[发明专利]一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁

说明书

技术领域

本发明涉及一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，属于桥梁工程技术领域。

背景技术

随着国民经济的高速发展，我国的公路交通事业也在不断的加速前进，桥梁结构作为公路交通的重要组成部分，其对公路交通的发展起着非常重要的制约作用。大跨径预应力混凝土梁桥由于具有较大的跨径，能够满足跨江跨海的需要，因此得到了广泛应用。

随着预应力混凝土箱梁在土木建筑领域的广泛运用，其由于自身结构特性局限、材料特性局限而产生的工程应用缺陷就频繁地暴露了出来。首先，由于预应力混凝土生产工艺和材料的固有特性等原因，预应力钢筋的应力值从张拉、锚固直到构件安装使用的整个过程中不断降低。并且这种由预应力钢筋应力值降低所体现的预应力损失的来源是多方面的，具体包括：(1)锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失；(2)预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失；(3)混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失；(4)钢筋应力松弛引起的预应力损失；(5)混凝土的收缩徐变引起的预应力损失；(6)用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失等六项预应力损失。预应力损失现象的出现导致预应力钢筋中的应力值不断降低，随着时间的推移会危害结构的安全特性。其次，虽然预应力设计计算过程中设计人员会对预应力损失以及桥梁载荷的不断增长进行基于安全系数计算下的处理，但随着交通流量的不断增大，桥梁承受的活载日益剧增，原有的预应力设计不能满足现有交通需求状态的要求。最后，设计阶段预应力设计过大或导致桥梁上拱，影响具体桥梁结构的美观以及增大材料的利用量和施工的难度。

综上所述，现有的预应力技术由于材料、张拉工艺等技术限制，其预应力荷载都是一次成型的，在不计损失的情况下是不可以改变的，并不具备应对外界环境的自适应能力。换言之，就是不能根据实际需求的变化而发生变化。

因此，本发明摒弃了原有预应力混凝土箱梁中预应力钢筋采用的高强钢筋、钢绞线等材料，转而采用压电材料作为预应力钢筋的实体材料，通过对于压电材料两端电压的控制，根据逆压电效应实现预应力材料应力大小的改变，增强了该结构对于环境、荷载的适应性。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，具有安全可靠、节能环保、自动化程度高等特点，能够实现桥梁使用过程中对于结构体系的健康监控和预应力调整，从而增强箱梁结构的耐久性和安全性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种自循环式压电材料预应力混凝土箱梁，包括预应力调节系统、桥梁监控系统及控制中心，且预应力调节系统、桥梁监控系统均与控制中心相连；

其中，所述预应力调节系统包括压电预应力构件、压电发电装置、储能电路；压电预应力构件设置于混凝土内，用作原预应力混凝土的预应力钢筋；压电预应力构件由压电材料制成，通过逆压电效应控制压电预应力构件上的预应力大小；压电预应力构件的两端设置有放电装置，用于控制压电预应力构件两端的电压；压电发电装置设置于箱梁顶部受压区域，且通过储能电路与放电装置相连；压电发电装置由压电材料制成，通过正压电效应将所受机械能转换为电能储存于储能电路中；

所述桥梁监控系统包括A、B、C三组应力传感器，其中A组应力传感器设置于箱梁顶面，用于检测箱梁顶面的受压应力；B组应力传感器设置于箱梁底面，用于检测箱梁底面的受拉应力；C组应力传感器设置于压电预应力构件上，用于检测压电预应力构件上的预应力大小。

本发明在现有预应力混凝土箱梁的基础上，利用压电材料的正、逆压电效应实现了箱梁的预应力调整和电能采集，并达到了结构体系内供电的自平衡。对梁体的横、纵截面而言，压电材料制造的预应力构件在具体布置位置方面与原有的预应力钢筋并没有差别，只是形成材料上的替换。而压电发电装置利用箱梁在自身恒载作用及车辆荷载活载作用下梁体受压区的压应力将机械能转化为电能，以此来实现箱梁自身供电的自平衡。