基于反拉法的錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究

吳益林，唐 波，高 科

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

隨著現(xiàn)代橋梁工程建設(shè)的需要，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工程得到廣泛應(yīng)用。施工質(zhì)量直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，因此在預(yù)應(yīng)力工程結(jié)構(gòu)施工過程中進(jìn)行預(yù)應(yīng)力檢測，對(duì)其施工質(zhì)量進(jìn)行控制就顯得尤為重要[1-4]。預(yù)應(yīng)力施工需要控制的是預(yù)應(yīng)力筋張拉錨固后，工作錨具錨口下預(yù)應(yīng)力的留存值，即錨下有效預(yù)應(yīng)力值，目前常用的檢測方法有應(yīng)變法與反拉法等。應(yīng)變法是在鋼絞線上安裝應(yīng)變片或測力傳感器的檢測方法，反拉法則是在橋梁體外對(duì)已張拉的預(yù)應(yīng)力筋再次施加載荷，進(jìn)行有效預(yù)應(yīng)力的檢測方法[5]。反拉法以測量精度高、操作安全簡便、外界因素影響小、不損壞已張拉的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、可重復(fù)檢測等優(yōu)點(diǎn)，被工程試驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)廣泛推廣與應(yīng)用[6]。

錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)(本文簡稱“預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)”)，是近年來開發(fā)出來專門用于預(yù)應(yīng)力檢測的精密復(fù)雜儀器，該儀器基于單根反拉法的工作原理，采用液壓千斤頂對(duì)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行反向張拉，對(duì)預(yù)應(yīng)力筋彈性變化過程中的位移與張拉力進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與采集，并通過測量信號(hào)實(shí)時(shí)反饋至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)變化的力值-位移曲線中截取錨下有效預(yù)應(yīng)力值。目前，該儀器由于尚缺乏有效的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及計(jì)量技術(shù)規(guī)范等，在量值溯源方面存在一定的困難，因此，本文探討針對(duì)該儀器提出一種新的校準(zhǔn)方法。

1 預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)主要由自鎖式千斤頂、液壓伺服系統(tǒng)、測力裝置、位移裝置和計(jì)算機(jī)軟件等組成,其工作原理是將預(yù)應(yīng)力筋(鋼絞線)視為彈性結(jié)構(gòu)，對(duì)鋼鉸線的外露段進(jìn)行反向張拉，通過連續(xù)測量反拉過程中預(yù)應(yīng)力鋼鉸線的伸長量S和反拉力F的特性曲線關(guān)系，跟蹤曲線的切線斜率變化，從而得到錨下有效預(yù)應(yīng)力值。反拉過程中理想狀態(tài)下F與S的關(guān)系如圖1所示。

圖1 理想狀態(tài)下F與S的關(guān)系

預(yù)應(yīng)力檢測過程F-S曲線圖分析：檢測初始階段，張拉鋼絞線位移變化較大，而反拉力變化不大，在F-S曲線中表現(xiàn)為曲線斜率較小，如圖1中OA段所示；當(dāng)反拉力繼續(xù)增大，反拉外露段鋼絞線發(fā)生彈性變形，曲線的斜率逐漸增大且趨于穩(wěn)定，如圖1中AB段所示；當(dāng)反拉力大于預(yù)應(yīng)力時(shí)，鋼絞線夾片松動(dòng)，外露段與自由段共同受力的瞬間曲線斜率突然減小，如圖1中BC段所示。

通過對(duì)F-S曲線圖形的分析可知，利用曲線斜率的變化拐點(diǎn)特征，得到與鋼絞線預(yù)應(yīng)力平衡力大小一致的檢測力，即為施工后工程結(jié)構(gòu)中的錨下有效預(yù)應(yīng)力值。由于預(yù)應(yīng)力檢測是從反拉過程中通過力值與位移的動(dòng)態(tài)變化所獲得，因此對(duì)于檢測系統(tǒng)的力值與位移測量參數(shù)的準(zhǔn)確性，以及跟蹤F-S曲線變化而及時(shí)截取有效預(yù)應(yīng)力值就成了檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[7]。

