預應力混凝土預應力筋張拉時機智能判定系統

王 煒，張延林，陳志遠

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司，宜昌 443002)

預應力混凝土技術是先對鋼筋預先施加一定拉力，然后再澆注混凝土，待其完全凝固后，會在構件內部形成相應壓力，從而避免裂縫過早產生[1]。在預應力混凝土施工過程中，預應力筋的張拉是一個重要環節，而進行這一施工工藝，需要滿足相關規范和設計要求[2]，例如某工程設計要求“箱梁混凝土強度和彈性模量達到設計值的85%后，且混凝土齡期不小于7 d時，方可張拉預應力鋼束”。

為了滿足抗壓強度和彈性模量的設計要求，需正確判定張拉時機。傳統的預應力張拉施工中，多組不同齡期的混凝土抗壓強度和彈性模量試件在構件旁邊成型并進行相同條件養護，達到適宜齡期后進行相關試驗。若試驗結果不滿足要求，還需延長養護齡期并重復測試，直到達到要求為止。由于存在較大的試驗量及人工經驗誤差，且對混凝土抗壓強度和彈性模量發展規律了解不深，判斷張拉時機效果不佳，進而導致工程整體施工質量難以得到有效保證。

預應力混凝土預應力筋張拉時機智能判定系統的應用可以有效解決傳統工藝存在的問題，大幅度提高預應力張拉施工效率與質量。胡塏研究表明預應力智能張拉技術能顯著提高張拉力精度及鋼束伸長量的測量精度，并能實現同步張拉[3]。鄧勇表明預應力混凝土箱梁張拉系統中的應力和伸長量均能進行有效控制[4]。顧俊通過預應力混凝土箱梁智能張拉與壓漿施工在大跨徑河橋的應用表明該工藝能顯著提高施工質量、橋梁的耐久性及安全性[5]。梁曉東采用預應力張拉力精度、同步精度、伸長量測量準確度三個指標來評價智能張拉和傳統張拉，結果表明傳統的張拉方式不能滿足規范對預應力的要求，而智能張拉方式能夠滿足要求，并保證工程質量[6]。錢厚亮等對傳統預應力張拉設備進行了數字化升級改造，改進后的智能預應力張拉裝置具有良好的精度、實時性及安全性能,完全滿足張拉工程需求[7]。

由于智能張拉系統具有較多優勢，該文研制并開發了基于混凝土試件自振頻率的抗壓強度、彈性模量反饋裝置和軟件系統，通過實時感知混凝土的抗壓強度和彈性模量，精準判斷張拉時機，從而有效指導預應力混凝土的規范施工，并在高速公路預制梁廠進行了實地測試，且效果顯著。

1 系統組成和結構

智能判定系統架構如圖1所示，主要包含振動傳感器、激振器、試件、固定錐、隔振墊、控制器、收發器、前置電腦、云服務器及客戶端等。在該系統中，振動傳感器為振動加速度傳感器，頻率響應范圍上限不低于預估試件自振頻率，分辨率優于1 Hz，底座設有固定螺孔；激振器采用電磁驅動，能產生瞬態振動，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，其長度與斷面邊長比不小于2；固定錐為鋼質桿狀物，中段直徑約為10 mm，一端設有錐形頭，一端設有螺紋，長度約為試件邊長的0.8倍；隔振墊為泡沫棉類物質，能阻隔振動的傳播；隔振墊平置在堅硬的平面物體上，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性時插入試件中心部位，并露出帶螺紋的端部；振動傳感器通過螺紋安裝在固定錐上；激振器擱置在試件端部上方，可以對試件實施激振；控制器能通過收發器接收前置電腦發出的激振指令，控制激振器產生振動；收發器與前置電腦相連，可以發出前置電腦產生的激振信號，接收振動傳感器采集到的振動信號并傳遞給前置電腦；前置電腦與云服務器通過網絡無線連接，能向云服務器上傳采集到的振動數據，并能從云服務器下載試件基礎數據；客戶端可以訪問云服務器，打開其中的檢測程序進行基礎數據設定和結果查詢；云服務器可以對接收到的數據進行處理，通過表格和曲線進行數據分析，并供下載打印。

