本發(fā)明涉及一種長期監(jiān)測PSC結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失的裝置及方法。

背景技術(shù)：

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在使用期間內(nèi)，由于各種不利條件和因素的影響，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的損傷；而造成預(yù)應(yīng)力損失的因素極其復(fù)雜，我們很難甚至不可能準(zhǔn)確地計(jì)算出結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失。因此，對預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行實(shí)時(shí)長期監(jiān)測將變得至關(guān)重要。

通過在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中安裝預(yù)應(yīng)力監(jiān)測傳感器，可以直接獲取現(xiàn)存的預(yù)應(yīng)力，應(yīng)用十分方便。目前，常用的傳感器類型主要有以下幾種:

1)應(yīng)變片法，即在鋼絞線上粘貼應(yīng)變片，從而獲得鋼絞線應(yīng)力的方法。但是由于應(yīng)變片的防護(hù)困難、穩(wěn)定性差，在實(shí)際工程中的應(yīng)用存在很大的制約性。

2)鋼弦式應(yīng)變測量傳感器是通過監(jiān)測混凝土的應(yīng)力應(yīng)變，從而推算預(yù)應(yīng)力筋的損失情況。但是由于混凝土收縮徐變和應(yīng)變測量滯后等的影響，使得其預(yù)測應(yīng)力損失大小的效果并不是太理想。

3)位移傳感器或壓力傳感器，將傳感器安裝在錨具與張拉端之間。分別通過位移傳感器測量預(yù)應(yīng)力筋的伸長量、壓力傳感器測量張拉力。但是這種方法只能側(cè)得張拉端鋼絞線的應(yīng)力，所以得出的預(yù)應(yīng)力損失并不可靠。

4)振弦傳感器，采用振弦式應(yīng)變計(jì)測量混凝土的應(yīng)變，從而推測混凝土的應(yīng)力水平，但這種方法的長期性和可靠性還需進(jìn)行探討。

5)裸光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也十分明顯—脆弱、已損壞、工藝復(fù)雜，成本高昂。

現(xiàn)有的問題：目前對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失的現(xiàn)有的長期監(jiān)測手段主要存在下列問題：1)對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測設(shè)備耐久性不足，橋梁設(shè)計(jì)使用年限為100年，但是監(jiān)測設(shè)備的使用壽命往往只有10-20年，有的甚至更短；2)當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)處于服役期，對預(yù)應(yīng)力監(jiān)測時(shí)，存在對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)損傷問題，否則無法安裝監(jiān)測裝置；3)目前對預(yù)應(yīng)力損失的監(jiān)測方法的智能程度不高而且穩(wěn)定性不足，嚴(yán)重阻礙了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在服役期性能評估；4)現(xiàn)有的監(jiān)測方法獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)受環(huán)境影響嚴(yán)重，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種長期監(jiān)測PSC結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失的裝置及方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種長期監(jiān)測PSC結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失的裝置，在主梁結(jié)構(gòu)的1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8，7/8截面的上層各安裝兩個(gè)PZT壓電陶瓷傳感器，綁扎于預(yù)應(yīng)力筋下表面，每一個(gè)截面上層的兩個(gè)PZT壓電陶瓷傳感器中，一個(gè)沿水平方向安裝，用以記錄預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力以及剪應(yīng)力的變化，另外一個(gè)PZT壓電陶瓷傳感器垂直于水平方向安裝，用以記錄預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力的變化；在主梁結(jié)構(gòu)的1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8，7/8截面的下層各安裝兩個(gè)PZT壓電陶瓷傳感器，綁扎在上緣架立鋼筋下，每一個(gè)截面下層的兩個(gè)PZT壓電陶瓷傳感器中，一個(gè)沿水平方向安裝，用以記錄預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力以及剪應(yīng)力的變化，另外一個(gè)PZT壓電陶瓷傳感器垂直于水平方向安裝，用以記錄預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力的變化；14個(gè)PZT壓電陶瓷傳感器安裝在主梁結(jié)構(gòu)中性軸附近。

所述PZT壓電陶瓷傳感器包括傳感器本體；所述傳感器本體設(shè)置在防水層內(nèi)；所述防水層外設(shè)有保護(hù)層。

所述防水層的材料為環(huán)氧樹脂。

所述保護(hù)層為與預(yù)應(yīng)力混凝土主梁結(jié)構(gòu)同一級配的混凝土外包層。

本發(fā)明還提供了一種長期監(jiān)測PSC結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失的方法，包括以下步驟：

1)橋梁建成時(shí)，設(shè)立基準(zhǔn)初始時(shí)間t0，獲得預(yù)應(yīng)力損失還沒有發(fā)生時(shí)的基準(zhǔn)信號并記錄基準(zhǔn)信號

