基于反拉法的锚下有效预应力检测系统校准技术研究

吴益林，唐 波，高 科

(广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

随着现代桥梁工程建设的需要，预应力结构工程得到广泛应用。施工质量直接关系到结构的安全性和耐久性，因此在预应力工程结构施工过程中进行预应力检测，对其施工质量进行控制就显得尤为重要[1-4]。预应力施工需要控制的是预应力筋张拉锚固后，工作锚具锚口下预应力的留存值，即锚下有效预应力值，目前常用的检测方法有应变法与反拉法等。应变法是在钢绞线上安装应变片或测力传感器的检测方法，反拉法则是在桥梁体外对已张拉的预应力筋再次施加载荷，进行有效预应力的检测方法[5]。反拉法以测量精度高、操作安全简便、外界因素影响小、不损坏已张拉的预应力结构、可重复检测等优点，被工程试验检测机构广泛推广与应用[6]。

锚下有效预应力检测系统(本文简称“预应力检测系统”)，是近年来开发出来专门用于预应力检测的精密复杂仪器，该仪器基于单根反拉法的工作原理，采用液压千斤顶对预应力筋进行反向张拉，对预应力筋弹性变化过程中的位移与张拉力进行实时跟踪与采集，并通过测量信号实时反馈至控制系统，由控制系统在动态变化的力值-位移曲线中截取锚下有效预应力值。目前，该仪器由于尚缺乏有效的国家或行业标准以及计量技术规范等，在量值溯源方面存在一定的困难，因此，本文探讨针对该仪器提出一种新的校准方法。

1 预应力检测系统结构及工作原理

预应力检测系统主要由自锁式千斤顶、液压伺服系统、测力装置、位移装置和计算机软件等组成,其工作原理是将预应力筋(钢绞线)视为弹性结构，对钢铰线的外露段进行反向张拉，通过连续测量反拉过程中预应力钢铰线的伸长量S和反拉力F的特性曲线关系，跟踪曲线的切线斜率变化，从而得到锚下有效预应力值。反拉过程中理想状态下F与S的关系如图1所示。

图1 理想状态下F与S的关系

预应力检测过程F-S曲线图分析：检测初始阶段，张拉钢绞线位移变化较大，而反拉力变化不大，在F-S曲线中表现为曲线斜率较小，如图1中OA段所示；当反拉力继续增大，反拉外露段钢绞线发生弹性变形，曲线的斜率逐渐增大且趋于稳定，如图1中AB段所示；当反拉力大于预应力时，钢绞线夹片松动，外露段与自由段共同受力的瞬间曲线斜率突然减小，如图1中BC段所示。

通过对F-S曲线图形的分析可知，利用曲线斜率的变化拐点特征，得到与钢绞线预应力平衡力大小一致的检测力，即为施工后工程结构中的锚下有效预应力值。由于预应力检测是从反拉过程中通过力值与位移的动态变化所获得，因此对于检测系统的力值与位移测量参数的准确性，以及跟踪F-S曲线变化而及时截取有效预应力值就成了检测系统的关键技术[7]。

2 预应力检测系统在工程领域的应用

2.1 预应力检测系统常见产品

目前国内市场的主流生产厂家主要有重庆忠诚预应力工程技术有限公司、武汉中岩科技股份有限公司、四川升拓检测设备技术股份有限公司、上海同禾土木工程科技有限公司以及湖南联智科技股份有限公司等产品，其产品的预应力值测量范围一般都在0～200kN左右，最大允许误差范围一般为±(1%～2%)FS。

2.2 预应力检测系统量值溯源

经调研多家工程试验检测机构的预应力检测系统的量值溯源情况，提供的校准证书显示所采用的技术标准主要为《液压千斤顶检定规程》(JJG 621-2012)、《压力变送器检定规程》(JJG 882-2004)和《锚下预应力检测仪校准规范》(JJF(渝)031-2019)等计量技术规范。证书的出具单位通常也都不具备预应力检测系统项目的校准资质，也没有配备相应的计量标准器具，大多数仅仅只是针对其静态力学性能进行校准,而未对其关键技术参数预应力测量系统的动态系统误差进行校准，因此，即使是经过校准的预应力检测系统，在使用过程中也经常会出现检测数据差异较大、检测结果判定不一致性的现象，给工程试验检测工作带来不少的困惑。

