一種自循環(huán)式壓電材料預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的制作方法

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(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)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(duì)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(yùn)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(gè)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(shí)，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(xiàng)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(shí)間的推移會(huì)危害結(jié)構(gòu)的安全特性。其次，雖然預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算過程中設(shè)計(jì)人員會(huì)對(duì)預(yù)應(yīng)力損失以及橋梁載荷的不斷增長(zhǎng)進(jìn)行基于安全系數(shù)計(jì)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(jì)不能滿足現(xiàn)有交通需求狀態(tài)的要求。最后，設(shè)計(jì)階段預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)過大或?qū)е聵蛄荷瞎?，影響具體橋梁結(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(jì)損失的情況下是不可以改變的，并不具備應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的自適應(yīng)能力。換言之，就是不能根據(jù)實(shí)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(shí)體材料，通過對(duì)于壓電材料兩端電壓的控制，根據(jù)逆壓電效應(yīng)實(shí)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(duì)于環(huán)境、荷載的適應(yīng)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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(dòng)化程度高等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁使用過程中對(duì)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(shí)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(chǔ)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??；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(chǔ)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(chǔ)存于儲(chǔ)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(cè)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(cè)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(cè)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)箱梁自身供電的自平衡。

大量適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)表明，壓電材料的工程強(qiáng)度、應(yīng)力強(qiáng)度略低于普通預(yù)應(yīng)力鋼筋，但完全滿足工程建設(shè)的需要，并且壓電材料和混凝土這兩種力學(xué)性能不同的材料能夠有效地結(jié)合在一起工作。在外部荷載的作用下，由于壓電材料與混凝土之間有著良好的粘結(jié)特性，保證了兩者能夠可靠的結(jié)合成一個(gè)整體，完成預(yù)應(yīng)力箱梁所需的結(jié)構(gòu)功能；壓電材料種類繁多，選取溫度膨脹系數(shù)與混凝土溫度膨脹系數(shù)接近的壓電材料取代原預(yù)應(yīng)力鋼筋可以保證當(dāng)溫度變化時(shí)，不致產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力而破壞兩者之間的粘結(jié)；同時(shí)，包圍在壓電材料之外的混凝土也起到保護(hù)壓電材料免收銹蝕的作用，從而保證了壓電材料與混凝土的共同作用。

優(yōu)選的，為了滿足橋梁運(yùn)營(yíng)階段監(jiān)控人員對(duì)于各部件應(yīng)力狀態(tài)的監(jiān)控需求，從而實(shí)現(xiàn)壓電發(fā)電裝置與壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件電能供給的相對(duì)平衡以及橋梁整體的安全監(jiān)控，所述橋梁監(jiān)控系統(tǒng)包括正壓電監(jiān)控系統(tǒng)、抗裂監(jiān)控系統(tǒng)及預(yù)應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)；

其中，正壓電監(jiān)控系統(tǒng)與A組應(yīng)力傳感器相連，用于計(jì)算并監(jiān)控壓電發(fā)電裝置的發(fā)電量；抗裂監(jiān)控系統(tǒng)與B組應(yīng)力傳感器相連，用于監(jiān)控箱梁受拉區(qū)域的拉應(yīng)力，從而保證箱梁在荷載作用下不會(huì)產(chǎn)生裂縫；預(yù)應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)與C組應(yīng)力傳感器相連，用于監(jiān)控壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件上的預(yù)應(yīng)力大小。

優(yōu)選的，為了避免供電不足而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力調(diào)整不到位，所述儲(chǔ)能電路包括蓄電池及變壓器，壓電發(fā)電裝置通過變壓器與蓄電池相連充電，蓄電池通過變壓器與放電裝置相連放電，且蓄電池與外電網(wǎng)連接充電。

優(yōu)選的，為了實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的宏觀調(diào)控，從而保證橋梁處于理想受力狀態(tài)及電能供給平衡，所述控制中心與正壓電監(jiān)控系統(tǒng)、抗裂監(jiān)控系統(tǒng)及預(yù)應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)相連，用于接收所反饋的箱梁底面拉應(yīng)力、壓電發(fā)電裝置供電量及壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件上預(yù)應(yīng)力大?。?/p>

控制中心通過放電裝置控制壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件兩端的電壓來調(diào)整壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件上的預(yù)應(yīng)力大小，從而保證箱梁底面的拉應(yīng)力始終在允許值內(nèi)；

當(dāng)檢測(cè)出壓電發(fā)電裝置供電量不足以提供壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件兩端所需的電勢(shì)差時(shí)，控制中心控制蓄電池從外電網(wǎng)輸電，從而保證壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件上的預(yù)應(yīng)力始終可控。