2 預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)常見產(chǎn)品

目前國內(nèi)市場的主流生產(chǎn)廠家主要有重慶忠誠預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)有限公司、武漢中巖科技股份有限公司、四川升拓檢測設(shè)備技術(shù)股份有限公司、上海同禾土木工程科技有限公司以及湖南聯(lián)智科技股份有限公司等產(chǎn)品，其產(chǎn)品的預(yù)應(yīng)力值測量范圍一般都在0～200kN左右，最大允許誤差范圍一般為±(1%～2%)FS。

2.2 預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)量值溯源

經(jīng)調(diào)研多家工程試驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)的量值溯源情況，提供的校準(zhǔn)證書顯示所采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要為《液壓千斤頂檢定規(guī)程》(JJG 621-2012)、《壓力變送器檢定規(guī)程》(JJG 882-2004)和《錨下預(yù)應(yīng)力檢測儀校準(zhǔn)規(guī)范》(JJF(渝)031-2019)等計(jì)量技術(shù)規(guī)范。證書的出具單位通常也都不具備預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)項(xiàng)目的校準(zhǔn)資質(zhì)，也沒有配備相應(yīng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具，大多數(shù)僅僅只是針對(duì)其靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行校準(zhǔn),而未對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)預(yù)應(yīng)力測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，因此，即使是經(jīng)過校準(zhǔn)的預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)，在使用過程中也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)差異較大、檢測結(jié)果判定不一致性的現(xiàn)象，給工程試驗(yàn)檢測工作帶來不少的困惑。

3 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/TF 50)規(guī)定,張拉錨固后預(yù)應(yīng)力筋在錨下的有效預(yù)應(yīng)力應(yīng)符合設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力的要求,兩者的相對(duì)偏差不超過 ±5%,同一斷面中預(yù)應(yīng)力束的不均勻度應(yīng)不超過±2%。

而《公路橋梁錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測技術(shù)規(guī)程》(T/CECS G:J51-01-2020)則規(guī)定，反拉檢測設(shè)備的測力儀器示值誤差不大于±1%FS，位移測量儀器誤差不大于±0.1%，位移測量儀器分辨率不大于0.01mm，錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測結(jié)果的工程判定允許偏差不大于±5%。

綜合上述行業(yè)規(guī)范與規(guī)程的相關(guān)要求，錨下預(yù)應(yīng)力檢測所配備的儀器設(shè)備的精度指標(biāo)應(yīng)能達(dá)到測力示值誤差不低于±1%FS、預(yù)應(yīng)力測量系統(tǒng)示值誤差不低于±1.5%FS、位移測量儀器示值誤差不大于±0.1%、分辨率不大于0.01mm等要求。

4 校準(zhǔn)技術(shù)及裝置的研發(fā)

4.1校準(zhǔn)裝置的計(jì)量性能設(shè)定

根據(jù)計(jì)量檢定與校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器配置原則，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于1/3被檢儀器的最大允許誤差，推算得到預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)的測力儀器示值校準(zhǔn)裝置的最大允許誤差不超過±0.3%FS，預(yù)應(yīng)力測量系統(tǒng)示值校準(zhǔn)裝置最大允許誤差應(yīng)不低于±0.5%FS，位移儀器校準(zhǔn)裝置最大允許誤差應(yīng)不低于±0.03%的要求。

4.2 校準(zhǔn)技術(shù)研究思路

依據(jù)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和目前工程檢測領(lǐng)域的應(yīng)用情況，結(jié)合市場中主流產(chǎn)品的功能特性，從實(shí)際使用需求的角度來考慮設(shè)計(jì)校準(zhǔn)方案，校準(zhǔn)裝置應(yīng)包括測力儀器、預(yù)應(yīng)力測量系統(tǒng)和位移儀器三部分的校準(zhǔn)功能。其中測力儀器可參照《標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定規(guī)程》(JJG 144-2007)進(jìn)行校準(zhǔn)，位移儀器校準(zhǔn)可參照《線位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》(JJF 1305-2011)進(jìn)行校準(zhǔn)。而預(yù)應(yīng)力測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)則尚無可參照的方法，其又是影響測量結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)，因此是研究的主要方向。

