拉控制力，并由此得到实测锚固损失值和摩阻损失值，与计算值比较， 对张拉工艺和施工质量作出了有价值的评定。 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) 第三章非预应力钢筋和混凝土内部应力测量的 特殊技术探讨 本章重点探讨了钢筋应力的振弦测试技术，研制了混凝土内埋应变计。此外， 对内埋式应变计与混凝土的变形协调关系作了深入分析。工程实践表明，文中的 测试技术在揭示结构的预应力响应中是相当有效的。 3 1 检测意义及要求 预应力基础转换梁是提高结构承载能力、确保缩构安全的关键性构件，观测 和分析结构内部的应力应变状态，对于提高工程质量、检验结构设计以及为工程 创优服务等都具有重要意义。 事实上，在预应力结构施工中，实际结构应力状态与设计计算理论状态是很 难完全吻合，设计参数( 如材料特性、截面特性、密度、混凝土收缩、徐变参数 等) 的选取和施工状态( 如浇筑时模板、支架等施工荷载以及预应力损失参数等) 的确定都会引起计算误差。虽然有些设计参数误差可以通过计算模型予以处理， 但其模拟程度与实际结构仍存在差别( 有些状态甚至无法模拟) 。因此，对预应 力结构进行应力应变检测，使测试的应力应变更接近于实际结构的真实应力应变 状态，这在预应力结构施工控制中具有非常重要的地位。 在现行设计规范中，预应力混凝土结构的非预应力筋通常是根据抗拉强度进 行设计的，在预加力以及各种恒载、活载作用下，非预应力筋的应力水平和混凝 土的应变状态是衡量结构承载性能的重要依据。 在预应力施工检测中，测量梁板式基础转换结构应力应变状态的钢筋应力计 和混凝土应变计必须满足以下两点基本要求： ( 1 ) 受测试条件制约，所用应变计或应力计必须是内埋式的。 ( 2 )可进行长期远距离观测。 浙江火学硕士论文( 2 0 0 3 ) 3 2 钢筋应力的振弦测试技术 振弦式传感器的测试原理源于2 0 世纪3 0 年代，基于钢弦频率随钢丝张力变 化而工作，适用于应变测量系统。振弦式传感器输出的是频率信号，具有受电参 数影响小、抗干扰能力强、受温度影响小、零点漂移小、性能稳定可靠、耐震动、 寿命长的特点，有利于传输和远程测量。所以，可以获得比较理想的测试效果。 振弦式传感器的这些技术特点非常适用于本工程的钢筋应力测试。振弦式钢筋计 与v w 1 振弦测读仪配套使用，可有效地检测非预应力钢筋的应力及其变化规 律。 3 2 i 振弦效应和基本特性 ( 一) 振弦效应 1234 夕 、 、 、 】 7 ( 鲻 t ) i 一支架；2 受力部件；3 壤弦( 也称锅弦) 4 一电磁激励线圈 图3 1 振弦式传感器工作原理图 如图3 1 所示，振弦式传感器主要由受力应变管( 作为受力部件) 、钢弦、 支架( 或紧固夹头) 、电磁激励线圈( 可以是单线圈的，但目前更多使用的是双 线圈的，一个作为激振线圈，而另一个则为接收线圈) 等组成。工作时开启电源， 线圈带电激励振弦振动，进而振弦在磁场中切割磁力线。所产生的感应电动势由 接收线圈送入放大器放大输出，同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈，保持 振弦的振动，使振弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，然后计量所输出的与 振弦张力有关的频率信号。振弦的这种等幅、连续振动的工作状态，符合柔软无 浙江大学硕上论文( 2 0 0 3 ) 阻尼微振动的条件。 如果以z 表示振弦横向振动的平衡位置，用y 表示振弦作横向振动时偏离平 铂位置的位移，则振弦的自由振动方程可写成： 式中 尘一口z 一0 2 y ：0 8 c z 敏i y l ，：o = 0 y 乙= 0 ( 3 2 - 】 y i , o o = g ) 祟b = 妒g ) 口= 居 ( 3 2 2 ) t 为张拉力：p 为弦的线密厦( 即单位长度所具有的质量) ；z 为弦长( 也叫基长) ； f 为时间；g ) 为弦的初位移：妒0 ) 为弦的初速度。 由分离变量法【3 l 】求解得可能的驻波解为： g ，扣一c o s 罕+ 驯n 孚卜罕 ( 3 _ z - 3 ) 式中，1 2 为任意正常数；爿。，e 为定常系数。 幽式( 3 2 3 ) 可得驻波频率厂为： ，= 旦2 t r = 竺2 n = 署 ( 3 2 - 4 ) 。 2 j 。 显然，波长最长时驻波的频率对应于基频( 疗= 1 ) 。即： ，寺击居= 去居= 刍席( 3 2 - 5 ) 厂2 刍号( 3 2 - 5 a ， 式中，s 为弦的横截面积：p ，= i p ，为弦的体密度；a l 为弦受张拉力后的长度 增量；e 为弦的弹性模量；盯：昱掣，为弦所受的应力。 通常情况下，振弦的质量、1 - 作区间( 即两固定支点间) 的长度、弦的横截 面积、体密度以及弹性模量都是常数，所以弦长的增量与振弦的最长驻波波长的 固有频率存在确定的关系。t b 式( 3 2 5 a ) 可知： 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) 盯。c f 2 ( 3 2 6 ) 未施加外力f 时，振弦按初始应力作稳幅振动，输出初始频率f o ；外力 ( 即被测力一应力或压力) 施加后，受力应变管发生相应的拉仲或压缩，使钢弦 的应力曾加或减少一个盯，此时初始频率也将相应地增加或减少一个，由此 即可得到相应的被测力一应力或压力值等。i i i i ，振弦的内应力变化可表示为： a r = 4 1 2 p 汐2 一厶2 ) ( 3 2 7 ) 式中， 为振弦的初始频率( 胁) ；厂为受力变化后振弦的频率( 胁) 。 若定义占= 孚，。鼬式( 3 2 - 5 a ) 可得： ，= 土2 l f 臣p v ( 3 2 - 8 ) 改写成： 口4 1 2 e , o v 2 ( 3 2 - 8 a ) 令g = 华删 占= q ， 2( 3 2 9 ) 据上述分析知，一般q 为常数，也称为应变计常数。于是对式( 3 2 9 ) 两