吳益林，唐 波，高 科

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

隨著現代橋梁工程建設的需要，預應力結構工程得到廣泛應用。施工質量直接關系到結構的安全性和耐久性，因此在預應力工程結構施工過程中進行預應力檢測，對其施工質量進行控制就顯得尤為重要[1-4]。預應力施工需要控制的是預應力筋張拉錨固后，工作錨具錨口下預應力的留存值，即錨下有效預應力值，目前常用的檢測方法有應變法與反拉法等。應變法是在鋼絞線上安裝應變片或測力傳感器的檢測方法，反拉法則是在橋梁體外對已張拉的預應力筋再次施加載荷，進行有效預應力的檢測方法[5]。反拉法以測量精度高、操作安全簡便、外界因素影響小、不損壞已張拉的預應力結構、可重復檢測等優(yōu)點，被工程試驗檢測機構廣泛推廣與應用[6]。

錨下有效預應力檢測系統(本文簡稱“預應力檢測系統”)，是近年來開發(fā)出來專門用于預應力檢測的精密復雜儀器，該儀器基于單根反拉法的工作原理，采用液壓千斤頂對預應力筋進行反向張拉，對預應力筋彈性變化過程中的位移與張拉力進行實時跟蹤與采集，并通過測量信號實時反饋至控制系統，由控制系統在動態(tài)變化的力值-位移曲線中截取錨下有效預應力值。目前，該儀器由于尚缺乏有效的國家或行業(yè)標準以及計量技術規(guī)范等，在量值溯源方面存在一定的困難，因此，本文探討針對該儀器提出一種新的校準方法。

1 預應力檢測系統結構及工作原理

預應力檢測系統主要由自鎖式千斤頂、液壓伺服系統、測力裝置、位移裝置和計算機軟件等組成,其工作原理是將預應力筋(鋼絞線)視為彈性結構，對鋼鉸線的外露段進行反向張拉，通過連續(xù)測量反拉過程中預應力鋼鉸線的伸長量S和反拉力F的特性曲線關系，跟蹤曲線的切線斜率變化，從而得到錨下有效預應力值。反拉過程中理想狀態(tài)下F與S的關系如圖1所示。

圖1 理想狀態(tài)下F與S的關系

預應力檢測過程F-S曲線圖分析：檢測初始階段，張拉鋼絞線位移變化較大，而反拉力變化不大，在F-S曲線中表現為曲線斜率較小，如圖1中OA段所示；當反拉力繼續(xù)增大，反拉外露段鋼絞線發(fā)生彈性變形，曲線的斜率逐漸增大且趨于穩(wěn)定，如圖1中AB段所示；當反拉力大于預應力時，鋼絞線夾片松動，外露段與自由段共同受力的瞬間曲線斜率突然減小，如圖1中BC段所示。

通過對F-S曲線圖形的分析可知，利用曲線斜率的變化拐點特征，得到與鋼絞線預應力平衡力大小一致的檢測力，即為施工后工程結構中的錨下有效預應力值。由于預應力檢測是從反拉過程中通過力值與位移的動態(tài)變化所獲得，因此對于檢測系統的力值與位移測量參數的準確性，以及跟蹤F-S曲線變化而及時截取有效預應力值就成了檢測系統的關鍵技術[7]。

2 預應力檢測系統在工程領域的應用

2.1 預應力檢測系統常見產品

目前國內市場的主流生產廠家主要有重慶忠誠預應力工程技術有限公司、武漢中巖科技股份有限公司、四川升拓檢測設備技術股份有限公司、上海同禾土木工程科技有限公司以及湖南聯智科技股份有限公司等產品，其產品的預應力值測量范圍一般都在0～200kN左右，最大允許誤差范圍一般為±(1%～2%)FS。

2.2 預應力檢測系統量值溯源

經調研多家工程試驗檢測機構的預應力檢測系統的量值溯源情況，提供的校準證書顯示所采用的技術標準主要為《液壓千斤頂檢定規(guī)程》(JJG 621-2012)、《壓力變送器檢定規(guī)程》(JJG 882-2004)和《錨下預應力檢測儀校準規(guī)范》(JJF(渝)031-2019)等計量技術規(guī)范。證書的出具單位通常也都不具備預應力檢測系統項目的校準資質，也沒有配備相應的計量標準器具，大多數僅僅只是針對其靜態(tài)力學性能進行校準,而未對其關鍵技術參數預應力測量系統的動態(tài)系統誤差進行校準，因此，即使是經過校準的預應力檢測系統，在使用過程中也經常會出現檢測數據差異較大、檢測結果判定不一致性的現象，給工程試驗檢測工作帶來不少的困惑。

