一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置及其监测方法制造方法及图纸

一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置，该监测装置包括固定支架、金属环片、检测光栅、传输光纤；预应力筋、固定支架、金属环片和检测光栅均设置在混凝土内；预应力筋的一侧或周围设有固定支架；金属环片设置在固定支架上；预应力筋从金属环片的中间穿过，金属环片与预应力筋间有间隙；检测光栅设置在金属环片上，通过传输光纤连接。本发明专利技术提供的监测装置，该装置设置在混凝土内，又不与预应力筋直接接触，能够实现准确、高精度监测预应力筋应力的传递长度，使用该装置误差小，精度高，并且能够长期监测预应力筋应力的传递长度的变化。

A monitoring device for stress transfer length of pretensioned prestressing tendons based on optical fiber sensing and its monitoring method

A pre tension prestressed reinforcement fiber sensor based on stress transfer length monitoring device, the monitoring device comprises a fixed bracket, metal ring, detection, transmission fiber grating; prestressed reinforcement, fixed bracket, metal ring and the detection grating are arranged in the concrete; fixed bracket is provided with side or surrounding tendons; metal ring plate is arranged on the fixed bracket; tendon passes through the middle of the metal ring and metal ring with a gap between the tendons; detection of the grating is on the metal ring, connected by optical fiber transmission. The monitoring device provided by the invention, the device is arranged in the concrete, but not in direct contact with the tendons, can transfer length to achieve accurate and high precision monitoring of reinforcement stress, using the device, small error, high precision, and can be long-term monitoring of reinforcement stress transfer length change.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置及其监测方法
本专利技术涉及一种预应力混凝土结构预应力传递长度的监测装置，具体为一种基于光纤传感技术的先张预应力混凝土结构预应力传递长度监测装置及监测方法，属于土木工程混凝土结构健康监测领域。
技术介绍
自二战以来，预应力混凝土结构在世界范围内大量使用。相比传统的钢筋混凝土结构，预应力结构能有效改善混凝土的抗裂性能，提高结构刚度和强度，从而减小构件尺寸，减轻自重，并提高建筑物的使用空间。根据应力锚固形式的不同，预应力结构可以分为两类，先张预应力结构和后张预应力结构。先张预应力混凝土结构通过预应力筋和混凝土之间的粘结力实现应力的锚固，无需使用永久锚具，其施工方便，工程造价低，在我国中小跨径桥梁和房屋结构中应用广泛。预应力传递长度是进行先张预应力混凝土结构设计时必须要确定的一个重要参数，直接影响结构的抗裂性能和承载能力，它是指预应力筋通过与混凝土间的粘结力，从其应力为零的端面发展到有效应力截面间的距离。应力传递长度受材料属性、钢绞线直径、应力水平以及放张方式等多因素影响，其准确预测具有较大难度。尽管欧美、加拿大以及我国等都给出了相应的规范计算公式，但在具体的表达式上依然存在一定差异。目前，尚有大量学者致力于应力传递长度的相关研究，无法避免的涉及到应力传递长度的实际测量。现有的应力传递长度测定方法主要有两种，一是在预应力筋表面张贴应变片，二是在混凝土表面张贴应变片。通过预应力筋放张时应变片沿构件长度的变化取值进行推断。然而，这两种方法均存在一定的缺陷，测定精度难以控制。