预应力混凝土预应力筋张拉时机智能判定系统

王 炜，张延林，陈志远

(葛洲坝集团试验检测有限公司，宜昌 443002)

预应力混凝土技术是先对钢筋预先施加一定拉力，然后再浇注混凝土，待其完全凝固后，会在构件内部形成相应压力，从而避免裂缝过早产生[1]。在预应力混凝土施工过程中，预应力筋的张拉是一个重要环节，而进行这一施工工艺，需要满足相关规范和设计要求[2]，例如某工程设计要求“箱梁混凝土强度和弹性模量达到设计值的85%后，且混凝土龄期不小于7 d时，方可张拉预应力钢束”。

为了满足抗压强度和弹性模量的设计要求，需正确判定张拉时机。传统的预应力张拉施工中，多组不同龄期的混凝土抗压强度和弹性模量试件在构件旁边成型并进行相同条件养护，达到适宜龄期后进行相关试验。若试验结果不满足要求，还需延长养护龄期并重复测试，直到达到要求为止。由于存在较大的试验量及人工经验误差，且对混凝土抗压强度和弹性模量发展规律了解不深，判断张拉时机效果不佳，进而导致工程整体施工质量难以得到有效保证。

预应力混凝土预应力筋张拉时机智能判定系统的应用可以有效解决传统工艺存在的问题，大幅度提高预应力张拉施工效率与质量。胡垲研究表明预应力智能张拉技术能显著提高张拉力精度及钢束伸长量的测量精度，并能实现同步张拉[3]。邓勇表明预应力混凝土箱梁张拉系统中的应力和伸长量均能进行有效控制[4]。顾俊通过预应力混凝土箱梁智能张拉与压浆施工在大跨径河桥的应用表明该工艺能显著提高施工质量、桥梁的耐久性及安全性[5]。梁晓东采用预应力张拉力精度、同步精度、伸长量测量准确度三个指标来评价智能张拉和传统张拉，结果表明传统的张拉方式不能满足规范对预应力的要求，而智能张拉方式能够满足要求，并保证工程质量[6]。钱厚亮等对传统预应力张拉设备进行了数字化升级改造，改进后的智能预应力张拉装置具有良好的精度、实时性及安全性能,完全满足张拉工程需求[7]。

由于智能张拉系统具有较多优势，该文研制并开发了基于混凝土试件自振频率的抗压强度、弹性模量反馈装置和软件系统，通过实时感知混凝土的抗压强度和弹性模量，精准判断张拉时机，从而有效指导预应力混凝土的规范施工，并在高速公路预制梁厂进行了实地测试，且效果显著。

1 系统组成和结构

智能判定系统架构如图1所示，主要包含振动传感器、激振器、试件、固定锥、隔振垫、控制器、收发器、前置电脑、云服务器及客户端等。在该系统中，振动传感器为振动加速度传感器，频率响应范围上限不低于预估试件自振频率，分辨率优于1 Hz，底座设有固定螺孔；激振器采用电磁驱动，能产生瞬态振动，激振力大小约为2.0 N；试件为四棱柱混凝土试件，断面为正方形，其长度与断面边长比不小于2；固定锥为钢质杆状物，中段直径约为10 mm，一端设有锥形头，一端设有螺纹，长度约为试件边长的0.8倍；隔振垫为泡沫棉类物质，能阻隔振动的传播；隔振垫平置在坚硬的平面物体上，试件平放在隔振垫上，且四周留有余地，固定锥在混凝土试件具有流动性时插入试件中心部位，并露出带螺纹的端部；振动传感器通过螺纹安装在固定锥上；激振器搁置在试件端部上方，可以对试件实施激振；控制器能通过收发器接收前置电脑发出的激振指令，控制激振器产生振动；收发器与前置电脑相连，可以发出前置电脑产生的激振信号，接收振动传感器采集到的振动信号并传递给前置电脑；前置电脑与云服务器通过网络无线连接，能向云服务器上传采集到的振动数据，并能从云服务器下载试件基础数据；客户端可以访问云服务器，打开其中的检测程序进行基础数据设定和结果查询；云服务器可以对接收到的数据进行处理，通过表格和曲线进行数据分析，并供下载打印。

2 判定实施方式

2.1 建立推断基准

预先建立试件自振频率和抗压强度、弹性模量之间的关系方程，作为后续抗压强度、弹性模量的推断基准。具体操作为：选取具有代表性的混凝土试样，并成型自振频率试件2块左右，抗压强度试件和弹性模量试件6～8组。利用该系统间隔10～15 min对试件激振1次，采集由激振引发的试件振动加速度过程线，即时域波形，采样时长1 s，采样频率大于预估自振频率的2倍。对该时域波形进行傅里叶变换，得出频域波形并进行频率分析，从而得出试件的自振频率。持续激振混凝土试样直至硬化，得到1～2条试件的自振频率发展过程线。此外，在混凝土硬化过程中，对其试样进行多组抗压强度、弹性模量试验，从而找出多个时点对应的自振频率、抗压强度和弹性模量值，分别对抗压强度与自振频率、弹性模量与自振频率进行回归分析，得出其关系方程。最后，将得到的关系方程输入张拉时机智能判定系统管理软件中，供后续施工使用。