3 相關技術標準

《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JTG/TF 50)規(guī)定,張拉錨固后預應力筋在錨下的有效預應力應符合設計張拉控制應力的要求,兩者的相對偏差不超過 ±5%,同一斷面中預應力束的不均勻度應不超過±2%。

而《公路橋梁錨下有效預應力檢測技術規(guī)程》(T/CECS G:J51-01-2020)則規(guī)定，反拉檢測設備的測力儀器示值誤差不大于±1%FS，位移測量儀器誤差不大于±0.1%，位移測量儀器分辨率不大于0.01mm，錨下有效預應力檢測結果的工程判定允許偏差不大于±5%。

綜合上述行業(yè)規(guī)范與規(guī)程的相關要求，錨下預應力檢測所配備的儀器設備的精度指標應能達到測力示值誤差不低于±1%FS、預應力測量系統示值誤差不低于±1.5%FS、位移測量儀器示值誤差不大于±0.1%、分辨率不大于0.01mm等要求。

4 校準技術及裝置的研發(fā)

4.1校準裝置的計量性能設定

根據計量檢定與校準的標準器配置原則，計量標準裝置的準確度應不低于1/3被檢儀器的最大允許誤差，推算得到預應力檢測系統校準的測力儀器示值校準裝置的最大允許誤差不超過±0.3%FS，預應力測量系統示值校準裝置最大允許誤差應不低于±0.5%FS，位移儀器校準裝置最大允許誤差應不低于±0.03%的要求。

4.2 校準技術研究思路

依據相關的技術標準和目前工程檢測領域的應用情況，結合市場中主流產品的功能特性，從實際使用需求的角度來考慮設計校準方案，校準裝置應包括測力儀器、預應力測量系統和位移儀器三部分的校準功能。其中測力儀器可參照《標準測力儀檢定規(guī)程》(JJG 144-2007)進行校準，位移儀器校準可參照《線位移傳感器校準規(guī)范》(JJF 1305-2011)進行校準。而預應力測量系統的校準則尚無可參照的方法，其又是影響測量結果的關鍵參數，因此是研究的主要方向。

曾經有某些科研院所、高校及儀器生產廠家采用模擬現場檢測的方法，選用或制作一片標準的混凝土結構預制梁，在梁上安裝標準測力計及液壓張拉裝置，進行錨下有效預應力檢測系統校準的方法，簡稱“標準梁法”。由于標準預制梁制造精度、材料熱變形特征和張拉力值的穩(wěn)定性、重復性等影響因素，導致校準裝置的穩(wěn)定性得不到保障，通常效果都比較差。如果采用加工精度可以得到保證的鋼結構，配以標準傳感器與精密伺服液壓系統，模擬預應力筋的張拉力學特性來設計校準裝置，是本文研究的主要思路，因為其在材料、加工工藝、標準儀器的溯源性等方面都得到了有效保障。

4.3 校準裝置的研制

經過較長時間的論證與試驗，研制出如圖2所示結構的預應力校準裝置，該裝置由長距反力框架、標準測力儀、液壓張力發(fā)生及保持裝置以及專用的測量控制軟件等組成。工作原理為通過液壓張力發(fā)生及保持裝置對預應力筋進行張拉，給予其特定的張拉力，通過標準測力儀讀取預應力值，將其穩(wěn)定一段時間后，模擬出錨下有效預應力值，再利用預應力檢測系統(被校儀器)在其一端進行反拉檢測，對預應力筋彈性變化的位移與張拉力進行實時跟蹤與采集。當預應力檢測系統的張拉力達到液壓張力發(fā)生及保持裝置給予的穩(wěn)定拉力時，工作夾片發(fā)生松動，預應力檢測系統專用測量軟件能夠清晰地讀取預應力值，通過與標準測力儀數據進行對比計算，進而得到預應力測量系統示值誤差的校準結果。

圖2 預應力測量系統校準裝置結構

該裝置的核心技術：(1)長距反力框架結構設計及加工精度的保證。長距反力框架能模擬出預應筋的張拉彈性變形特征，其兩測量端面的平行度加工精度要求，以及自調整對中裝置的專利設計，為反力框架能夠提供良好的量值復現提供了保障；(2)精密液壓伺服控制系統的張拉力發(fā)生與保持的精度，能夠保證校準裝置的標準預應力在檢測過程中反復張拉所需良好的測量重復性；(3)傳感系統的測量精度以及專用測量軟件的動態(tài)數據采集與處理技術，能夠通過測量模型對所采集的動態(tài)數據進行實時計算并分析篩選出有效的測量結果。