对于前者，预应力表面的应变片会影响其与混凝土间的粘结，进而破坏了预应力筋原有的应力传递机制；尤其是工程中常用的多丝捻制钢绞线，单丝的应变并不能完全表征预应力筋的整体受力性能，此类监测方法误差大，不能真实反映预应力筋应力传递长度。对于后者，由于混凝土截面远大于预应力筋，加之剪力滞效应的影响，混凝土表面应变改变量并不大，而且并不能直观反映预应力筋的应变变化，监测误差大，很难准确监测到预应力筋应力传递长度。此外，应变片多具有耐腐蚀性差、易破损、难以连续观测等问题。因此，上述的基于应变数据的测定方法无法实现对应力传递长度的长期监测。混凝土老化、预应力筋应力松弛等因素影响下，预应力筋的有效应力以及预应力传递长度必然也是一个长期的动态发展过程，现有技术的方法很难准确、有效、长期的监测预应力筋应力传递长度及传递长度的变化。预应力筋预应力传递长度随时间的发展变化过程也是研究热点之一。目前，尚缺乏预应力筋应力传递长度高精度长期的监测设备。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置，该装置设置在混凝土内，又不与预应力筋直接接触，能够实现准确、高精度监测预应力筋应力的传递长度，使用该装置误差小，精度高，并且能够长期监测预应力筋应力的传递长度的变化。根据本专利技术提供的第一种实施方案，提供一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置。一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置，该监测装置包括固定支架、金属环片、检测光栅、传输光纤。预应力筋、固定支架、金属环片和检测光栅均设置在混凝土内。预应力筋的一侧或周围设有固定支架。金属环片设置在固定支架上。预应力筋从金属环片的中间穿过，金属环片与预应力筋间有间隙。检测光栅设置在金属环片上。传输光纤的将所有检测光栅串联，并引出混凝土外部。作为优选，该监测装置还包括温度补偿光栅。温度补偿光栅设置在金属环片上。作为优选，该监测装置还包括监测控制分析系统。传输光纤伸出混凝土的一端连接监测控制分析系统。作为优选，该监测装置包括n个金属环片。每一个金属环片上设有一个检测光栅。优选的是，n为2-10，优选n为3-8，更优选n为4-6。传输光纤串联的连接所有检测光栅。在本专利技术中，该监测装置包括一个温度补偿光栅。温度补偿光栅设置在金属环片上。传输光纤串联的连接所有检测光栅和温度补偿光栅。温度补偿光栅可以与其中任一个检测光栅并排设置在金属环片上作为优选，该监测装置包括2-8根固定支架，优选为2-5根固定支架。每一个金属环片与每个固定支架均连接。优选的是，固定支架的方向与预应力筋的方向平行，预应力筋从金属环片的圆心穿过。在本专利技术中，检测光栅包括检测光纤光栅、焊接玻璃、检测光栅外壳。检测光纤光栅通过焊接玻璃固定在金属环片上。检测光栅外壳设置在检测光纤光栅和焊接玻璃的外侧。优选的是，焊接玻璃为低温焊接玻璃。在本专利技术中，温度补偿光栅包括温度补偿光纤光栅、温度补偿光栅外壳。温度补偿光纤光栅通过温度补偿光栅外壳固定在金属环片上。优选的是，温度补偿光纤光栅和温度补偿光栅外壳之间设有橡胶。在本专利技术中，金属环片为弹性材料制作。优选的是，金属环片为不锈钢环片。优选的是，金属环片的厚度为0.05-1mm，优选为0.1-0.5mm，更优选为0.15-0.3mm。在本专利技术中，金属环片的宽度为1-20mm，优选为2-10mm，更优选为3-5mm。在本专利技术中，该监测装置包括多个金属环片时，相邻金属环片间的距离相同或者不相同。优选的是，相邻金属环片间的距离50-300mm，优选为80-250mm，更优选为100-200mm。在本专利技术中，金属环片与预应力筋间的间隙为5-100mm，优选为10-80mm，更优选为15-60mm。优选的是，传输光纤为铠装光缆。根据本专利技术提供的第二种实施方案，提供一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测方法。一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测方法，该方法包括以下步骤：1)根据待浇筑混凝土的尺寸、预应力筋预计施加预应力的大小，确定金属环片的数量、金属环片与预应力筋间的间隙，并确定固定支架的长度；2)将金属环片固定在固定支架上，将检测光栅和温度补偿光栅设置在金属环片上，采用传输光纤串联连接检测光栅和温度补偿光栅，传输光纤的另一端连接监测控制分析系统；3)将预应力筋穿过所有的金属环片，记录每一个金属环片距离预应力筋首端的距离，计为Mi，对预应力筋施加预应力，浇筑混凝土；其中：Mi为第i个金属环片距离预应力筋首端的距离，i为1-n；4)混凝土成型固化后，通过监测控制分析系统和检测光栅检测各自金属环片的初始环向应变，记录为初始环向应变值；5)释放预应力筋的预应力，对预应力筋放张；放张后通过监测控制分析系统检测和采集每个金属环片上的检测光栅检测各自金属环片的环向应变，记录为监测环向应变值，再根据测得的初始环向应变值和监测环向应变值分析确定预应力筋应力传递长度。