基于精轧螺纹钢抗浮锚杆固有频率的预应力无损检测方法与流程

1.本发明属于抗浮锚杆预应力检测技术领域，具体涉及一种基于精轧螺纹钢抗浮锚杆固有频率的预应力无损检测方法，用于对精轧螺纹钢抗浮锚杆的预应力进行检测。


背景技术：

2.随着地下空间的开发和利用，地下空间的抗浮问题随之而来。抗浮锚杆广泛应用于地下空间抗浮，但抗浮锚杆在服役过程中由于锚固段注浆体开裂导致抗浮锚杆的耐久性差、可靠度降低。另外，随着《建筑工程抗浮技术标准》(jgj476-2019)于2020年3月1日实施，对抗浮锚杆耐久性提出了更为严格的要求：抗浮设计等级为甲级的工程，锚固浆体中不应产生拉应力；抗浮设计等级为乙级的工程，锚固浆体中拉应力不应大于锚固浆体的轴心受拉强度；抗浮设计等级为丙级的工程，锚固浆体的裂缝宽度不应大于最大裂缝限值。
3.为控制抗浮锚杆的裂缝、解决抗浮锚杆的耐久性差的问题，工程技术人员在抗浮锚杆中通过张拉锚杆钢筋施加预应力，即通过给抗浮锚杆施加预应力以达到控制抗浮锚杆裂缝、提高耐久性的目的。
4.虽然向抗浮锚杆施加预应力能够控制抗浮锚杆裂缝、提高耐久性，但是由于钢筋张拉施工过程中由于工人操作水平、油表误差、预应力锚垫板安装等问题均会导致预应力不能达到设计值、预应力损失；甚至张拉完成较短时间后，预应力钢筋产生较大的预应力损失；从而导致施加的预应力无法满足设计要求，影响抗浮锚杆的耐久性。
5.因此，准确地按照设计要求施加预应力成为抗浮锚杆裂缝控制的关键环节。然而，目前缺乏针对抗浮锚杆的预应力的检测方法，无法对抗浮锚杆预应力施加效果以及预应力损失进行评估。
6.目前，针对其他预应力结构如预应力混凝土连续(钢构)箱梁桥腹板的预应力检测方法有油表换算法、压力传感器法、应变片测试法、磁通量检测法、回缩量检测法、超声波应力检测法。然而，这些方法都存在不足，如油压表换算法仅适用施工单位在张拉时控制其应力，并不适合事后检测、抽查；压力传感器测试法仪器购买费用高，不适合工程实践；应变片测试法测试周期长，应变片容易剥落、失效；磁通量检测法目前的技术还不成熟，因此关于该方法测试的结果是否可靠性还有待考证；回缩量检测法精度差，且在测量回缩量时还存在一定安全风险；超声波应力检测法能量损失快、误差大。所以很难通过对现有其他预应力结构的预应力检测方法进行改造以应用于预应力抗浮锚杆结构。


技术实现要素：

7.本发明为了解决抗浮锚杆缺乏一种操作简单、性能可靠的预应力检测方法问题，而提供一种基于精轧螺纹钢抗浮锚杆固有频率的预应力无损检测方法，能够快速、可靠的完成抗浮锚杆的预应力检测，填补了抗浮锚杆预应力检测空白。
8.为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：
9.一种基于精轧螺纹钢抗浮锚杆固有频率的预应力无损检测方法，其特征在于，包
括：
10.(1)预先获取精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋在预应力作用下的一阶固有频率(简称基频)，从而建立精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的预应力值与一阶固有频率的关系曲线；
11.(2)通过检测系统获取现场已经施加预应力的精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的一阶固有频率；
12.(3)根据步骤(1)建立的预应力值与一阶固定频率的关系曲线和步骤(2)获取到的一阶固定频率从而得到该精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的预应力值。
13.在一些实施例中，所述步骤(1)中，通过检测系统来获取精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋在预应力作用下的一阶固定频率。
14.在一些实施例中，所述检测系统包括第一加速度传感器和第二加速度传感器，所述第一加速度传感器安装在精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的上端，所述第二加速度传感器安装在精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的下段，所述第一加速度传感器的上端与精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的上端面齐平，所述第二加速度传感器的下端面与精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋下端的预应力锚头的上端面贴合，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器均与信号采集器电连接。
15.在一些实施例中，所述第一加速度传感器用于监测精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋输入的加速度时程曲线，所述第二加速度传感器用于监测精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋响应的加速度时程曲线；所述信号采集器用于对接收到的信号进行时频分析从而获得第一加速度传感器对应的加速度卓越频率f1和第二加速度传感器对应的加速度卓越频率f2,加速度卓越频率f2除以加速度卓越频率f1得到精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的一阶固有频率。
