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中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 智能预应力探索 吕志涛 徐伟炜 （东南大学土木工程学院，南京 210096） 摘 要 简述了智能预应力的原理、组成、关键技术和控制算法，简介了我校所完成的智能预应力模型梁的试验研究，展望了智能预应力的应用。 关键词 智能预应力 挠度控制 智能锚具 控制算法 1 引言 预应力技术，在我国从1956年产生到改革开放后的大发展，走过了光辉的五十年，十分值得庆祝 真巧，1956年也是本文第一作者进入南京工学院（今东南大学）学习的第一年，并且在第二年就接触、认识到预应力 先是在南京720厂工地开发的块体拼装预应力屋面梁，后是我校徐百川教授带领研制的圆周预应力高压釜。从此，在后来的学习及教学、科研活动中，一直与预应力有亲密的接触，也可以自吹一句，本文第一作者与预应力已结缘五十年。值得回顾，更应该展望。 在本文中，因限于篇幅等原因，不再回顾历史，也不阐述前些日子考虑的16条展望，仅对所写的展望之一 智能预应力探索，作如下论述。 2 智能预应力原理 传统的预应力是在结构或构件，特别是混凝土结构或构件，使用（即承受外荷载）之前，采用人为的方法在其上施加一系列与外荷载作用、效应相反的力，以使结构或构件受力最大的截面或部位不产生不希望产生的应力、应变或变位，（对混凝土结构、构件来说，是预加应力后能控制受拉裂缝，甚至控制拉应力的产生），这样，通过延伸高强材料的强度幅度、调整应力峰值、施加初始变位（反拱），达到改善结构的受力性能、增大结构的刚度、充分利用高强材料、节约材料用量、降低造价的目的。 这种预应力，通常，其值是不随外荷载的变化而变化的，只是随时间的推移产生预应力损失。因此，从某种意义上说，传统的预应力结构是一种“死”的结构。这对于活荷载变化幅度较大的预应力混凝土结构，将出现高应力状态，引起较大的徐变变形，影响结构的使用。 当前，我国国民经济高速发展，大跨度混凝土桥梁大量建造。但是，在这些桥梁的 吕志涛，男，1937.11生，教授，院士 设计，建造和使用过程中，发现其裂缝和挠度不断发生发展，成了工程难题。为了保障结构安全，设计人员常常采用保守的设计，加大截面尺寸，增大配筋，导致自重增加，造价增加。同时，随着我国高速铁路的兴建、磁悬浮列车的开通和城市轨道交通的发展，为了严格控制其桥梁结构的挠度、变位及应力，达到微挠度、小应变增量等要求，保证线路的平顺性，促使我们作出了智能预应力的设想及探索。 智能预应力是将智能材料和思想引入工程结构中，使之对外部的变化（如外荷载、环境温湿度等）和内部状态的改变（如长期使用后的损伤、劣化等）具有感知、调整和控制的功能，以达到降低自重和能耗．增强结构性能和安全的目的。即智能预应力具有“自适应”功能。在某种程度上，它能根据结构中的应力、变形的变化自动调整预应力的大小，使结构中的应力、变形控制在设定的范围内，从而将“死”的结构转变为具有一定智能特征的、“活”的结构。因此，也可以说，智能预应力是一种“优化”预应力，因为它可使结构设计得更轻巧、更纤细，材料用量更省，对于活载与恒载比值较高的情况，采用这种结构方案，尤其合适和经济。 智能预应力，通常适用于无粘结预应力和体外预应力结构。 3 智能预应力的组成及关键技术 通常，智能预应力结构，除了传统预应力结构所需的预应力钢材和锚具之外，还包括硬件和软件系统。硬件系统有传感器、控制器和作动器。传感器能够感知结构状态的变化，控制器即对结构状态的变化作出反应并给出调整方案，随后，使作动器调整结构的受力状态。三者结合，使结构具有一定的智能，能动地适应外界的作用和环境的变化。软件系统包括控制策略和控制算法。 智能预应力系统的组成见图1 外荷载 感知响应量 传感器 响应量 主结构 驱动力 挠度等 控制信号 控制器 作动器智能锚具、索 图1 智能锚具是智能预应力系统中的关键、核心。