預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)機(jī)智能判定系統(tǒng)

王 煒，張延林，陳志遠(yuǎn)

(葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，宜昌 443002)

預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)是先對(duì)鋼筋預(yù)先施加一定拉力，然后再澆注混凝土，待其完全凝固后，會(huì)在構(gòu)件內(nèi)部形成相應(yīng)壓力，從而避免裂縫過(guò)早產(chǎn)生[1]。在預(yù)應(yīng)力混凝土施工過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力筋的張拉是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而進(jìn)行這一施工工藝，需要滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求[2]，例如某工程設(shè)計(jì)要求“箱梁混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值的85%后，且混凝土齡期不小于7 d時(shí)，方可張拉預(yù)應(yīng)力鋼束”。

為了滿足抗壓強(qiáng)度和彈性模量的設(shè)計(jì)要求，需正確判定張拉時(shí)機(jī)。傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力張拉施工中，多組不同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量試件在構(gòu)件旁邊成型并進(jìn)行相同條件養(yǎng)護(hù)，達(dá)到適宜齡期后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。若試驗(yàn)結(jié)果不滿足要求，還需延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期并重復(fù)測(cè)試，直到達(dá)到要求為止。由于存在較大的試驗(yàn)量及人工經(jīng)驗(yàn)誤差，且對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量發(fā)展規(guī)律了解不深，判斷張拉時(shí)機(jī)效果不佳，進(jìn)而導(dǎo)致工程整體施工質(zhì)量難以得到有效保證。

預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)機(jī)智能判定系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效解決傳統(tǒng)工藝存在的問(wèn)題，大幅度提高預(yù)應(yīng)力張拉施工效率與質(zhì)量。胡塏研究表明預(yù)應(yīng)力智能張拉技術(shù)能顯著提高張拉力精度及鋼束伸長(zhǎng)量的測(cè)量精度，并能實(shí)現(xiàn)同步張拉[3]。鄧勇表明預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁張拉系統(tǒng)中的應(yīng)力和伸長(zhǎng)量均能進(jìn)行有效控制[4]。顧俊通過(guò)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁智能張拉與壓漿施工在大跨徑河橋的應(yīng)用表明該工藝能顯著提高施工質(zhì)量、橋梁的耐久性及安全性[5]。梁曉東采用預(yù)應(yīng)力張拉力精度、同步精度、伸長(zhǎng)量測(cè)量準(zhǔn)確度三個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)智能張拉和傳統(tǒng)張拉，結(jié)果表明傳統(tǒng)的張拉方式不能滿足規(guī)范對(duì)預(yù)應(yīng)力的要求，而智能張拉方式能夠滿足要求，并保證工程質(zhì)量[6]。錢(qián)厚亮等對(duì)傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備進(jìn)行了數(shù)字化升級(jí)改造，改進(jìn)后的智能預(yù)應(yīng)力張拉裝置具有良好的精度、實(shí)時(shí)性及安全性能,完全滿足張拉工程需求[7]。

由于智能張拉系統(tǒng)具有較多優(yōu)勢(shì)，該文研制并開(kāi)發(fā)了基于混凝土試件自振頻率的抗壓強(qiáng)度、彈性模量反饋裝置和軟件系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)感知混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，精準(zhǔn)判斷張拉時(shí)機(jī)，從而有效指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力混凝土的規(guī)范施工，并在高速公路預(yù)制梁廠進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，且效果顯著。

1 系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)