16.在一些实施例中，所述精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的预应力值p通过如下公式获得：
17.其中，f为精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的一阶固有频率，r为锚头直径与精轧螺纹钢直径的平均值，m为锚头的质量，l为精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋长度，ρ为精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的线密度，a和b为实验参数。
18.在一些实施例中，实验参数a和b通过如下方式获得：
19.在对精轧螺纹钢进行分级张拉时，每级载荷张拉时通过第一加速度传感器、第二加速度传感器和信号采集器获得精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋在该载荷下的一阶固有频率f，然后通过穿心式压力传感器获取到施加给精轧螺纹钢抗浮锚杆的预应力值p；在对精轧螺纹钢抗浮锚杆进行多级载荷加载之后，得到多对f和p值；最后对多对f和p值进行曲线拟合即可得到a和b的数值。
20.在一些实施例中，在对精轧螺纹钢进行分级张拉时，应当在每级载荷下静止一定时间。
21.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
22.本发明的基于精轧螺纹钢抗浮锚杆固有频率的预应力无损检测方法，通过预先获取(在室内实验室获取)到精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的一阶固有频率与预应力值
大小的关系曲线。当现场施工基于精轧螺纹钢抗浮锚杆时，通过检测系统(第一加速度传感器、第二加速度传感器和信号采集器)获取到现场的精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的一阶固有频率即可以通过预先获取到的一阶固有频率与预应力值大小的关系曲线获取到该精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的预应力值大小。
23.本发明通过获取到精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的一阶固有频率即可获取到精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的预应力值，填补了预应力抗浮锚杆的预应力检测的空白。相比于现有技术采用应变片测试法，具有预应力值获取时间短的特点，并且避免了安装应变片麻烦、容易脱落、失效的问题。相比于现有技术采用回缩量检测法，具有精度高、操作安全性高的优点。相比于现有技术采用超声波应力检测法，具有精度高的特点。
24.本发明在现场检测时，只需要通过检测系统(即第一加速度传感器、第二加速度传感器和信号采集器)获取到精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的一阶固有频率即可，具有检测速度快、现场操作方便、稳定可靠的特点，大大节约了抗浮锚杆预应力检测的时间，从而不会因预应力检测而影响施工进度，最终达到节约施工成本的目的。
25.并且本发明的检测系统能够重复利用，大大降低预应力检测的成本。
26.本发明在室内实验室预先获取精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的一阶固有频率与预应力值大小的关系曲线，仅仅需要对一根抗浮锚杆进行标定就可以获得整个批次的一阶固有频率与预应力值的关系曲线，进一步提高抗浮锚杆预应力的检测速度。并且本发明在室内(如实验室获取精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的一阶固有频率与预应力值大小的关系曲线)与现场检测能够同步进行，并不影响现场预应力抗浮锚杆的检测进度，进而达到提高检测速度的目的。
附图说明
27.图1为精轧螺纹钢抗浮锚杆一实施例的结构示意图；
28.图2为精轧螺纹钢抗浮锚杆施加预应力前的局部结构示意图；
29.图3为本发明的检测系统在对施加了预应力的精轧螺纹钢抗浮锚杆的进行检测时的结构示意图；
30.图4为本发明的检测系统在室内(或者实验室)获取精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的预应力值与一阶固有频率的关系曲线时的结构示意图；
31.图5为本发明预先获取到的一实施例的精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的预应力值与一阶固有频率的关系曲线示意图；
32.图中标记：1、锚孔，2、精轧螺纹钢，3、承载体，4、套管，5、垫层，6、预应力垫板，7、预应力锚头，8、配套锚板，9、配套锚头，10、基础或者抗水板，11、第一加速度传感器，12、第二加速度传感器，13、信号采集器，14、橡皮锤，15、千斤顶及反力装置，16、传力部件，17、穿心式压力传感器。
具体实施方式