智能锚具可有两种方法来实现1锚具本身不产生变形张拉引起自身的微小变形忽略不计，内装有液压伺服系统，即在承重结构与锚具之间设有千斤顶，这一千斤顶带有电子控制线器包括传感 图2 元件、电子电缆和电子组件；2能产生较大变形对预应力钢索进行张拉的锚具 形状记忆合金锚具，这种锚具有点类似于火车压力弹簧。 对于第一方法，我们已作过模型试验见第5节；对于第二种方法，即真正意义上的智能锚具，我校尚在研发中。 4 控制算法 为了实现智能预应力混凝土结构的有效控制，必须有一种有效的控制策略及相应的控制算法和数学表达式。 为简单起见，研究简支梁的一种简单算法。根据简支梁桥的挠度或应力或应变控制过程，可建立一个有效的控制系统。其主要目标是确保梁跨中挠度或截面上的应力或应变不超过事先定下的限值要求。相应的算法由两步组成若要避免过大的挠度或反拱或是为避免过低或过高的应力，需作实时监测控制。当其中任何一个达到限值时，传感器就会发送出一个“信号”第一步，控制系统根据输入的信号使智能系统智能锚具或横向千斤顶 反馈一个“顶升”或“回缩”的指令第2步，从而作出有效的控制。 现以简支梁为例，采用ON/OFF控制算法，写出如下智能预应力梁的控制过程、算法及其数学表达式 式中 EiG 梁在恒载作用下在控制截面i处产生的效应应力、应变或挠度； Eit Q 梁在时刻t在活载作用下控制截面i处产生的效应应力、应变或挠度； 梁在单位预应力作用下控制截面i处产生的效应应力、应变或挠度； Nt、Nt△t 分别为在时刻t、t△t作动器的张拉步数； δ1、δ2 梁在控制截面i处的效应的控制目标范围的上限、下限。 当作用在梁上的移动活荷载逐渐变化增大时，智能预应力系统就会根据荷载变化作出反应，自动调整结构内部的预应力，使梁内的应力、应变或挠度变化，能控制在预期的目标范围内。 5 模型试验研究 5.1 模型试验 为探索智能预应力梁的原理及实现，我们做了一个跨长2m的智能预应力桥梁模型试验。模型的传感系统采用自开发的激光挠度计，动力系统采用微型减速电机。智能预应力桥梁模型的实物图见图2，模型的示意图见图3，图中①简支钢桥梁，②预应力钢丝绳，③动力箱，④激光发射器，⑤激光接收器，⑥开孔档板。 可见，对图2示智能预应力梁，它除了传统预应力梁所需的条件之外，还有传感器激光发射器④激光接收器⑤、控制器限位器和开孔档板⑥和作动器智能锚具，本试验中为动力箱③，它包括单相电机、减速机、直流电磁制动器及调速器等 图3 智能预应力梁模型试验 图4 试验模型及其组成示意 5.2 静载试验 在对本模型进行静载实验时，将梁的跨中监测点允许挠度设定在下挠10mm，上拱5mm的范围内，做了三个等级的荷载分别作用于梁跨中时的对比实验 1 在10kg铁块的作用下，梁的监测点挠度为6.836mm，在允许范围以内，动力系统没有张拉梁上的钢丝绳，卸去荷载，梁回复原状，没有反拱， 2 在20kg铁块的作用下，梁的监测点下挠超出了允许范围，动力系统张拉梁上的钢丝绳，直到监测点下挠在10.225mm，当系统稳定后，卸去荷载，梁的监测点向上反拱了3.418mm，但在允许范围内； 3 在25kg铁块的作用下，梁的监测点下挠超出了允许范围，动力系统张拉梁上的钢丝绳，直到监测点下挠在10.153mm，当系统稳定后，卸去荷载，梁有较大的反拱，且超出了允许范围，动力系统放松梁上的钢丝绳，直到监测点上拱在5.194mm。 5.3 动载试验 针对静载试验中的三种加载情况，分别做了相应重量的缓慢移动荷载作用的试验。梁跨中监测点的允许挠度亦设定在下挠10mm，上拱5mm的范围以内。 在10kg移动荷载作用过程中，监控点处梁的挠度基本呈抛物线变化。同时，动力系统没有“顶升”张拉或“回缩”放松梁上的钢丝绳。 在20kg移动荷载作用下，当荷载移动到离起始端80cm处时，动力系统开始张拉梁上的钢丝绳，直到荷载移动到100cm处；在荷载从前半跨移动到后兰跨的整个试验过程中，动力系统没有放松梁上的钢丝绳。 在25kg移动荷载作用下，当荷载从起始端移动到离起始端62cm处时，动力系统就开始张拉梁上的钢丝绳，直到荷载移到跨中结束；当荷载继续移动到后半跨离起始端188cm处时，动力系统开始放松梁上的钢丝绳，直到荷载移动到末端为止。 