本發(fā)明涉及一種自循環(huán)式壓電材料預應力混凝土箱梁，屬于橋梁工程技術領域。

背景技術：

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國的公路交通事業(yè)也在不斷的加速前進，橋梁結構作為公路交通的重要組成部分，其對公路交通的發(fā)展起著非常重要的制約作用。大跨徑預應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，因此得到了廣泛應用。

隨著預應力混凝土箱梁在土木建筑領域的廣泛運用，其由于自身結構特性局限、材料特性局限而產(chǎn)生的工程應用缺陷就頻繁地暴露了出來。首先，由于預應力混凝土生產(chǎn)工藝和材料的固有特性等原因，預應力鋼筋的應力值從張拉、錨固直到構件安裝使用的整個過程中不斷降低。并且這種由預應力鋼筋應力值降低所體現(xiàn)的預應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)縮引起的預應力損失；(2)預應力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預應力損失；(3)混凝土加熱養(yǎng)護時，受張拉的鋼筋與承受拉力的設備之間溫差引起的損失；(4)鋼筋應力松弛引起的預應力損失；(5)混凝土的收縮徐變引起的預應力損失；(6)用螺旋式預應力鋼筋作配筋的環(huán)形構件由于混凝土的局部擠壓引起的預應力損失等六項預應力損失。預應力損失現(xiàn)象的出現(xiàn)導致預應力鋼筋中的應力值不斷降低，隨著時間的推移會危害結構的安全特性。其次，雖然預應力設計計算過程中設計人員會對預應力損失以及橋梁載荷的不斷增長進行基于安全系數(shù)計算下的處理，但隨著交通流量的不斷增大，橋梁承受的活載日益劇增，原有的預應力設計不能滿足現(xiàn)有交通需求狀態(tài)的要求。最后，設計階段預應力設計過大或導致橋梁上拱，影響具體橋梁結構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)有的預應力技術由于材料、張拉工藝等技術限制，其預應力荷載都是一次成型的，在不計損失的情況下是不可以改變的，并不具備應對外界環(huán)境的自適應能力。換言之，就是不能根據(jù)實際需求的變化而發(fā)生變化。

因此，本發(fā)明摒棄了原有預應力混凝土箱梁中預應力鋼筋采用的高強鋼筋、鋼絞線等材料，轉而采用壓電材料作為預應力鋼筋的實體材料，通過對于壓電材料兩端電壓的控制，根據(jù)逆壓電效應實現(xiàn)預應力材料應力大小的改變，增強了該結構對于環(huán)境、荷載的適應性。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種自循環(huán)式壓電材料預應力混凝土箱梁，具有安全可靠、節(jié)能環(huán)保、自動化程度高等特點，能夠實現(xiàn)橋梁使用過程中對于結構體系的健康監(jiān)控和預應力調(diào)整，從而增強箱梁結構的耐久性和安全性。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種自循環(huán)式壓電材料預應力混凝土箱梁，包括預應力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、橋梁監(jiān)控系統(tǒng)及控制中心，且預應力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、橋梁監(jiān)控系統(tǒng)均與控制中心相連；

其中，所述預應力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括壓電預應力構件、壓電發(fā)電裝置、儲能電路；壓電預應力構件設置于混凝土內(nèi)，用作原預應力混凝土的預應力鋼筋；壓電預應力構件由壓電材料制成，通過逆壓電效應控制壓電預應力構件上的預應力大小；壓電預應力構件的兩端設置有放電裝置，用于控制壓電預應力構件兩端的電壓；壓電發(fā)電裝置設置于箱梁頂部受壓區(qū)域，且通過儲能電路與放電裝置相連；壓電發(fā)電裝置由壓電材料制成，通過正壓電效應將所受機械能轉換為電能儲存于儲能電路中；

所述橋梁監(jiān)控系統(tǒng)包括A、B、C三組應力傳感器，其中A組應力傳感器設置于箱梁頂面，用于檢測箱梁頂面的受壓應力；B組應力傳感器設置于箱梁底面，用于檢測箱梁底面的受拉應力；C組應力傳感器設置于壓電預應力構件上，用于檢測壓電預應力構件上的預應力大小。