2)試驗(yàn)分析在土木結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的頻率范圍，即在低頻范圍內(nèi)，驅(qū)動頻率對PZT壓電陶瓷傳感器(1)所受應(yīng)力與輸出電壓關(guān)系的影響分析；開展PZT壓電陶瓷傳感器動態(tài)應(yīng)力傳遞試驗(yàn)，分析PZT壓電陶瓷傳感器(1)制作工藝對其動態(tài)特性的影響，并對理論分析的結(jié)果加以驗(yàn)證；

3)建立主梁結(jié)構(gòu)任意測試截面的上層鋼筋處即下截面、中性軸即中軸線和下層鋼筋處即下截面的應(yīng)力波信號變化與預(yù)應(yīng)力損失之間的關(guān)系表達(dá)式，其中上截面應(yīng)力波信號為下截面的應(yīng)力波信號為中軸線應(yīng)力波信號為式中，N_pretress為預(yù)應(yīng)力張拉引起的軸力；e_prestress為預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)的偏心距；A為任一測試截面的截面面積；I為任一測試截面的慣性矩；M_dead為恒載引起的彎矩；M_dead為車輛荷載引起的彎矩；y₁為預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的力矩；y₂為恒載效應(yīng)的力矩；y₃為車輛荷載效應(yīng)的力矩；

4)獲取初始時(shí)間t0時(shí)刻，沒有發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失時(shí)，主梁結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)力波信號s_t0-h和縱向應(yīng)力波信號s_t0-z，用以標(biāo)定恒載和活載引起的應(yīng)力變化；

5)獲取任意時(shí)間ti主梁結(jié)構(gòu)有預(yù)應(yīng)力損失時(shí)的下截面、中軸線以及上截面的橫向應(yīng)力波信號s_ti-h和縱向應(yīng)力波信號s_ti-z；

6)通過帶通濾波器，利用時(shí)域卷積和小波變換技術(shù)，對下截面、中軸線以及上截面帶有預(yù)應(yīng)力損失的橫向應(yīng)力波信號和縱向應(yīng)力波信號進(jìn)行過濾，去除噪音的影響；

7)將過濾后的下截面、中軸線以及上截面帶有預(yù)應(yīng)力損失的橫向應(yīng)力波信號和縱向應(yīng)力波信號分別與任意測試截面的上層鋼筋處、中性軸、下層鋼筋處無預(yù)應(yīng)力損失獲得的橫向應(yīng)力波信號s_ti-h、縱向應(yīng)力波信號s_ti-z對比分析，校準(zhǔn)下截面、中軸線以及上截面有預(yù)應(yīng)力損失時(shí)的橫向應(yīng)力波與縱向應(yīng)力波的傳播速度；

8)將當(dāng)次測試信號與任意測試截面的上層鋼筋處、中性軸和下層鋼筋處在t0時(shí)刻的基準(zhǔn)信號對比分析，計(jì)算有預(yù)應(yīng)力損失時(shí)的信息的隨距離變化的衰減規(guī)律；

9)對下截面、中軸線以及上截面帶有預(yù)應(yīng)力損失信息的橫向應(yīng)力波信號和縱向應(yīng)力波信號進(jìn)行運(yùn)算處理，得到殘差信號，并對殘差信號進(jìn)行希爾伯特變化，然后對橫向應(yīng)力波信號和縱向應(yīng)力波信號進(jìn)行相關(guān)性和歸一化處理；

10)利用相關(guān)性和歸一化處理后的橫向應(yīng)力波信號和縱向應(yīng)力波信號計(jì)算主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部任意關(guān)心位置的預(yù)應(yīng)力損失值，重復(fù)步驟1)～步驟9)，以得到相應(yīng)關(guān)心位置的預(yù)應(yīng)力變化信息。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明用長方形PZT智能骨料嵌入混凝土中長期監(jiān)測預(yù)應(yīng)力混凝土主梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失情況，通過將智能骨料傳感器嵌入混凝土中，將骨料作為傳感器和驅(qū)動器，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失時(shí)，應(yīng)力波傳播的信號發(fā)生變化，通過與標(biāo)定信息對比分析以及理論分析對比研究，利用信號識別技術(shù)，結(jié)合傅里葉變換處理技術(shù)?？梢缘玫筋A(yù)應(yīng)力損失發(fā)生時(shí)間以及預(yù)應(yīng)力損失的大小等信息，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)評估提供數(shù)據(jù)支持。

