[發(fā)明專利]一種自循環(huán)式壓電材料預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611173854.5
• 申請日: 2016-12-16
• 公開（公告）號: CN106638275B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王新定;郭瑞琦
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: E01D19/00
• 分類號: E01D19/00;E01D2/04;G05D15/01;E01D101/28
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種自循環(huán)式壓電材料預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，屬于橋梁工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國的公路交通事業(yè)也在不斷的加速前進(jìn)，橋梁結(jié)構(gòu)作為公路交通的重要組成部分，其對公路交通的發(fā)展起著非常重要的制約作用。大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋由于具有較大的跨徑，能夠滿足跨江跨海的需要，因此得到了廣泛應(yīng)用。

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在土木建筑領(lǐng)域的廣泛運用，其由于自身結(jié)構(gòu)特性局限、材料特性局限而產(chǎn)生的工程應(yīng)用缺陷就頻繁地暴露了出來。首先，由于預(yù)應(yīng)力混凝土生產(chǎn)工藝和材料的固有特性等原因，預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力值從張拉、錨固直到構(gòu)件安裝使用的整個過程中不斷降低。并且這種由預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力值降低所體現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力損失的來源是多方面的，具體包括：(1)錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失；(2)預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失；(3)混凝土加熱養(yǎng)護(hù)時，受張拉的鋼筋與承受拉力的設(shè)備之間溫差引起的損失；(4)鋼筋應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失；(5)混凝土的收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失；(6)用螺旋式預(yù)應(yīng)力鋼筋作配筋的環(huán)形構(gòu)件由于混凝土的局部擠壓引起的預(yù)應(yīng)力損失等六項預(yù)應(yīng)力損失。預(yù)應(yīng)力損失現(xiàn)象的出現(xiàn)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼筋中的應(yīng)力值不斷降低，隨著時間的推移會危害結(jié)構(gòu)的安全特性。其次，雖然預(yù)應(yīng)力設(shè)計計算過程中設(shè)計人員會對預(yù)應(yīng)力損失以及橋梁載荷的不斷增長進(jìn)行基于安全系數(shù)計算下的處理，但隨著交通流量的不斷增大，橋梁承受的活載日益劇增，原有的預(yù)應(yīng)力設(shè)計不能滿足現(xiàn)有交通需求狀態(tài)的要求。最后，設(shè)計階段預(yù)應(yīng)力設(shè)計過大或?qū)е聵蛄荷瞎埃绊懢唧w橋梁結(jié)構(gòu)的美觀以及增大材料的利用量和施工的難度。

綜上所述，現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力技術(shù)由于材料、張拉工藝等技術(shù)限制，其預(yù)應(yīng)力荷載都是一次成型的，在不計損失的情況下是不可以改變的，并不具備應(yīng)對外界環(huán)境的自適應(yīng)能力。換言之，就是不能根據(jù)實際需求的變化而發(fā)生變化。

因此，本發(fā)明摒棄了原有預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁中預(yù)應(yīng)力鋼筋采用的高強(qiáng)鋼筋、鋼絞線等材料，轉(zhuǎn)而采用壓電材料作為預(yù)應(yīng)力鋼筋的實體材料，通過對于壓電材料兩端電壓的控制，根據(jù)逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力材料應(yīng)力大小的改變，增強(qiáng)了該結(jié)構(gòu)對于環(huán)境、荷載的適應(yīng)性。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種自循環(huán)式壓電材料預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，具有安全可靠、節(jié)能環(huán)保、自動化程度高等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁使用過程中對于結(jié)構(gòu)體系的健康監(jiān)控和預(yù)應(yīng)力調(diào)整，從而增強(qiáng)箱梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種自循環(huán)式壓電材料預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，包括預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、橋梁監(jiān)控系統(tǒng)及控制中心，且預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、橋梁監(jiān)控系統(tǒng)均與控制中心相連；

其中，所述預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件、壓電發(fā)電裝置、儲能電路；壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)置于混凝土內(nèi)，用作原預(yù)應(yīng)力混凝土的預(yù)應(yīng)力鋼筋；壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件由壓電材料制成，通過逆壓電效應(yīng)控制壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件上的預(yù)應(yīng)力大小；壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的兩端設(shè)置有放電裝置，用于控制壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件兩端的電壓；壓電發(fā)電裝置設(shè)置于箱梁頂部受壓區(qū)域，且通過儲能電路與放電裝置相連；壓電發(fā)電裝置由壓電材料制成，通過正壓電效應(yīng)將所受機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能儲存于儲能電路中；

所述橋梁監(jiān)控系統(tǒng)包括A、B、C三組應(yīng)力傳感器，其中A組應(yīng)力傳感器設(shè)置于箱梁頂面，用于檢測箱梁頂面的受壓應(yīng)力；B組應(yīng)力傳感器設(shè)置于箱梁底面，用于檢測箱梁底面的受拉應(yīng)力；C組應(yīng)力傳感器設(shè)置于壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件上，用于檢測壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件上的預(yù)應(yīng)力大小。

本發(fā)明在現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的基礎(chǔ)上，利用壓電材料的正、逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)了箱梁的預(yù)應(yīng)力調(diào)整和電能采集，并達(dá)到了結(jié)構(gòu)體系內(nèi)供電的自平衡。對梁體的橫、縱截面而言，壓電材料制造的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在具體布置位置方面與原有的預(yù)應(yīng)力鋼筋并沒有差別，只是形成材料上的替換。而壓電發(fā)電裝置利用箱梁在自身恒載作用及車輛荷載活載作用下梁體受壓區(qū)的壓應(yīng)力將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，以此來實現(xiàn)箱梁自身供電的自平衡。