本發(fā)明在現(xiàn)有預應力混凝土箱梁的基礎上，利用壓電材料的正、逆壓電效應實現(xiàn)了箱梁的預應力調(diào)整和電能采集，并達到了結構體系內(nèi)供電的自平衡。對梁體的橫、縱截面而言，壓電材料制造的預應力構件在具體布置位置方面與原有的預應力鋼筋并沒有差別，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)的壓應力將機械能轉化為電能，以此來實現(xiàn)箱梁自身供電的自平衡。

大量適應性實驗表明，壓電材料的工程強度、應力強度略低于普通預應力鋼筋，但完全滿足工程建設的需要，并且壓電材料和混凝土這兩種力學性能不同的材料能夠有效地結合在一起工作。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特性，保證了兩者能夠可靠的結合成一個整體，完成預應力箱梁所需的結構功能；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應力鋼筋可以保證當溫度變化時，不致產(chǎn)生較大的溫度應力而破壞兩者之間的粘結；同時，包圍在壓電材料之外的混凝土也起到保護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，為了滿足橋梁運營階段監(jiān)控人員對于各部件應力狀態(tài)的監(jiān)控需求，從而實現(xiàn)壓電發(fā)電裝置與壓電預應力構件電能供給的相對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)及預應力監(jiān)控系統(tǒng)；

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

優(yōu)選的，為了避免供電不足而導致預應力調(diào)整不到位，所述儲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)及預應力監(jiān)控系統(tǒng)相連，用于接收所反饋的箱梁底面拉應力、壓電發(fā)電裝置供電量及壓電預應力構件上預應力大小；

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

當檢測出壓電發(fā)電裝置供電量不足以提供壓電預應力構件兩端所需的電勢差時，控制中心控制蓄電池從外電網(wǎng)輸電，從而保證壓電預應力構件上的預應力始終可控。

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置的若干壓電桿，且壓電桿沿箱梁長度方向延伸，其兩端與儲能電路相連。

優(yōu)選的，為了保證應力檢測數(shù)據(jù)的準確性，所述每組應力傳感器包括五個應力傳感器，且分別設置于箱梁中軸線或壓電預應力構件的兩端、中點及1/4處。

有益效果：本發(fā)明提供的一種自循環(huán)式壓電材料預應力混凝土箱梁，相對于現(xiàn)有技術，具有以下優(yōu)點：1、能夠根據(jù)環(huán)境及荷載變化對預應力大小進行調(diào)整，從根本上避免了橋梁裂縫病害的發(fā)生，增強了結構的耐久性；2、將壓電材料應用于橋梁的受壓區(qū)，并輔助以外電供給，基本實現(xiàn)了結構體系內(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)測系統(tǒng)，從而保證了橋梁運營過程的安全性和獨立性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的縱截面圖；

圖2為本發(fā)明實施例的橫截面圖；

圖3為本發(fā)明實施例的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中儲能電路的簡單電路圖；

圖5為本發(fā)明實施例的控制原理圖；

圖中包括：1、壓電預應力構件，2、壓電發(fā)電裝置，3、放電裝置，4、A組應力傳感器，5、B組應力傳感器，6、C組應力傳感器，7、儲能電路。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1所示為一種自循環(huán)式壓電材料預應力混凝土箱梁，其特征在于，包括預應力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、橋梁監(jiān)控系統(tǒng)及控制中心，且預應力調(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，所述預應力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括壓電預應力構件1、壓電發(fā)電裝置2、儲能電路7；壓電預應力構件1設置于混凝土內(nèi)，用作原預應力混凝土的預應力鋼筋；壓電預應力構件1由壓電材料制成，通過逆壓電效應控制壓電預應力構件1上的預應力大小；壓電預應力構件1的兩端設置有放電裝置3，用于控制壓電預應力構件1兩端的電壓；壓電發(fā)電裝置2設置于箱梁頂部受壓區(qū)域，且通過儲能電路7與放電裝置3相連；壓電發(fā)電裝置2由壓電材料制成，通過正壓電效應將所受機械能轉換為電能儲存于儲能電路7中；