33.下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.结合附图1和附图2，为本发明讲述的精轧螺纹钢抗浮锚杆一实施例的结构示意图，精轧螺纹钢抗浮锚杆包括锚孔1、置于锚孔1中的精轧螺纹钢2，锚孔1与精轧螺纹钢2之间的空间用于填充混凝土，混凝土凝固后即形成锚固体，锚孔1的上端的土体铺设有垫层5，精轧螺纹钢2的上端穿出垫层5并配设有预应力锚板6和预应力锚头7，其中，精轧螺纹钢2的下段间隔设置有多个承载体3，位于锚孔自由段的精轧螺纹钢2的外围套设有套管4。当精轧螺纹钢抗浮锚杆的混凝土达到一定强度后，便需要对精轧螺纹钢2施加预应力，施加预应力之后，通过预应力锚头7与预应力垫板6对精轧螺纹钢2进行锁定。当精轧螺纹钢2预应力施加完成后需要对预应力值进行检测，若预应力值达到设计要求之后，在精轧螺纹钢2的上段套设有配套锚板8和配套锚头9，最后浇筑基础或者抗水板10将配套锚板8和配套锚头9进行预埋。
36.其中，对于精轧螺纹钢抗浮锚杆的施工、预应力施加和锁定均属于现有技术，本领域的技术人员都能明白和理解，在此不再赘述。
37.结合附图1至附图4，本发明的基于精轧螺纹钢抗浮锚杆固有频率的预应力无损检测方法，包括：
38.(1)预先获取精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋在预应力作用下的一阶固有频率(简称基频)，从而建立精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的预应力值与一阶固有频率的关系曲线；其中，本发明中讲述的外露段钢筋是指：位于预应力锚头7上方的精轧螺杆钢2。
39.(2)通过检测系统获取现场已经施加预应力的精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的一阶固有频率；
40.(3)根据步骤(1)建立的预应力值与一阶固定频率的关系曲线和步骤(2)获取到的一阶固定频率从而得到该精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的预应力值。从而快速的获取到精轧螺杆钢抗浮锚杆的预应力值。
41.本发明的基于精轧螺纹钢抗浮锚杆固有频率的预应力无损检测方法，通过预先获取(在室内实验室获取)到精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的一阶固有频率与预应力值大小的关系曲线。当现场施工基于精轧螺纹钢抗浮锚杆时，通过检测系统(第一加速度传感器、第二加速度传感器和信号采集器)获取到现场的精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的一阶固有频率即可以通过预先获取到的一阶固有频率与预应力值大小的关系曲线获取到该精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的预应力值大小。
42.本发明通过获取到精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的一阶固有频率即可获取到精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的预应力值，填补了预应力抗浮锚杆的预应力检测的空白。相比于现有技术采用应变片测试法，具有预应力值获取时间短的特点，并且避免了安装
应变片麻烦、容易脱落、失效的问题。相比于现有技术采用回缩量检测法，具有精度高、操作安全性高的优点。相比于现有技术采用超声波应力检测法，具有精度高的特点。
43.在一些实施例中，所述步骤(1)中，通过检测系统来获取精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋在预应力作用下的一阶固定频率。
44.在一些实施例中，所述检测系统包括第一加速度传感器11和第二加速度传感器12，所述第一加速度传感器11安装在精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的上端，所述第二加速度传感器12安装在精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的下段，所述第一加速度传感器11的上端与精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的上端面齐平，所述第二加速度传感器12的下端面与精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋下端的预应力锚头7的上端面贴合，所述第一加速度传感器11和第二加速度传感器12均与信号采集器13电连接。
45.在一些实施例中，所述第一加速度传感器11用于监测精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋输入的加速度时程曲线，所述第二加速度传感器12用于监测精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋响应的加速度时程曲线；所述信号采集器13用于对接收到的信号进行时频分析从而获得第一加速度传感器11对应的加速度卓越频率f1和第二加速度传感器对应的加速度卓越频率f2,加速度卓越频率f2除以加速度卓越频率f1得到精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的一阶固有频率。结合附图3和附图，检测系统在测试时，需要利用橡皮锤14对精轧螺纹钢2的顶部进行敲击，从而利用第一加速度传感器和第二加速度传感器进行监测。