优选的是，该方法还包括：6)长期观测预应力筋应力传递长度，具体为：每隔一段时间，通过监测控制分析系统和检测光栅检测和分析(或采集)各金属环片上的环向应变，记录为观测环向应变值；比较观测环向应变值和初始环向应变值，确定不同时间预应力筋应力传递长度；比较观测环向应变值和监测环向应变值，判断预应力筋应力传递长度的变化。在本专利技术中，所述每个金属环片上的检测光栅检测各自金属环片的情况包括：每个金属环片上的检测光栅检测各自金属环片的环向应变。在本专利技术中，步骤4)具体为：通过监测控制分析系统和检测光栅检测和采集各自金属环片的环向应变，第i个金属环片的环向应变值计为Di0，其中：Di0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置，该监测装置包括固定支架(2)、金属环片(3)、检测光栅(4)、传输光纤(5)；预应力筋(1)、固定支架(2)、金属环片(3)和检测光栅(4)均设置在混凝土(6)内；预应力筋(1)的一侧或周围设有固定支架(2)；金属环片(3)设置在固定支架(2)上；预应力筋(1)从金属环片(3)的中间穿过，金属环片(3)与预应力筋(1)间有间隙；检测光栅(4)设置在金属环片(3)上；传输光纤(5)将所有检测光栅(4)串联，并通过传输光纤(5)接出混凝土(6)。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感的先张预应力筋应力传递长度监测装置，该监测装置包括固定支架(2)、金属环片(3)、检测光栅(4)、传输光纤(5)；预应力筋(1)、固定支架(2)、金属环片(3)和检测光栅(4)均设置在混凝土(6)内；预应力筋(1)的一侧或周围设有固定支架(2)；金属环片(3)设置在固定支架(2)上；预应力筋(1)从金属环片(3)的中间穿过，金属环片(3)与预应力筋(1)间有间隙；检测光栅(4)设置在金属环片(3)上；传输光纤(5)将所有检测光栅(4)串联，并通过传输光纤(5)接出混凝土(6)。2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于：该监测装置还包括温度补偿光栅(7)，温度补偿光栅(7)设置在金属环片(3)上；和/或该监测装置还包括监测控制分析系统(8)，传输光纤(5)伸出混凝土(6)的一端连接监测控制分析系统(8)。3.根据权利要求1或2所述的监测装置，其特征在于：该监测装置包括n个金属环片(3)，每一个金属环片(3)上设有一个检测光栅(4)；优选的是，n为2-10，优选n为3-8，更优选n为4-6；传输光纤(5)串联的连接所有检测光栅(4)。4.根据权利要求3所述的监测装置，其特征在于：该监测装置包括一个温度补偿光栅(7)，温度补偿光栅(7)与其中任一个检测光栅(4)并排设置在金属环片(3)上；传输光纤(5)串联的连接所有检测光栅(4)和温度补偿光栅(7)；和/或该监测装置包括2-8根固定支架(2)，优选为3-5根固定支架(2)，每一个金属环片(3)与每个固定支架(2)均连接；优选的是，固定支架(2)的方向与预应力筋(1)的方向平行，预应力筋(1)从金属环片(3)的圆心穿过。5.根据权利要求2-4中任一项所述的监测装置，其特征在于：检测光栅(4)包括检测光纤光栅(401)、焊接玻璃(402)、检测光栅外壳(403)；检测光纤光栅(401)通过焊接玻璃(402)固定在金属环片(3)上，检测光栅外壳(403)设置在检测光纤光栅(401)和焊接玻璃(402)的外侧；优选的是，焊接玻璃(402)为低温焊接玻璃；和/或温度补偿光栅(7)包括温度补偿光纤光栅(701)、温度补偿光栅外壳(702)；温度补偿光纤光栅(701)通过温度补偿光栅外壳(702)固定在金属环片(3)上；优选的是，温度补偿光纤光栅(701)和温度补偿光栅外壳(702)之间设有橡胶(703)。6.根据权利要求1-5中任一项所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)为弹性材料制作；优选的是，金属环片(3)为不锈钢环片；优选的是，金属环片(3)的厚度为0.05-1mm，优选为0.1-0.5mm，更优选为0.15-0.3mm。7.根据权利要求6所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)的宽度为1-20mm，优选为2-10mm，更优选为3-5mm；和/或该监测装置包括多个金属环片(3)时，相邻金属环片(3)间的距离相同或者不相同；优选的是，相邻金属环片(3)间的距离50-300mm，优选为80-250mm，更优选为100-200mm。8.根据权利要求1-7中任一项所述的监测装置，其特征在于：金属环片(3)与预应力筋(1)间的间隙为5-100mm，优选为10-80mm，更优选为15...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭辉，刘博文，杨才千，王磊，张建仁，许福，唐盛华，
申请(专利权)人：湘潭大学，长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43