如圖1、2所示，所述橋梁監(jiān)控系統(tǒng)包括A、B、C三組應力傳感器，其中A組應力傳感器4設置于箱梁頂面，用于檢測箱梁頂面的受壓應力；B組應力傳感器5設置于箱梁底面，用于檢測箱梁底面的受拉應力；C組應力傳感器6設置于壓電預應力構件1上，用于檢測壓電預應力構件1上的預應力大小。

本實施例中，所述每組應力傳感器包括五個應力傳感器，且分別設置于箱梁中軸線或壓電預應力構件1的兩端、中點及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置的若干壓電桿，且壓電桿沿箱梁長度方向延伸，其兩端與儲能電路7相連。

本實施例中，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)及預應力監(jiān)控系統(tǒng)；其中，正壓電監(jiān)控系統(tǒng)與A組應力傳感器4相連，用于計算并監(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組應力傳感器5相連，用于監(jiān)控箱梁底面的受拉應力，從而保證箱梁底面在荷載作用下不會產(chǎn)生裂縫；預應力監(jiān)控系統(tǒng)與C組應力傳感器6相連，用于監(jiān)控壓電預應力構件1上的預應力大小。

如圖4所示，所述儲能電路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)及預應力監(jiān)控系統(tǒng)相連，用于接收所反饋的箱梁底面拉應力、壓電發(fā)電裝置2供電量及壓電預應力構件1上預應力大小；

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

當檢測出壓電發(fā)電裝置2供電量不足以提供壓電預應力構件1兩端所需的電壓時，控制中心控制蓄電池從外電網(wǎng)輸電，從而保證壓電預應力構件1上的預應力始終可控。

本發(fā)明的理想狀態(tài)受力模型基于《橋規(guī)》(JTG D62)規(guī)定的部分預應力混凝土A類構件——在作用(或荷載)短期效應下，控制截面受拉邊緣允許出現(xiàn)拉應力，但控制拉應力不得超過某個允許值，(對于這種情況，國際上習慣稱為有限預應力混凝土)。本發(fā)明的理想狀態(tài)為，箱梁截面受拉邊緣允許出現(xiàn)的拉應力略小于裂縫產(chǎn)生所需的拉應力，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)明的理想結構狀態(tài)為：

σ_lf＝σ_fd-σ_cond

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

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)生的拉應力；

σ_cond——由壓電預應力構件抵消的梁底拉應力。

本發(fā)明在正壓電效應理論的基礎上提出了關于箱形梁理想受壓區(qū)壓電材料發(fā)電量的經(jīng)驗計算公式模型，即：

式中，D_n——電位移；

d_nj——壓電應變常數(shù)；

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

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

β——加權平均修正系數(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)明在負壓電效應理論的基礎上提出了關于壓電預應力構件在應力需求條件下對應的兩端電位移加載工程經(jīng)驗公式，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——溫差效應系數(shù)；

K₄——混凝土預應力效應作用下的壓縮影響系數(shù)；

K₅——壓電材料自身應力損失系數(shù)；

K₆——混凝土長期荷載作用下收縮、徐變影響系數(shù)；

T_j——應力；

e_mj——壓電常數(shù)；

E_j——外加電場。

本發(fā)明的具體實施方式如下：

如圖5所示，當上述箱梁投入工作使用階段后，三組傳感器開始工作，對梁體的各個部位進行監(jiān)控。當圖1中B組傳感器5檢測到梁底拉應力逐步增大并有促使梁底面開裂的趨勢時，傳感器將應力數(shù)據(jù)傳遞到控制中心，控制中心通過放電裝置3改變壓電預應力構件1兩端的電勢差從而達到控制預應力大小的目的；在調(diào)整過程中，通過圖1中C組傳感器6讀取即時預應力大小，通過圖1中B組傳感器5讀取即時底面壓應力大小，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

在全運營過程中，圖1中A組傳感器4全天候監(jiān)控箱梁頂部壓應力大小，并分析壓電發(fā)電裝置2的產(chǎn)能結果；當檢測到壓電發(fā)電裝置2由機械能轉化的電量不足應完全供給壓電預應力構件用電需求時，我們將外電網(wǎng)連入結構體系。

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力、預應力大小、即時供電量，并可對預應力大小、供電需求進行調(diào)控。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。