優(yōu)選的，所述壓電發(fā)電裝置包括沿箱梁寬度方向并列設(shè)置的若干壓電桿，且壓電桿沿箱梁長(zhǎng)度方向延伸，其兩端與儲(chǔ)能電路相連。

優(yōu)選的，為了保證應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所述每組應(yīng)力傳感器包括五個(gè)應(yīng)力傳感器，且分別設(shè)置于箱梁中軸線或壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的兩端、中點(diǎn)及1/4處。

有益效果：本發(fā)明提供的一種自循環(huán)式壓電材料預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、能夠根據(jù)環(huán)境及荷載變化對(duì)預(yù)應(yīng)力大小進(jìn)行調(diào)整，從根本上避免了橋梁裂縫病害的發(fā)生，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的耐久性；2、將壓電材料應(yīng)用于橋梁的受壓區(qū)，并輔助以外電供給，基本實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)體系內(nèi)電能的自循環(huán)供給，節(jié)能環(huán)保；3、建立了一套完整的橋梁監(jiān)控、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而保證了橋梁運(yùn)營(yíng)過程的安全性和獨(dú)立性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的縱截面圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的橫截面圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中儲(chǔ)能電路的簡(jiǎn)單電路圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的控制原理圖；

圖中包括：1、壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，2、壓電發(fā)電裝置，3、放電裝置，4、A組應(yīng)力傳感器，5、B組應(yīng)力傳感器，6、C組應(yīng)力傳感器，7、儲(chǔ)能電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1所示為一種自循環(huán)式壓電材料預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其特征在于，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；

如圖2、3所示，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1、壓電發(fā)電裝置2、儲(chǔ)能電路7；壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1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1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1上的預(yù)應(yīng)力大??；壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1的兩端設(shè)置有放電裝置3，用于控制壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1兩端的電壓；壓電發(fā)電裝置2設(shè)置于箱梁頂部受壓區(qū)域，且通過儲(chǔ)能電路7與放電裝置3相連；壓電發(fā)電裝置2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(chǔ)存于儲(chǔ)能電路7中；

如圖1、2所示，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4設(shè)置于箱梁頂面，用于檢測(cè)箱梁頂面的受壓應(yīng)力；B組應(yīng)力傳感器5設(shè)置于箱梁底面，用于檢測(cè)箱梁底面的受拉應(yīng)力；C組應(yīng)力傳感器6設(shè)置于壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1上，用于檢測(cè)壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1上的預(yù)應(yīng)力大小。

本實(shí)施例中，所述每組應(yīng)力傳感器包括五個(gè)應(yīng)力傳感器，且分別設(shè)置于箱梁中軸線或壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1的兩端、中點(diǎn)及1/4處；所述壓電發(fā)電裝置2包括沿箱梁寬度方向并列設(shè)置的若干壓電桿，且壓電桿沿箱梁長(zhǎng)度方向延伸，其兩端與儲(chǔ)能電路7相連。

本實(shí)施例中，所述橋梁監(jiān)控系統(tǒng)包括正壓電監(jiān)控系統(tǒng)、抗裂監(jiān)控系統(tǒng)及預(yù)應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)；其中，正壓電監(jiān)控系統(tǒng)與A組應(yīng)力傳感器4相連，用于計(jì)算并監(jiān)控壓電發(fā)電裝置2的發(fā)電量；抗裂監(jiān)控系統(tǒng)與B組應(yīng)力傳感器5相連，用于監(jiān)控箱梁底面的受拉應(yīng)力，從而保證箱梁底面在荷載作用下不會(huì)產(chǎn)生裂縫；預(yù)應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)與C組應(yīng)力傳感器6相連，用于監(jiān)控壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1上的預(yù)應(yīng)力大小。

如圖4所示，所述儲(chǔ)能電路7包括蓄電池及變壓器，壓電發(fā)電裝置2通過變壓器與蓄電池相連充電，蓄電池通過變壓器與放電裝置3相連放電，且蓄電池與外電網(wǎng)連接充電。

如圖5所示，所述控制中心與正壓電監(jiān)控系統(tǒng)、抗裂監(jiān)控系統(tǒng)及預(yù)應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)相連，用于接收所反饋的箱梁底面拉應(yīng)力、壓電發(fā)電裝置2供電量及壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1上預(yù)應(yīng)力大??；

控制中心通過放電裝置3控制壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1兩端的電壓來調(diào)整壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1上的預(yù)應(yīng)力大小，從而保證箱梁底面的拉應(yīng)力始終在允許值內(nèi)；

當(dāng)檢測(cè)出壓電發(fā)電裝置2供電量不足以提供壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1兩端所需的電壓時(shí)，控制中心控制蓄電池從外電網(wǎng)輸電，從而保證壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1上的預(yù)應(yīng)力始終可控。