智能判定系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包含振動(dòng)傳感器、激振器、試件、固定錐、隔振墊、控制器、收發(fā)器、前置電腦、云服務(wù)器及客戶端等。在該系統(tǒng)中，振動(dòng)傳感器為振動(dòng)加速度傳感器，頻率響應(yīng)范圍上限不低于預(yù)估試件自振頻率，分辨率優(yōu)于1 Hz，底座設(shè)有固定螺孔；激振器采用電磁驅(qū)動(dòng)，能產(chǎn)生瞬態(tài)振動(dòng)，激振力大小約為2.0 N；試件為四棱柱混凝土試件，斷面為正方形，其長(zhǎng)度與斷面邊長(zhǎng)比不小于2；固定錐為鋼質(zhì)桿狀物，中段直徑約為10 mm，一端設(shè)有錐形頭，一端設(shè)有螺紋，長(zhǎng)度約為試件邊長(zhǎng)的0.8倍；隔振墊為泡沫棉類(lèi)物質(zhì)，能阻隔振動(dòng)的傳播；隔振墊平置在堅(jiān)硬的平面物體上，試件平放在隔振墊上，且四周留有余地，固定錐在混凝土試件具有流動(dòng)性時(shí)插入試件中心部位，并露出帶螺紋的端部；振動(dòng)傳感器通過(guò)螺紋安裝在固定錐上；激振器擱置在試件端部上方，可以對(duì)試件實(shí)施激振；控制器能通過(guò)收發(fā)器接收前置電腦發(fā)出的激振指令，控制激振器產(chǎn)生振動(dòng)；收發(fā)器與前置電腦相連，可以發(fā)出前置電腦產(chǎn)生的激振信號(hào)，接收振動(dòng)傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)并傳遞給前置電腦；前置電腦與云服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線連接，能向云服務(wù)器上傳采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并能從云服務(wù)器下載試件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；客戶端可以訪問(wèn)云服務(wù)器，打開(kāi)其中的檢測(cè)程序進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)定和結(jié)果查詢；云服務(wù)器可以對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)表格和曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并供下載打印。

2 判定實(shí)施方式

2.1 建立推斷基準(zhǔn)

預(yù)先建立試件自振頻率和抗壓強(qiáng)度、彈性模量之間的關(guān)系方程，作為后續(xù)抗壓強(qiáng)度、彈性模量的推斷基準(zhǔn)。具體操作為：選取具有代表性的混凝土試樣，并成型自振頻率試件2塊左右，抗壓強(qiáng)度試件和彈性模量試件6～8組。利用該系統(tǒng)間隔10～15 min對(duì)試件激振1次，采集由激振引發(fā)的試件振動(dòng)加速度過(guò)程線，即時(shí)域波形，采樣時(shí)長(zhǎng)1 s，采樣頻率大于預(yù)估自振頻率的2倍。對(duì)該時(shí)域波形進(jìn)行傅里葉變換，得出頻域波形并進(jìn)行頻率分析，從而得出試件的自振頻率。持續(xù)激振混凝土試樣直至硬化，得到1～2條試件的自振頻率發(fā)展過(guò)程線。此外，在混凝土硬化過(guò)程中，對(duì)其試樣進(jìn)行多組抗壓強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)，從而找出多個(gè)時(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的自振頻率、抗壓強(qiáng)度和彈性模量值，分別對(duì)抗壓強(qiáng)度與自振頻率、彈性模量與自振頻率進(jìn)行回歸分析，得出其關(guān)系方程。最后，將得到的關(guān)系方程輸入張拉時(shí)機(jī)智能判定系統(tǒng)管理軟件中，供后續(xù)施工使用。

2.2 張拉時(shí)機(jī)判定

在預(yù)應(yīng)力混凝土施工過(guò)程中，選取具有代表性的混凝土樣品成型自振頻率試件，測(cè)試其自振頻率，并依據(jù)之前建立的關(guān)系方程，將自振頻率過(guò)程線轉(zhuǎn)化成抗壓強(qiáng)度過(guò)程線和彈性模量過(guò)程線，將每個(gè)時(shí)點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度、彈性模量理論值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)二者均滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，即判定該時(shí)點(diǎn)為預(yù)應(yīng)力筋張拉臨界點(diǎn)。臨界點(diǎn)之后，允許進(jìn)行張拉作業(yè)。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

將預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)機(jī)智能判定系統(tǒng)搭建于某高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)，并進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。該高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)的混凝土預(yù)制梁廠采用強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土生產(chǎn)預(yù)制梁，其設(shè)計(jì)彈性模量為34.5 GPa，而根據(jù)相關(guān)規(guī)范，在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量不能低于設(shè)計(jì)值的85%。預(yù)制梁混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1 預(yù)制梁C50混凝土配合比 /(kg·m-3)