46.在一些实施例中，所述精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的预应力值p通过如下公式获得：
47.其中，f为精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋的一阶固有频率，r为锚头直径与精轧螺纹钢直径的平均值，m为锚头的质量，l为精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋长度，ρ为精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的线密度，a和b为实验参数。
48.在一些实施例中，实验参数a和b通过如下方式获得：
49.结合附图4，在对精轧螺纹钢2进行分级张拉时，每级载荷张拉时通过第一加速度传感器11、第二加速度传感器12和信号采集器13获得精轧螺纹钢抗浮锚杆外露段钢筋在该载荷下的一阶固有频率f，然后通过穿心式压力传感器17获取到施加给精轧螺纹钢抗浮锚杆的预应力值p；在对精轧螺纹钢抗浮锚杆进行多级载荷加载之后，得到多对f和p值(即是说一个一阶固有频率对应与一个p值)；最后对多对f和p值进行曲线拟合即可得到a和b的数值。
50.在一些实施例中，在对精轧螺纹钢进行分级张拉时，应当在每级载荷下静止一定时间(例如5min、10min)，即在该时间内不改变施加给精轧螺纹钢2的预应力大小。
51.由于在对精轧螺杆钢抗浮锚杆施加预应力(即对精轧螺纹钢进行张拉)时，并不是将预应力一次性加大到设定值，而是通过张拉设备(例如千斤顶及反力装置)逐级施加预应力，在施加一个大小的预应力值后，需要在该预应力大小的前提下保持一段时间；然后再加大施加的预应力值，如此循环进行直至施加的预应力值达到设计要求。本领域的技术人员都能明白和理解，在此不再赘述。
52.结合附图3和附图4，当利用本发明的检测系统来获取精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的预应力值与一阶固有频率的关系曲线的时候，检测系统还包括(或者配套有)千斤
顶及反力装置15、传力部件16(例如钢筒)、穿心式压力传感器17。即当在室内(如实验室)或者其他场所进行标定的时候，利用垫层5、精轧螺纹钢2、预应力锚头7、预应力垫板6、传力部件16、穿心式压力传感器17一起来模型精轧螺纹钢抗浮锚杆。请结合附图4，精轧螺纹钢2的上端穿出垫层5并且配套有预应力垫板6和预应力锚头7，预应力垫板6与垫层5的相互接触，垫层5的下方设置有传力部件16，精轧螺纹钢2的下段穿出传力部件16并配设有预应力垫板6和预应力锚头7，垫层5下方的预应力垫板6与传力部件16相互接触，垫层5下方的预应力锚头7的下端面配设有套设在精轧螺纹钢2上的穿心式压力传感器17。该检测系统在使用时，通过千斤顶及反力装置15对精轧螺纹钢2施加预应力，并通过穿心式压力传感器17获得施加给精轧螺纹钢2的预应力值p，并通过第一加速度传感器11、第二加速度传感器12和信号采集器13获得该精轧螺纹钢2的外露段钢筋的一阶固有频率，在对精轧螺纹钢进行多级载荷加载之后，得到多对f和p值(即是说一个一阶固有频率对应与一个p值)；最后对多对f和p值进行曲线拟合即可得到a和b的数值。即将f和p的值带入如下公式进行反推得到a和b的数值：
53.公式为：
54.由于在现场施工精轧螺纹钢抗浮锚杆时，由于穿心式压力传感器17成本高，不适合于施工现场的检测。
55.本发明的检测系统在抗浮锚杆的施工现场时的结构就很简单，即利用第一加速度传感器11、第二加速度传感器和信号采集器13就构成了施工现场的检测系统(配套橡皮锤14,或者直接利用施工现场的橡皮锤)，具有成本低、可循环利用、操作简单可靠的特点。
56.由于同一施工现场，使用的精轧螺纹钢2的尺寸、预应力锚头7和预应力锚板6的尺寸基本上一致。因此，本发明针对一个施工项目，预先获取一个外露段钢筋的预应力值与一阶固有频率的关系曲线即可对整个施工项目的各个抗浮锚杆进行预应力检测，大大提高了预应力检测的效率和降低预应力检测的成本。
57.当然，针对不同施工现场，设计的抗浮锚杆的精轧螺纹钢2尺寸、预应力锚头7尺寸会有所不同，那么依据施工现场的条件获取外露段钢筋的预应力值与一阶固有频率的关系曲线即可。
58.本发明在现场检测时，只需要通过检测系统(即第一加速度传感器、第二加速度传感器和信号采集器)获取到精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的一阶固有频率即可，具有检测速度快、现场操作方便、稳定可靠的特点，大大节约了抗浮锚杆预应力检测的时间，从而不会因预应力检测而影响施工进度，最终达到节约施工成本的目的。
59.本发明在室内实验室预先获取精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的一阶固有频率与预应力值大小的关系曲线，仅仅需要对一根抗浮锚杆进行标定就可以获得整个批次的一阶固有频率与预应力值的关系曲线，进一步提高抗浮锚杆预应力的检测速度。并且本发明在室内(如实验室获取精轧螺纹钢抗浮锚杆的外露段钢筋的一阶固有频率与预应力值大小的关系曲线)与现场检测能够同步进行，并不影响现场预应力抗浮锚杆的检测进度，进而达到提高检测速度的目的。
60.本发明的检测方法具有操作简单方便、可靠性高、检测速度快的特点，由于一个施工现场预应力抗浮锚杆的数量本身就比较多，需要对每一根抗浮锚杆进行检测，因此，整体
上能够节约大量的检测时间，从而缩短抗浮锚杆的施工周期，降低施工成本。