本發(fā)明的理想狀態(tài)受力模型基于《橋規(guī)》(JTG D62)規(guī)定的部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件——在作用(或荷載)短期效應(yīng)下，控制截面受拉邊緣允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，但控制拉應(yīng)力不得超過某個(gè)允許值，(對(duì)于這種情況，國(guó)際上習(xí)慣稱為有限預(yù)應(yīng)力混凝土)。本發(fā)明的理想狀態(tài)為，箱梁截面受拉邊緣允許出現(xiàn)的拉應(yīng)力略小于裂縫產(chǎn)生所需的拉應(yīng)力，這樣既保證了橋梁的耐久性，又能使箱梁截面受拉區(qū)域仍為受拉狀態(tài)。

本發(fā)明的理想結(jié)構(gòu)狀態(tài)為：

σ_lf＝σ_fd-σ_cond

其中，σ_lf——梁底裂縫產(chǎn)生所需的拉應(yīng)力，即箱梁底面拉應(yīng)力的允許值；

σ_fd——由橋梁自身承受恒載和由車輛等產(chǎn)生的活載作用在梁底面所產(chǎn)生的拉應(yīng)力；

σ_cond——由壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件抵消的梁底拉應(yīng)力。

本發(fā)明在正壓電效應(yīng)理論的基礎(chǔ)上提出了關(guān)于箱形梁理想受壓區(qū)壓電材料發(fā)電量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式模型，即：

式中，D_n——電位移；

d_nj——壓電應(yīng)變常數(shù)；

T_i——分別代表左梁端、左1/4處、梁中點(diǎn)、右1/4處以及右梁端處箱形梁表面的傳感器應(yīng)力數(shù)值；

α_i——分別代表左梁端、左1/4處、梁中點(diǎn)、右1/4處以及右梁端處應(yīng)力張量的加權(quán)修正系數(shù)；

β——加權(quán)平均修正系數(shù)；

K₁——梁截面類型修正系數(shù)(主要表示翼緣板寬度與腹板寬度的比值)；

K₂——梁長(zhǎng)修正系數(shù)；

K₃——梁高修正系數(shù)；

K₄——梁體混凝土材料修正系數(shù)。

本發(fā)明在負(fù)壓電效應(yīng)理論的基礎(chǔ)上提出了關(guān)于壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在應(yīng)力需求條件下對(duì)應(yīng)的兩端電位移加載工程經(jīng)驗(yàn)公式，即：

T_j＝K₁·K₂·K₃·K₄·K₅·K₆·e_mj·E_j

式中，K₁——摩阻力損失系數(shù)；

K₂——錨具變形損失系數(shù)；

K₃——溫差效應(yīng)系數(shù)；

K₄——混凝土預(yù)應(yīng)力效應(yīng)作用下的壓縮影響系數(shù)；

K₅——壓電材料自身應(yīng)力損失系數(shù)；

K₆——混凝土長(zhǎng)期荷載作用下收縮、徐變影響系數(shù)；

T_j——應(yīng)力；

e_mj——壓電常數(shù)；

E_j——外加電場(chǎng)。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式如下：

如圖5所示，當(dāng)上述箱梁投入工作使用階段后，三組傳感器開始工作，對(duì)梁體的各個(gè)部位進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)圖1中B組傳感器5檢測(cè)到梁底拉應(yīng)力逐步增大并有促使梁底面開裂的趨勢(shì)時(shí)，傳感器將應(yīng)力數(shù)據(jù)傳遞到控制中心，控制中心通過放電裝置3改變壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件1兩端的電勢(shì)差從而達(dá)到控制預(yù)應(yīng)力大小的目的；在調(diào)整過程中，通過圖1中C組傳感器6讀取即時(shí)預(yù)應(yīng)力大小，通過圖1中B組傳感器5讀取即時(shí)底面壓應(yīng)力大小，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

在全運(yùn)營(yíng)過程中，圖1中A組傳感器4全天候監(jiān)控箱梁頂部壓應(yīng)力大小，并分析壓電發(fā)電裝置2的產(chǎn)能結(jié)果；當(dāng)檢測(cè)到壓電發(fā)電裝置2由機(jī)械能轉(zhuǎn)化的電量不足應(yīng)完全供給壓電預(yù)應(yīng)力構(gòu)件用電需求時(shí)，我們將外電網(wǎng)連入結(jié)構(gòu)體系。

本發(fā)明中，全部指令、數(shù)據(jù)都可以與控制中心相連的控制面板來發(fā)布和讀取，通過控制面板可以讀出梁底部的受拉應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力大小、即時(shí)供電量，并可對(duì)預(yù)應(yīng)力大小、供電需求進(jìn)行調(diào)控。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。