3 相关技术标准

《公路桥涵施工技术规范》(JTG/TF 50)规定,张拉锚固后预应力筋在锚下的有效预应力应符合设计张拉控制应力的要求,两者的相对偏差不超过 ±5%,同一断面中预应力束的不均匀度应不超过±2%。

而《公路桥梁锚下有效预应力检测技术规程》(T/CECS G:J51-01-2020)则规定，反拉检测设备的测力仪器示值误差不大于±1%FS，位移测量仪器误差不大于±0.1%，位移测量仪器分辨率不大于0.01mm，锚下有效预应力检测结果的工程判定允许偏差不大于±5%。

综合上述行业规范与规程的相关要求，锚下预应力检测所配备的仪器设备的精度指标应能达到测力示值误差不低于±1%FS、预应力测量系统示值误差不低于±1.5%FS、位移测量仪器示值误差不大于±0.1%、分辨率不大于0.01mm等要求。

4 校准技术及装置的研发

4.1校准装置的计量性能设定

根据计量检定与校准的标准器配置原则，计量标准装置的准确度应不低于1/3被检仪器的最大允许误差，推算得到预应力检测系统校准的测力仪器示值校准装置的最大允许误差不超过±0.3%FS，预应力测量系统示值校准装置最大允许误差应不低于±0.5%FS，位移仪器校准装置最大允许误差应不低于±0.03%的要求。

4.2 校准技术研究思路

依据相关的技术标准和目前工程检测领域的应用情况，结合市场中主流产品的功能特性，从实际使用需求的角度来考虑设计校准方案，校准装置应包括测力仪器、预应力测量系统和位移仪器三部分的校准功能。其中测力仪器可参照《标准测力仪检定规程》(JJG 144-2007)进行校准，位移仪器校准可参照《线位移传感器校准规范》(JJF 1305-2011)进行校准。而预应力测量系统的校准则尚无可参照的方法，其又是影响测量结果的关键参数，因此是研究的主要方向。

曾经有某些科研院所、高校及仪器生产厂家采用模拟现场检测的方法，选用或制作一片标准的混凝土结构预制梁，在梁上安装标准测力计及液压张拉装置，进行锚下有效预应力检测系统校准的方法，简称“标准梁法”。由于标准预制梁制造精度、材料热变形特征和张拉力值的稳定性、重复性等影响因素，导致校准装置的稳定性得不到保障，通常效果都比较差。如果采用加工精度可以得到保证的钢结构，配以标准传感器与精密伺服液压系统，模拟预应力筋的张拉力学特性来设计校准装置，是本文研究的主要思路，因为其在材料、加工工艺、标准仪器的溯源性等方面都得到了有效保障。

4.3 校准装置的研制

经过较长时间的论证与试验，研制出如图2所示结构的预应力校准装置，该装置由长距反力框架、标准测力仪、液压张力发生及保持装置以及专用的测量控制软件等组成。工作原理为通过液压张力发生及保持装置对预应力筋进行张拉，给予其特定的张拉力，通过标准测力仪读取预应力值，将其稳定一段时间后，模拟出锚下有效预应力值，再利用预应力检测系统(被校仪器)在其一端进行反拉检测，对预应力筋弹性变化的位移与张拉力进行实时跟踪与采集。当预应力检测系统的张拉力达到液压张力发生及保持装置给予的稳定拉力时，工作夹片发生松动，预应力检测系统专用测量软件能够清晰地读取预应力值，通过与标准测力仪数据进行对比计算，进而得到预应力测量系统示值误差的校准结果。

图2 预应力测量系统校准装置结构

该装置的核心技术：(1)长距反力框架结构设计及加工精度的保证。长距反力框架能模拟出预应筋的张拉弹性变形特征，其两测量端面的平行度加工精度要求，以及自调整对中装置的专利设计，为反力框架能够提供良好的量值复现提供了保障；(2)精密液压伺服控制系统的张拉力发生与保持的精度，能够保证校准装置的标准预应力在检测过程中反复张拉所需良好的测量重复性；(3)传感系统的测量精度以及专用测量软件的动态数据采集与处理技术，能够通过测量模型对所采集的动态数据进行实时计算并分析筛选出有效的测量结果。

