[發明專利]基于振弦傳感技術的預應力錨索受力狀態實時監測系統

有效

• 申請號: 201110317968.3
• 申請日: 2011-10-19
• 公開（公告）號: CN102507067A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 王清標
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01L5/04
• 分類號: G01L5/04
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 張貴賓

（一）??????技術領域

????本發明涉及預應力工程中的錨索受力狀態實時監測領域，特別涉及一種基于振弦傳感技術的預應力錨索受力狀態實時監測系統。

（二）??????背景技術

預應力錨索加固是一種主動加固方式，其加固的實質是對被加固巖體施加錨固力，限制巖體有害變形的發展。其快速、高效、加快工期與提高邊坡穩定的優越性以及良好的經濟效益和社會效益，是其它傳統方法無法比擬的。預應力錨索技術廣泛應用于各個領域，其應用范圍從堅硬穩定巖石發展到松軟破碎巖體，由小巷道發展到大跨度硐室，由靜荷條件發展到動荷條件，由基建工程發展到工程搶險和結構補強等。錨索的結構類型不僅種類繁多，而且越來越先進，目前巖體預應力錨索單根預應力承載力已經達到16MN，單根錨索長度114m。預應力錨索加固已經成為提高巖土工程穩定性和解決復雜的巖土工程問題最經濟有效的方法之一。預應力錨索錨固效果（受力狀態）受預應力材料性質、被錨固介質力學特性、錨索結構、錨固體系、錨夾具的加工質量、施工工藝、工程地質環境以及運行管理水平等因素的影響而變化，如果錨固錨索受力狀態變化異常，超過一定界限值時，給工程帶來極大的危害，甚至威脅人民生命財產的安全。預應力錨索受力情況監測不僅為所加固工程的安全可靠性做出及時準確的評價，而且還指導預應力錨索的設計、施工和運行管理，為進一步揭示預應力錨索的工作機理、總結預應力錨固設計經驗、提高設計水平提供依據。眾多工程實例表明，錨索錨固力的損失將使得結構受力情況惡化，造成受力不均勻，將導致其錨固效果的減弱或失效，會使結構失穩甚至破壞，不僅會造成重大的經濟損失，還嚴重危及人民生命財產的安全。因此預應力錨索受力狀態監測系統，對保證錨固工程的設計、施工和安全運行，提高工程的經濟效益和社會效益，具有重要的理論意義和工程實踐意義。

傳統錨索測力傳感器具有結構缺陷和量程限制。結構缺陷：為適應在錨索的外錨墩上安裝測力傳感器，傳感器一般都制造成環狀產品，同時考慮到錨索安裝、張拉過程中不可避免地存在偏心，一般錨索測力傳感器內部都裝有多個（3—6個）工作弦，并且往往沿環狀均勻布置。在儀器交付使用時，生產廠家總會給出儀器率定系數，它是一個包含了多個工作弦的綜合系數。在所有工作弦均能正常工作且受力均勻時，用這個綜合系數計算錨索測力計的受力是合適的。通常計算錨索測力傳感器的應力時有兩種方法：一是將各工作弦進行算術平均,得到平均頻率,再進行計算；二是用單支傳感器系數計算,算出各工作性弦承受的應力然后求和。這兩種方法都是將應力分布函數f(x,y)視作一個簡單的線性函數。而事實上,錨索測力傳感器承壓筒上的受力條件非常復雜,除安裝、張拉過程偏載的影響外,還有各種側向應力端面的剪切應力,這使得應力函數f(x,y)很難簡單的用線性函數來描述,這決定了使用工作弦平均值作為錨索實際應力的計算方不夠精確。當錨索測力傳感器安裝完成工作一段時間后，由于工作環境條件影響(如放炮、機械震動、溫度影響、日曬雨淋、荷載變化等)和時效原因，很容易出現個別工作弦甚至2個、3個工作弦不起振或失效的現象，這時如果繼續引用廠家給定的儀器率定系數進行計算，則計算出來的數值與錨索實際受力狀況存在較大誤差，甚至導致錯誤的分析。量程限制：從理論上講，錨索測力傳感器的量程可以做到任意大，只要相應地改變其結構尺寸即可。但是由于承力、感應體是一體化設計，考慮到承壓體結構材料性能（荷載過大不能保證承壓體為線彈性變形）以及振弦工作頻率、頻寬和工作應力限制，大部分振弦式錨索測力傳感器的量程受到限制，一般很難做到500噸以上，做到1000噸以上幾乎不可能。此外，隨著量程的增大，須相應增大錨索測力傳感器的承壓體直徑與高度，但是，承壓體的高度與直徑相差不大傳感器測得的并不是承壓體端面上的等效應力，雖然可以通過增厚傳力柱增加承壓體的高度,但由于傳力柱與承壓體并不是一個整體,仍無法保證傳感器范圍內的承壓體為線彈性變形。?

國外振弦式傳感器雖然性能先進，但是其價格昂貴，性價比低，難以在工程中大量推廣應用。且國外研究開發的錨索測力傳感器及頻率檢測儀還存在漢化問題，技術人員需要培訓才能使用。國內振弦式傳感技術，受工程材料和制造技術的限制，振弦式傳感器的分辨率、準確度和長期穩定性等關鍵技術沒有得到很好解決，一直難以滿足工程應用要求。國內振弦式錨索測力傳感器基本上都是通過頻率檢測儀測出頻率，再通過公式計算出錨索受力大小。沒有實現錨索測力傳感器與儀表監測自動化系統，實現即時采集數據、遠程監控等。國內外廠家都沒有研制成功直接數字顯示物理量值（力或位移）的檢測儀器。?

（三）??????發明內容