系統(tǒng)采用長(zhǎng)方體的自振頻率試件，其長(zhǎng)、寬、高分別為300 mm、150 mm和150 mm；振動(dòng)傳感器為振動(dòng)加速度傳感器，頻響范圍為10 ～5 000 Hz，采樣頻率最高為25.6 kHz；加速度傳感器靈敏度為500 mV/g，型號(hào)為ZD-710-1，收發(fā)器與之配套；定位錐采用不銹鋼材質(zhì)，長(zhǎng)約120 mm；自制了門(mén)式激振器，由門(mén)式支架、調(diào)整螺母、頂蓋、底座、電磁線圈、導(dǎo)向管、復(fù)位簧、撞針、緩沖墊片及電源插座等組成；控制器為無(wú)線控制器，主要包括ACDC模塊、主控單片機(jī)、LoRa通信模塊和繼電器模塊；隔振墊采用泡沫棉，厚度約30 mm。智能判定系統(tǒng)實(shí)地測(cè)試情景見(jiàn)圖2。

建立生產(chǎn)預(yù)制梁所使用的C50混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量反饋方程，成型8組150 mm立方體抗壓強(qiáng)度試件、8組150 mm×150 mm×300 mm棱柱體彈性模量試件和2塊150 mm×150 mm×300 mm的自振頻率試件，其中抗壓強(qiáng)度和彈性模量試件的測(cè)試齡期分別為2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d、14 d和28 d。試件成型完畢后，次日脫模，然后在自振頻率試件上架設(shè)激振器和振動(dòng)傳感器，間隔15 min測(cè)試1次自振頻率，測(cè)試齡期30 d，并在測(cè)試自振頻率過(guò)程中，按照規(guī)定齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)。自振頻率、抗壓強(qiáng)度和彈性模量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

將表2中2塊自振頻率試件的平均自振頻率(Fi)與試件的抗壓強(qiáng)度(Pi)、彈性模量(Ei)分別進(jìn)行回歸分析，得出自振頻率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系方程及自振頻率與彈性模量關(guān)系方程。

表2 自振頻率、抗壓強(qiáng)度和彈性模量測(cè)試結(jié)果表

自振頻率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系方程

Pi=0.165 07×100.001 33×Fi

自振頻率與彈性模量關(guān)系方程

Ei=0.301 91×100.001 07×Fi

將上述關(guān)系方程輸入系統(tǒng)，得到抗壓強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程線和彈性模量發(fā)展過(guò)程線，如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可見(jiàn)，10月20日4:01混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到了42.5 MPa，滿足張拉時(shí)的強(qiáng)度要求；10月21日17:31混凝土彈性模量達(dá)到了29.3 GPa，滿足張拉時(shí)的彈性模量要求，而在10月21日17:31這一時(shí)間點(diǎn)，混凝土同時(shí)滿足預(yù)應(yīng)力筋張拉強(qiáng)度和彈性模量要求，故判定該時(shí)刻為張拉時(shí)機(jī)臨界點(diǎn)。達(dá)到這一時(shí)間點(diǎn)之后，可進(jìn)行張拉作業(yè)。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量推斷結(jié)果誤差均在±8.5%以內(nèi)，而在混凝土試驗(yàn)規(guī)程中要求抗壓強(qiáng)度誤差小于15%，故推斷結(jié)果精確度滿足規(guī)范要求，且精度較高。該方法通過(guò)無(wú)損的方式精準(zhǔn)的預(yù)判了結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和彈性模量，為施工決策提供了更科學(xué)的依據(jù)。在養(yǎng)護(hù)條件良好的情況下，可以縮短張拉齡期，增加制梁基座、設(shè)備等的周轉(zhuǎn)頻率，降低成本。推斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳云服務(wù)器，可通過(guò)客戶端查詢，保證了檢測(cè)結(jié)果的透明度和公正性，使得各方管理更加趨于規(guī)范，提高效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)機(jī)智能判定系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)測(cè)試混凝土試件的自振頻率，結(jié)合預(yù)先建立的自振頻率與抗壓強(qiáng)度、彈性模量之間的關(guān)系方程，實(shí)時(shí)推斷混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，并依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，及時(shí)判定出預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)機(jī)，從而指導(dǎo)工程預(yù)應(yīng)力施工，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)值精準(zhǔn)，判定及時(shí)，省時(shí)省力。該系統(tǒng)可以作為工程建設(shè)者科學(xué)管控工程質(zhì)量的手段，通過(guò)應(yīng)用能提高工程建設(shè)的智慧程度，降低從業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，一定程度的縮短建設(shè)工期，降低建設(shè)成本。