5.4 试验结论 1 智能预应力可以使梁在移动荷载作用下整体的变形控制在设定的目标范围之内，即智能预应力控制梁的挠度是可行的。 2 如果在混凝土桥梁中引入智能预应力，就可能保证在荷载作用下，桥梁始终在弹性范围内变形，也可不出现裂缝，提高了桥梁的耐久性。 6 应用展望 6.1 用于微挠度控制 应用于高速铁路和城市轨道交通及磁悬浮列车下的桥梁的智能微挠度控制，保证桥梁线路的平顺性。 6.2 在斜拉索桥上的应用 在各斜拉索上设置智能预应力系统，则可促使桥面 图5 梁板弯矩峰值与谷值趋于接近图5，达到节省材料及造价的目的。 6.3 降低梁高和预应力损失 葡萄牙学者P.Pacheco举了一个智能预应力工程应用实例[2]。 该工程为两座平行的高架桥，其桥墩恰好落在地铁车站的隧道顶部图6。35m跨的高架桥梁，原设计采用传统的预应力混凝土箱梁，梁高1.5m。因为该桥位于公路交汇处和隧道上，因而建设方要求修改设计，使桥梁净高减小，重量再减轻。后来设计方采用了智能预应力，将传统预应力中的27改用智能预应力，使梁高减到1.35m，同时，由于预应力损失的减小，使得截面高度减小后的桥梁性能与原设计的相同。 图6 6.4 分散支承在隧道或溶洞上的桥墩的集中荷载 为保证隧道或溶洞的安全，使桥墩的集中活荷载不再传到隧道或溶洞的上面图6，可在桥墩下面设置智能预应力折线束，将桥墩下的过大集中力分散到隧道或溶洞之外。 图7 开合循环过程的流程图 图8水平移动开合屋盖结构开启状态 6.5 在轻型立转开启桥上的应用 为使立转桥建得轻型，桥梁截面设计得尽可能的小，但又不能使梁的挠度过大，因此，可在跨中的吊索上设置智能预应力系统，控制轻巧的开启桥面的平顺性，见图7。 6.6 在开合屋盖结构水平移动支承梁上的应用 7 结语 1 智能预应力IPS是在传统预应力基础上的又一优化，为解决受弯构件的微挠度控制和工程结构的小应力、小变形控制难题提供了新的重要途径。 2 与传统预应力技术相比，智能预应力技术具有明显的优点及特点 ① 可减小结构材料的消耗，能使结构构件设计得更纤细，更轻巧。 ② 智能预应力系统能避免长期过高的应力作用，并减少预应力损失，是一种“优 化”的预应力。 ③ 智能预应力是“活”的结构，对于活载与恒载比值高的结构来说，采用智能 预应力尤其合适、经济。 3 智能预应力在传统预应力基础上采用了包括传感器、驱动器和控制器，还利用控制策略和控制算法。传感器、驱动器和控制器及其结构集成是智能预应力系统的四大关键技术，其中智能锚具及控制系统是智能预应力的核心。 4 模型试验表明智能预应力的设想是可以实现的。通过传感器、控制器和驱动器能够对结构受力状态的变化作出反应并作出调整，实现控制。 5 研制智能锚具是十分必要的。 6 尽管智能预应力系统有不少优点，但是由于该系统技术的复杂性及前期投资设备的增加，其发展有个不短的过程。 智能预应力有待深入研究和发展，特别是智能锚具及智能控制策略和控制算法有待研制和深入，其应用也有待开发。 参 考 文 献 [1] W.Sobek, W.Haase, P.Teuffel, Adaptive Systeme, Stahlbau,697,2000 [2] P.Pacheco, Organic Prestressing An Example of An Effector System, fib-news, June 2002 [3] 吕志涛，新世纪的土木工程与可持续发展[J]，交通运输工程学报，2002年第2期 [4] 邓友生、李秉南、孙宝俊，有机预应力[J]，世界桥梁，2003年第2期 [5] 邓友生、刘钊、曹三鹏，智能预应力系统初探[J]，公路，2005年第4期， [6] 徐伟炜、吕志涛，智能预应力梁初探[J]，哈尔滨工业大学学报，2005年增刊 [7] 王景全、刘钊、吕志涛，铁路梁桥挠度智能主动控制[J]，交通运输工程学报，2005年第3期 [8] 徐伟炜、吕志涛，一种新型开启桥设计探讨[J]，特种结构，2006年第2期