2 判定實施方式

2.1 建立推斷基準

預先建立試件自振頻率和抗壓強度、彈性模量之間的關系方程，作為后續抗壓強度、彈性模量的推斷基準。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，抗壓強度試件和彈性模量試件6～8組。利用該系統間隔10～15 min對試件激振1次，采集由激振引發的試件振動加速度過程線，即時域波形，采樣時長1 s，采樣頻率大于預估自振頻率的2倍。對該時域波形進行傅里葉變換，得出頻域波形并進行頻率分析，從而得出試件的自振頻率。持續激振混凝土試樣直至硬化，得到1～2條試件的自振頻率發展過程線。此外，在混凝土硬化過程中，對其試樣進行多組抗壓強度、彈性模量試驗，從而找出多個時點對應的自振頻率、抗壓強度和彈性模量值，分別對抗壓強度與自振頻率、彈性模量與自振頻率進行回歸分析，得出其關系方程。最后，將得到的關系方程輸入張拉時機智能判定系統管理軟件中，供后續施工使用。

2.2 張拉時機判定

在預應力混凝土施工過程中，選取具有代表性的混凝土樣品成型自振頻率試件，測試其自振頻率，并依據之前建立的關系方程，將自振頻率過程線轉化成抗壓強度過程線和彈性模量過程線，將每個時點的抗壓強度、彈性模量理論值與設計值進行對比，當二者均滿足設計要求時，即判定該時點為預應力筋張拉臨界點。臨界點之后，允許進行張拉作業。

3 現場測試

將預應力混凝土預應力筋張拉時機智能判定系統搭建于某高速公路施工現場，并進行了實地測試。該高速公路施工現場的混凝土預制梁廠采用強度等級為C50的混凝土生產預制梁，其設計彈性模量為34.5 GPa，而根據相關規范，在進行預應力筋張拉時，混凝土抗壓強度和彈性模量不能低于設計值的85%。預制梁混凝土配合比見表1。

表1 預制梁C50混凝土配合比 /(kg·m-3)

系統采用長方體的自振頻率試件，其長、寬、高分別為300 mm、150 mm和150 mm；振動傳感器為振動加速度傳感器，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，型號為ZD-710-1，收發器與之配套；定位錐采用不銹鋼材質，長約120 mm；自制了門式激振器，由門式支架、調整螺母、頂蓋、底座、電磁線圈、導向管、復位簧、撞針、緩沖墊片及電源插座等組成；控制器為無線控制器，主要包括ACDC模塊、主控單片機、LoRa通信模塊和繼電器模塊；隔振墊采用泡沫棉，厚度約30 mm。智能判定系統實地測試情景見圖2。

建立生產預制梁所使用的C50混凝土的抗壓強度和彈性模量反饋方程，成型8組150 mm立方體抗壓強度試件、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，其中抗壓強度和彈性模量試件的測試齡期分別為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激振器和振動傳感器，間隔15 min測試1次自振頻率，測試齡期30 d，并在測試自振頻率過程中，按照規定齡期進行抗壓強度和彈性模量試驗。自振頻率、抗壓強度和彈性模量測試結果見表2。

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

表2 自振頻率、抗壓強度和彈性模量測試結果表

自振頻率與抗壓強度關系方程

Pi=0.165 07×100.001 33×Fi

自振頻率與彈性模量關系方程

Ei=0.301 91×100.001 07×Fi

將上述關系方程輸入系統，得到抗壓強度發展過程線和彈性模量發展過程線，如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可見，10月20日4:01混凝土抗壓強度達到了42.5 MPa，滿足張拉時的強度要求；10月21日17:31混凝土彈性模量達到了29.3 GPa，滿足張拉時的彈性模量要求，而在10月21日17:31這一時間點，混凝土同時滿足預應力筋張拉強度和彈性模量要求，故判定該時刻為張拉時機臨界點。達到這一時間點之后，可進行張拉作業。

統計發現，混凝土抗壓強度和彈性模量推斷結果誤差均在±8.5%以內，而在混凝土試驗規程中要求抗壓強度誤差小于15%，故推斷結果精確度滿足規范要求，且精度較高。該方法通過無損的方式精準的預判了結構件的強度和彈性模量，為施工決策提供了更科學的依據。在養護條件良好的情況下，可以縮短張拉齡期，增加制梁基座、設備等的周轉頻率，降低成本。推斷數據實時上傳云服務器，可通過客戶端查詢，保證了檢測結果的透明度和公正性，使得各方管理更加趨于規范，提高效率。

4 結 語

預應力混凝土預應力筋張拉時機智能判定系統通過自動測試混凝土試件的自振頻率，結合預先建立的自振頻率與抗壓強度、彈性模量之間的關系方程，實時推斷混凝土的抗壓強度和彈性模量，并依據相關設計要求，及時判定出預應力筋張拉時機，從而指導工程預應力施工，且系統運行穩定，測值精準，判定及時，省時省力。該系統可以作為工程建設者科學管控工程質量的手段，通過應用能提高工程建設的智慧程度，降低從業人員的勞動強度，一定程度的縮短建設工期，降低建設成本。