4.4 校准装置的使用与验证

预应力检测系统校准的软件界面如图3所示,主要包括参数设置、测量控制及数据显示部分。参数设置部分需要设置试验力值、稳定时间、加力速度等信息；测量控制部分包括开始按钮、停止按钮及暂停按钮；数据显示部分包括预应力标准值的显示、活塞的变化位移量以及F-S曲线，通过曲线能够实时展现出校准装置在被检预应力检测系统的外力作用时其标准力值随位移变化的过程。

图3 预应力检测系统校准软件界面

预应力校准装置的工作过程：将钢绞线安装在校准装置中，设定加力速度开始加力，当力值达到锚下预应力设定值的30%时，稳定30～60s后继续加力。当力值达到需校准点预设值时停止加力,稳定180s后,将系统切换成以位移变化量为闭环控制模式,再将被校的预应力检测系统安装在校准装置上，对钢绞线进行反向张拉检测，检测过程中随着被校预应力检测系统张拉力的逐步增大，校准装置的标准力值也会随之增大。待被校预应力系统完成检测后，在测量软件中读取校准装置的显示力值，与被校预应力系统的检测结果进行比较，从而可以判断被校预应力检测系统是否满足要求。

该装置经半年多时间的使用，完成了十余个生产厂家约30多台(套)预应力检测系统的校准，从校准装置的精确度、测量结果的重复性与稳定性以及校准结果的不确定度分析等方面,验证了该装置的适用性，可满足预应力检测系统的量值传递要求。

表1为某台比较典型的性能相对稳定的预应力检测系统通过本校准装置进行校准所产生的试验数据，校准数据经过分析与评价，满足有效预应力量值传递的技术要求。

表1 预应力检测系统校准试验数据

4.5 预应力测量系统示值校准结果不确定度分析

4.5.1 测量模型

测量模型：

(1)

式中:Q—相对示值误差；

fi—标准测力仪对应的力值；

FN—检测仪的最大量程值。

4.5.2 方差和传播系数

方差和传播系数：

y=f(x1,x2,…,xN)

(2)

当全部输入量Xi是彼此独立或不相关时，合成标准不确定uc(y)由下式得出：

(3)

(4)

求偏导得：C1=C2=1

4.5.3 标准不确定度评定

(1)A类标准不确定度。采用型号为MYLJC220-E的检测仪测量单根索有效预应力检测仪，比较检测值与标准测力仪传感器显示值的误差，以被检仪器量程上限200kN为测量点，3次重复测量试验数据见表2。

表2 试验数据

采用极差法，n=3时，C=1.69，则：

(5)

(2) 标准测力仪引入的不确定度(B类)。由检定证书给出的标准测力仪引入的相对最大允许误差为±0.3%，服从均匀分布，则标准不确定度为：

(6)

(3)环境和其它因素引入的不确定度(B类)。根据实验条件和惯例，u(E)=0.050kN。

4.5.4 标准不确定度

标准不确定度分量见表3。

表3 标准不确定度分量

4.5.5 合成不确定度

合成不确定度:

(7)

4.5.6 扩展不确定度

扩展不确定度:

取置信概率p=95%，(k=2)

U=2×0.37=0.74kN

相对最大测量值200kN时，Urel=0.4%，(k=2)

5 结语

根据预应力检测系统的测量原理，采用传统的千斤顶或压力变送器的校准方法难以达到量值有效溯源的要求。本文介绍的校准技术，结合了工程应用的实际，从计量校准的技术角度研发出准确度等级满足量值传递的要求、重复性可靠、长期稳定性有保障的专用校准装置，为预应力检测系统这种专用工程检测仪器设备的量值溯源提供了新的途径，解决了长期以来困扰工程试验检测机构的量值溯源难题，为预应力施工质量的控制提供技术支持。