附圖說明

圖1為長方形PZT智能骨料傳感器；

圖2新建橋梁1片主梁結(jié)構(gòu)傳感器的布置；

圖3測試信號連接圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及制作嵌入式長方形PZT壓電智能骨料傳感器(傳感器本體)1，將長方形PZT壓電陶瓷傳感器1用防水層11和保護(hù)層12包好，如圖1，在壓電陶瓷傳感器1上涂抹一層環(huán)氧樹脂防水層，用以絕緣和粘結(jié)外包層。在防水層外再包一層與預(yù)應(yīng)力混凝土主梁結(jié)構(gòu)同一級配的混凝土外包層，起到防止傳感器在結(jié)構(gòu)內(nèi)部被壓碎或者拉斷，起到保護(hù)傳感器的作用。

42個(gè)裝配式PZT壓電智能傳感器的安裝。在新建預(yù)應(yīng)力主梁結(jié)構(gòu)4施工過程中，每一個(gè)截面上層各2個(gè)傳感器，7個(gè)截面，共計(jì)14個(gè)傳感器綁扎于預(yù)應(yīng)力筋5下表面，一個(gè)沿水平方向，另一個(gè)沿縱向安裝，以保護(hù)在混凝土澆注過程中遭受破壞；每一個(gè)截面下層各2個(gè)傳感器，7個(gè)截面，共計(jì)14個(gè)壓電智能傳感器綁扎在上緣架立鋼筋6下面，一個(gè)沿水平方向，另一個(gè)沿縱向安裝；14個(gè)壓電智能傳感器安裝在中性軸附近。一片主梁結(jié)構(gòu)分別1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8，7/8截面各安裝6個(gè)傳感器，在每一個(gè)截面的每一層中，一個(gè)是沿著水平縱向安裝，用以記錄預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力以及剪應(yīng)力的變化，另外一個(gè)是垂直于水平方向安裝，用以記錄預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力的變化，同時(shí)將主梁結(jié)構(gòu)分成8個(gè)區(qū)，目的是為了獲取不同位置的應(yīng)力變化信號。共計(jì)42個(gè)智能傳感器，具體的安裝方法見圖2。

建立長方形壓電陶瓷實(shí)時(shí)長期監(jiān)測預(yù)應(yīng)力損失力學(xué)模型?；赑ZT正壓電效應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系以及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的力學(xué)原理，建立了長方形壓電智能骨料力學(xué)模型及變換模型，σ_stress＝σ_水平/v_g1+σ_縱向/v_g2+σ_ok，σ_水平為水平應(yīng)力信號，σ_縱向為縱向應(yīng)力信號，v_g1為信號水平傳播速度，v_g2為信號水平傳播速度，并認(rèn)為長方形傳感器主要受軸向力以及軸向力在傳感器極化面上均勻分布，求解了長方形壓電智能傳感器與主梁結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力參數(shù)變化的對應(yīng)關(guān)系，分析了混凝土應(yīng)力變化特征與傳感器激勵(lì)信號隨應(yīng)力波頻率的關(guān)系。

傳感器標(biāo)定：長方形PZT智能傳感器信號標(biāo)定以及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁主梁結(jié)構(gòu)4在服役過程中的測試涉及到的設(shè)備有信號數(shù)字發(fā)生器7、壓電驅(qū)動電源8、數(shù)字示波器9、數(shù)據(jù)終端處理器10，其連接順序見圖3。利用在第3)步中建立的長方形壓電智能骨料與預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)的力學(xué)模型，通過設(shè)備對橋梁主梁結(jié)構(gòu)4在基準(zhǔn)時(shí)間t₀時(shí)的信號的激勵(lì)和獲取，經(jīng)過數(shù)字示波器9，利用數(shù)據(jù)終端處理器10對基準(zhǔn)時(shí)刻t₀時(shí)的信息進(jìn)行傅里葉變化以及小波技術(shù)處理，記錄新建橋梁在沒有銹脹開裂時(shí)刻時(shí)頻率、振幅等參數(shù)信息，并儲存起來，并記錄在當(dāng)時(shí)條件下的環(huán)境參數(shù)。另外，利用有限元軟件模擬了“外包層-防水層-壓電陶瓷”結(jié)構(gòu)在簡諧荷載激勵(lì)下，極化方向的應(yīng)變分布隨頻率的變化情況，并與分析的理論分析解對比，驗(yàn)證理論分析的正確性。

基于應(yīng)力波的預(yù)應(yīng)力損失測試與識別技術(shù)