4.4 校準裝置的使用與驗證

預應力檢測系統校準的軟件界面如圖3所示,主要包括參數設置、測量控制及數據顯示部分。參數設置部分需要設置試驗力值、穩(wěn)定時間、加力速度等信息；測量控制部分包括開始按鈕、停止按鈕及暫停按鈕；數據顯示部分包括預應力標準值的顯示、活塞的變化位移量以及F-S曲線，通過曲線能夠實時展現出校準裝置在被檢預應力檢測系統的外力作用時其標準力值隨位移變化的過程。

圖3 預應力檢測系統校準軟件界面

預應力校準裝置的工作過程：將鋼絞線安裝在校準裝置中，設定加力速度開始加力，當力值達到錨下預應力設定值的30%時，穩(wěn)定30～60s后繼續(xù)加力。當力值達到需校準點預設值時停止加力,穩(wěn)定180s后,將系統切換成以位移變化量為閉環(huán)控制模式,再將被校的預應力檢測系統安裝在校準裝置上，對鋼絞線進行反向張拉檢測，檢測過程中隨著被校預應力檢測系統張拉力的逐步增大，校準裝置的標準力值也會隨之增大。待被校預應力系統完成檢測后，在測量軟件中讀取校準裝置的顯示力值，與被校預應力系統的檢測結果進行比較，從而可以判斷被校預應力檢測系統是否滿足要求。

該裝置經半年多時間的使用，完成了十余個生產廠家約30多臺(套)預應力檢測系統的校準，從校準裝置的精確度、測量結果的重復性與穩(wěn)定性以及校準結果的不確定度分析等方面,驗證了該裝置的適用性，可滿足預應力檢測系統的量值傳遞要求。

表1為某臺比較典型的性能相對穩(wěn)定的預應力檢測系統通過本校準裝置進行校準所產生的試驗數據，校準數據經過分析與評價，滿足有效預應力量值傳遞的技術要求。

表1 預應力檢測系統校準試驗數據

4.5 預應力測量系統示值校準結果不確定度分析

4.5.1 測量模型

測量模型：

(1)

式中:Q—相對示值誤差；

fi—標準測力儀對應的力值；

FN—檢測儀的最大量程值。

4.5.2 方差和傳播系數

方差和傳播系數：

y=f(x1,x2,…,xN)

(2)

當全部輸入量Xi是彼此獨立或不相關時，合成標準不確定uc(y)由下式得出：

(3)

(4)

求偏導得：C1=C2=1

4.5.3 標準不確定度評定

(1)A類標準不確定度。采用型號為MYLJC220-E的檢測儀測量單根索有效預應力檢測儀，比較檢測值與標準測力儀傳感器顯示值的誤差，以被檢儀器量程上限200kN為測量點，3次重復測量試驗數據見表2。

表2 試驗數據

采用極差法，n=3時，C=1.69，則：

(5)

(2) 標準測力儀引入的不確定度(B類)。由檢定證書給出的標準測力儀引入的相對最大允許誤差為±0.3%，服從均勻分布，則標準不確定度為：

(6)

(3)環(huán)境和其它因素引入的不確定度(B類)。根據實驗條件和慣例，u(E)=0.050kN。

4.5.4 標準不確定度

標準不確定度分量見表3。

表3 標準不確定度分量

4.5.5 合成不確定度

合成不確定度:

(7)

4.5.6 擴展不確定度

擴展不確定度:

取置信概率p=95%，(k=2)

U=2×0.37=0.74kN

相對最大測量值200kN時，Urel=0.4%，(k=2)

5 結語

根據預應力檢測系統的測量原理，采用傳統的千斤頂或壓力變送器的校準方法難以達到量值有效溯源的要求。本文介紹的校準技術，結合了工程應用的實際，從計量校準的技術角度研發(fā)出準確度等級滿足量值傳遞的要求、重復性可靠、長期穩(wěn)定性有保障的專用校準裝置，為預應力檢測系統這種專用工程檢測儀器設備的量值溯源提供了新的途徑，解決了長期以來困擾工程試驗檢測機構的量值溯源難題，為預應力施工質量的控制提供技術支持。