2.2 张拉时机判定

在预应力混凝土施工过程中，选取具有代表性的混凝土样品成型自振频率试件，测试其自振频率，并依据之前建立的关系方程，将自振频率过程线转化成抗压强度过程线和弹性模量过程线，将每个时点的抗压强度、弹性模量理论值与设计值进行对比，当二者均满足设计要求时，即判定该时点为预应力筋张拉临界点。临界点之后，允许进行张拉作业。

3 现场测试

将预应力混凝土预应力筋张拉时机智能判定系统搭建于某高速公路施工现场，并进行了实地测试。该高速公路施工现场的混凝土预制梁厂采用强度等级为C50的混凝土生产预制梁，其设计弹性模量为34.5 GPa，而根据相关规范，在进行预应力筋张拉时，混凝土抗压强度和弹性模量不能低于设计值的85%。预制梁混凝土配合比见表1。

表1 预制梁C50混凝土配合比 /(kg·m-3)

系统采用长方体的自振频率试件，其长、宽、高分别为300 mm、150 mm和150 mm；振动传感器为振动加速度传感器，频响范围为10 ～5 000 Hz，采样频率最高为25.6 kHz；加速度传感器灵敏度为500 mV/g，型号为ZD-710-1，收发器与之配套；定位锥采用不锈钢材质，长约120 mm；自制了门式激振器，由门式支架、调整螺母、顶盖、底座、电磁线圈、导向管、复位簧、撞针、缓冲垫片及电源插座等组成；控制器为无线控制器，主要包括ACDC模块、主控单片机、LoRa通信模块和继电器模块；隔振垫采用泡沫棉，厚度约30 mm。智能判定系统实地测试情景见图2。

建立生产预制梁所使用的C50混凝土的抗压强度和弹性模量反馈方程，成型8组150 mm立方体抗压强度试件、8组150 mm×150 mm×300 mm棱柱体弹性模量试件和2块150 mm×150 mm×300 mm的自振频率试件，其中抗压强度和弹性模量试件的测试龄期分别为2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d、14 d和28 d。试件成型完毕后，次日脱模，然后在自振频率试件上架设激振器和振动传感器，间隔15 min测试1次自振频率，测试龄期30 d，并在测试自振频率过程中，按照规定龄期进行抗压强度和弹性模量试验。自振频率、抗压强度和弹性模量测试结果见表2。

将表2中2块自振频率试件的平均自振频率(Fi)与试件的抗压强度(Pi)、弹性模量(Ei)分别进行回归分析，得出自振频率与抗压强度关系方程及自振频率与弹性模量关系方程。

表2 自振频率、抗压强度和弹性模量测试结果表

自振频率与抗压强度关系方程

Pi=0.165 07×100.001 33×Fi

自振频率与弹性模量关系方程

Ei=0.301 91×100.001 07×Fi

将上述关系方程输入系统，得到抗压强度发展过程线和弹性模量发展过程线，如图3和图4所示。由图3和图4可见，10月20日4:01混凝土抗压强度达到了42.5 MPa，满足张拉时的强度要求；10月21日17:31混凝土弹性模量达到了29.3 GPa，满足张拉时的弹性模量要求，而在10月21日17:31这一时间点，混凝土同时满足预应力筋张拉强度和弹性模量要求，故判定该时刻为张拉时机临界点。达到这一时间点之后，可进行张拉作业。

统计发现，混凝土抗压强度和弹性模量推断结果误差均在±8.5%以内，而在混凝土试验规程中要求抗压强度误差小于15%，故推断结果精确度满足规范要求，且精度较高。该方法通过无损的方式精准的预判了结构件的强度和弹性模量，为施工决策提供了更科学的依据。在养护条件良好的情况下，可以缩短张拉龄期，增加制梁基座、设备等的周转频率，降低成本。推断数据实时上传云服务器，可通过客户端查询，保证了检测结果的透明度和公正性，使得各方管理更加趋于规范，提高效率。

4 结 语

预应力混凝土预应力筋张拉时机智能判定系统通过自动测试混凝土试件的自振频率，结合预先建立的自振频率与抗压强度、弹性模量之间的关系方程，实时推断混凝土的抗压强度和弹性模量，并依据相关设计要求，及时判定出预应力筋张拉时机，从而指导工程预应力施工，且系统运行稳定，测值精准，判定及时，省时省力。该系统可以作为工程建设者科学管控工程质量的手段，通过应用能提高工程建设的智慧程度，降低从业人员的劳动强度，一定程度的缩短建设工期，降低建设成本。