曾經(jīng)有某些科研院所、高校及儀器生產(chǎn)廠家采用模擬現(xiàn)場檢測的方法，選用或制作一片標(biāo)準(zhǔn)的混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制梁，在梁上安裝標(biāo)準(zhǔn)測力計(jì)及液壓張拉裝置，進(jìn)行錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)的方法，簡稱“標(biāo)準(zhǔn)梁法”。由于標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制梁制造精度、材料熱變形特征和張拉力值的穩(wěn)定性、重復(fù)性等影響因素，導(dǎo)致校準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性得不到保障，通常效果都比較差。如果采用加工精度可以得到保證的鋼結(jié)構(gòu)，配以標(biāo)準(zhǔn)傳感器與精密伺服液壓系統(tǒng)，模擬預(yù)應(yīng)力筋的張拉力學(xué)特性來設(shè)計(jì)校準(zhǔn)裝置，是本文研究的主要思路，因?yàn)槠湓诓牧?、加工工藝、?biāo)準(zhǔn)儀器的溯源性等方面都得到了有效保障。

4.3 校準(zhǔn)裝置的研制

經(jīng)過較長時(shí)間的論證與試驗(yàn)，研制出如圖2所示結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力校準(zhǔn)裝置，該裝置由長距反力框架、標(biāo)準(zhǔn)測力儀、液壓張力發(fā)生及保持裝置以及專用的測量控制軟件等組成。工作原理為通過液壓張力發(fā)生及保持裝置對(duì)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，給予其特定的張拉力，通過標(biāo)準(zhǔn)測力儀讀取預(yù)應(yīng)力值，將其穩(wěn)定一段時(shí)間后，模擬出錨下有效預(yù)應(yīng)力值，再利用預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)(被校儀器)在其一端進(jìn)行反拉檢測，對(duì)預(yù)應(yīng)力筋彈性變化的位移與張拉力進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與采集。當(dāng)預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)的張拉力達(dá)到液壓張力發(fā)生及保持裝置給予的穩(wěn)定拉力時(shí)，工作夾片發(fā)生松動(dòng)，預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)專用測量軟件能夠清晰地讀取預(yù)應(yīng)力值，通過與標(biāo)準(zhǔn)測力儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，進(jìn)而得到預(yù)應(yīng)力測量系統(tǒng)示值誤差的校準(zhǔn)結(jié)果。

圖2 預(yù)應(yīng)力測量系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

該裝置的核心技術(shù)：(1)長距反力框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工精度的保證。長距反力框架能模擬出預(yù)應(yīng)筋的張拉彈性變形特征，其兩測量端面的平行度加工精度要求，以及自調(diào)整對(duì)中裝置的專利設(shè)計(jì)，為反力框架能夠提供良好的量值復(fù)現(xiàn)提供了保障；(2)精密液壓伺服控制系統(tǒng)的張拉力發(fā)生與保持的精度，能夠保證校準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力在檢測過程中反復(fù)張拉所需良好的測量重復(fù)性；(3)傳感系統(tǒng)的測量精度以及專用測量軟件的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，能夠通過測量模型對(duì)所采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算并分析篩選出有效的測量結(jié)果。

4.4 校準(zhǔn)裝置的使用與驗(yàn)證

預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)的軟件界面如圖3所示,主要包括參數(shù)設(shè)置、測量控制及數(shù)據(jù)顯示部分。參數(shù)設(shè)置部分需要設(shè)置試驗(yàn)力值、穩(wěn)定時(shí)間、加力速度等信息；測量控制部分包括開始按鈕、停止按鈕及暫停按鈕；數(shù)據(jù)顯示部分包括預(yù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值的顯示、活塞的變化位移量以及F-S曲線，通過曲線能夠?qū)崟r(shí)展現(xiàn)出校準(zhǔn)裝置在被檢預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)的外力作用時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)力值隨位移變化的過程。