由長方形PZT傳感器與長方形PZT傳感器之間接收的信號獲取預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失技術(shù)的主要步驟為：

a)橋梁剛建成時(shí)，設(shè)立基準(zhǔn)初始時(shí)間t0，獲得預(yù)應(yīng)力損失還沒有發(fā)生時(shí)的基準(zhǔn)信號并記錄下來；

b)試驗(yàn)分析在土木結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的頻率范圍，即在低頻范圍內(nèi)，驅(qū)動頻率對傳感器所受應(yīng)力與輸出電壓關(guān)系的影響分析；開展嵌入式壓電陶瓷傳感器動態(tài)應(yīng)力傳遞試驗(yàn)，分析了傳感器制作工藝對其動態(tài)特性的影響，并對理論分析的結(jié)果加以驗(yàn)證。

c)建立上截面、中軸線以及下截面的應(yīng)力變化與預(yù)應(yīng)力損失之間的關(guān)系表達(dá)式，其中上截面應(yīng)力為下截面的應(yīng)力為中軸線應(yīng)力為式中:N_pretress預(yù)應(yīng)力張拉引起的軸力，e_prestress為預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)的偏心距；A為截面面積；I為截面慣性矩；M_dead為恒載引起的彎矩，M_dead為車輛荷載引起的彎矩，y₁為預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的力矩，y₂為恒載效應(yīng)的力矩，y₃為車輛荷載效應(yīng)的力矩。當(dāng)預(yù)應(yīng)力發(fā)生損失時(shí)，N_pretress同時(shí)發(fā)生變化，進(jìn)而引起σ變化。一旦σ變化，引起應(yīng)力波以及結(jié)構(gòu)頻率發(fā)生變化，可以通過應(yīng)力反饋出來。

d)獲取初始時(shí)間t0時(shí)刻，結(jié)構(gòu)有沒有發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失時(shí)，結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)力波信號s_t0-h和縱向應(yīng)力波信號s_t0-z，用以標(biāo)定恒載和活載引起的應(yīng)力變化；

e)獲取任意時(shí)間ti結(jié)構(gòu)有預(yù)應(yīng)力損失時(shí)的下截面、中軸線以及上截面的橫向應(yīng)力波信號s_ti-h和縱向應(yīng)力波信號s_ti-z；

f)通過帶通濾波器，利用時(shí)域卷積和小波變換技術(shù)，進(jìn)行下截面、中軸線以及上截面帶有預(yù)應(yīng)力損失的橫向應(yīng)力波和縱向應(yīng)力波信息進(jìn)行過濾，去除噪音的影響；

g)通過與下截面、中軸線以及上截面無預(yù)應(yīng)力損失獲得的應(yīng)力波信號對比分析，校準(zhǔn)下截面、中軸線以及上截面有預(yù)應(yīng)力損失時(shí)的橫向應(yīng)力波與縱向應(yīng)力波的傳播速度；

h)通過與下截面、中軸線以及上截面在t0時(shí)刻的基準(zhǔn)信號對比分析，可以計(jì)算有預(yù)應(yīng)力損失時(shí)的信息的隨距離變化的衰減規(guī)律；

i)對下截面、中軸線以及上截面帶有預(yù)應(yīng)力損失信息的橫向應(yīng)力波和縱向應(yīng)力波信號進(jìn)行運(yùn)算處理，得到殘差信號，并對殘差信號進(jìn)行希爾伯特變化，并對橫向應(yīng)力波信號和縱向應(yīng)力波信號進(jìn)行相關(guān)性和歸一化處理；

j)計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)部任意關(guān)心位置的預(yù)應(yīng)力損失值，通過信號疊加處理，由于有42個(gè)傳感器和驅(qū)動器，結(jié)構(gòu)內(nèi)部信號會發(fā)生反射以及衍射，一些反射和衍射脈沖中含有預(yù)應(yīng)力損失的信息，對上述步驟進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和標(biāo)定，以得到相應(yīng)關(guān)心位置的預(yù)應(yīng)力變化信息；另外可以通過模擬計(jì)算軟件，利用激勵(lì)器對信息進(jìn)行相關(guān)處理，得到預(yù)應(yīng)力損失的相關(guān)信息，還可以將PZT傳感器中的反射信號的強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部PZT傳感器的分布設(shè)定的反射系數(shù)運(yùn)用到結(jié)構(gòu)的新的測試信息中，這樣可以提高預(yù)應(yīng)力損失長期監(jiān)測的精度。

混凝土主梁預(yù)應(yīng)力損失信息識別技術(shù)。利用第3)步建立的長方形PZT智能傳感器與驅(qū)動器的力學(xué)模型以及結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)對應(yīng)關(guān)系表達(dá)式，通過信號標(biāo)定處理，將下截面、中軸線以及上截面的橫向應(yīng)力波和縱向應(yīng)力波進(jìn)行降噪處理，引入不確定性分析技術(shù)，結(jié)合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)環(huán)境參數(shù)，對預(yù)應(yīng)力混凝土主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期地、長期地監(jiān)測，剔除不穩(wěn)定數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計(jì)以及小波變換，即可得到混凝土橋梁主梁結(jié)構(gòu)銹脹開裂的預(yù)應(yīng)力損失隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)以及主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力變化規(guī)律，為橋梁維修加固決策提供數(shù)據(jù)支持。