圖3 預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件界面

預(yù)應(yīng)力校準(zhǔn)裝置的工作過程：將鋼絞線安裝在校準(zhǔn)裝置中，設(shè)定加力速度開始加力，當(dāng)力值達(dá)到錨下預(yù)應(yīng)力設(shè)定值的30%時(shí)，穩(wěn)定30～60s后繼續(xù)加力。當(dāng)力值達(dá)到需校準(zhǔn)點(diǎn)預(yù)設(shè)值時(shí)停止加力,穩(wěn)定180s后,將系統(tǒng)切換成以位移變化量為閉環(huán)控制模式,再將被校的預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)安裝在校準(zhǔn)裝置上，對(duì)鋼絞線進(jìn)行反向張拉檢測，檢測過程中隨著被校預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)張拉力的逐步增大，校準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)力值也會(huì)隨之增大。待被校預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)完成檢測后，在測量軟件中讀取校準(zhǔn)裝置的顯示力值，與被校預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的檢測結(jié)果進(jìn)行比較，從而可以判斷被校預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)是否滿足要求。

該裝置經(jīng)半年多時(shí)間的使用，完成了十余個(gè)生產(chǎn)廠家約30多臺(tái)(套)預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)，從校準(zhǔn)裝置的精確度、測量結(jié)果的重復(fù)性與穩(wěn)定性以及校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析等方面,驗(yàn)證了該裝置的適用性，可滿足預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)的量值傳遞要求。

表1為某臺(tái)比較典型的性能相對(duì)穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)通過本校準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)所產(chǎn)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)經(jīng)過分析與評(píng)價(jià)，滿足有效預(yù)應(yīng)力量值傳遞的技術(shù)要求。

表1 預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.5 預(yù)應(yīng)力測量系統(tǒng)示值校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析

4.5.1 測量模型

測量模型：

(1)

式中:Q—相對(duì)示值誤差；

fi—標(biāo)準(zhǔn)測力儀對(duì)應(yīng)的力值；

FN—檢測儀的最大量程值。

4.5.2 方差和傳播系數(shù)

方差和傳播系數(shù)：

y=f(x1,x2,…,xN)

(2)

當(dāng)全部輸入量Xi是彼此獨(dú)立或不相關(guān)時(shí)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定uc(y)由下式得出：

(3)

(4)

求偏導(dǎo)得：C1=C2=1

4.5.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

(1)A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。采用型號(hào)為MYLJC220-E的檢測儀測量單根索有效預(yù)應(yīng)力檢測儀，比較檢測值與標(biāo)準(zhǔn)測力儀傳感器顯示值的誤差，以被檢儀器量程上限200kN為測量點(diǎn)，3次重復(fù)測量試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用極差法，n=3時(shí)，C=1.69，則：

(5)

(2) 標(biāo)準(zhǔn)測力儀引入的不確定度(B類)。由檢定證書給出的標(biāo)準(zhǔn)測力儀引入的相對(duì)最大允許誤差為±0.3%，服從均勻分布，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(6)

(3)環(huán)境和其它因素引入的不確定度(B類)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和慣例，u(E)=0.050kN。

4.5.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

4.5.5 合成不確定度

合成不確定度:

(7)

4.5.6 擴(kuò)展不確定度

擴(kuò)展不確定度:

取置信概率p=95%，(k=2)

U=2×0.37=0.74kN

相對(duì)最大測量值200kN時(shí)，Urel=0.4%，(k=2)

5 結(jié)語

根據(jù)預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)的測量原理，采用傳統(tǒng)的千斤頂或壓力變送器的校準(zhǔn)方法難以達(dá)到量值有效溯源的要求。本文介紹的校準(zhǔn)技術(shù)，結(jié)合了工程應(yīng)用的實(shí)際，從計(jì)量校準(zhǔn)的技術(shù)角度研發(fā)出準(zhǔn)確度等級(jí)滿足量值傳遞的要求、重復(fù)性可靠、長期穩(wěn)定性有保障的專用校準(zhǔn)裝置，為預(yù)應(yīng)力檢測系統(tǒng)這種專用工程檢測儀器設(shè)備的量值溯源提供了新的途徑，解決了長期以來困擾工程試驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)的量值溯源難題，為預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量的控制提供技術(shù)支持。