[科普中国]-预力

预力的计算

本系统从预力计算流程自动化的角度出发，其自动化内容可分为五个部份：

前处理资料建立资料库在网页上记录施工单元的基本资料、计算箱梁断面及配置钢腱坐标，并将所有计算得出的资料建立资料库分别存放基本资料表、箱梁断面资料表及钢腱坐标资料表。

钢腱位置3D模型建立传统钢腱配置仅能藉由X-Y、X-Z平面坐标检核钢腱配置是否正确，本研究系将三维空间坐标利用绘图软件（AutoCAD）提供的3D绘图指令自动汇入AutoCAD模型空间，用户可以迅速藉由3D钢腱配置模型检核其配置位置是否正确。

产生ABI预力分析输入档工程师在完成预力钢腱配置后，可在Excel进行预力分析施工步骤排程，即针对现场施工步骤的模拟，每一混凝土节块施筑分为三个步骤，移动工作车至定位、组模及浇置混凝土，混凝土养护完成后施拉预力钢腱。工程师安排好施工步骤，辅以撰写宏程序产生ABI预力分析输入档。

预力计算后处理资料分析由ABI预力分析程序输出结果，检核钢腱预力是否符合设计值、混凝土应力是否符合规范规定。

产生预力钢腱配置施工图确认钢腱配置皆符合设计值后，可直接在绘图软件（AutoCAD）直接产生每一混凝土节块钢腱配置剖面图，并可读取3D钢腱坐标资料，自动在Excel电子表格制作钢腱配置坐标表。1

预力钢腱配置的坐标计算进行前处理计算本研究在“箱梁节块的断面计算”及“预力钢腱配置的坐标计算”采用web-based application概念，提供使用者在网际网路上操作，并将计算成果储存于伺服端资料库。

前处理计算的便利性web-based application可跨平台，任何操作系统只要能打开浏览器都能实时使用，不需要公司的IT人员维护每一台PC上的软件，可节省IT人员的时间以及维护成本，任何地点、任何时间都可以轻松操作，使用接口学习容易，资料集中管理。本研究将前处理资料计算建置在主从式网页架构的客户端，将计算所得资料写入伺服端的资料库，让不同使用者可以在网际网路上操作箱梁断面及预力钢腱配置等计算，其计算所得资料藉由已制定的资料库格式分别储存于资料表，以达成web-based application的便利性及资料处理的一致性。

此做法与工程师在自己的PC上计算及储存资料等作业方式大大不同，传统作业方式的计算成果的质量必须由工程师经验累积及细心程度决定，且计算成果是分散的资料，较难达到资料处理的一致性。如web-based application设在公司内部intranet的Server端，可提供给公司同仁使用，也能兼具教育训练的功能，新进同仁只要知道简单的输入值代表的意义就能上手，资深同仁如有更好的想法，想扩充功能，也可不断精进web-based application的应用范围。

资料保存的完整性资料管理技术已从早先人工管理、文件系统管理等阶段，演进到现在的资料库管理系统。资料库是集中、统一的储存、管理资料系统，这个系统会规定资料之间的关联，可减少资料的重复性，避免同一时间对同一笔资料的更改及资料储存的唯一性。本研究的web-based application在计算所得箱梁断面及钢腱配置等3D空间坐标信息，皆储存于资料库，该资料库在后续2D、3D绘图应用及结构分析的前处理上，对预力计算作业的质量及效能有很大的提升。对不同的使用者可设定不同的管理权限，如结构分析的用户可新增及修改资料库内容，而绘图的使用者仅能阅读资料库内容。

自动化绘图系统的制作与整合研究将商用绘图软件（AutoCAD）与箱梁断面及钢腱配置等3D空间坐标资料库整合，提供了自动化绘制“桥梁剖面图”及建立“预力钢腱配置3D空间模型”等功能。绘图是一件琐碎繁重的工作，因为工程师要熟知绘图功能的种种技巧，如像素指令line、circle、3Dface及编辑指令zoom、trim、extend等，且需以飞快的速度操控输入工具（如滑鼠、数位板），大量且重复使用绘图指令，才能迅速完成图面及符合工作上的要求，在此种紧绷的绘图状态下，工程师很容易工作疲劳而出错，且除了自己小心检视外，并无Double check机制。基于简化绘图程序及提升绘图效率，AutoCAD因此发展AutoCAD VBA整合开发环境，藉由撰写宏程序，将绘图指令所需的尺寸及参数由连结资料库取得该等参数，即可完成自动化绘图，此为参数化绘图的概念，且由于个人计算机近年来硬体效能显著提升，促使商用绘图软件AutoCAD参数化3D绘图功能更强化。以AutoCAD内建了整合开发环境VBA，整合箱梁断面及钢腱配置等在3D空间坐标资料库及参数化绘图技术，自动化绘制“桥梁剖面图”及建立“预力钢腱配置3D空间模型”，尤其在预力钢腱配置的3D空间模型的计算精度以实际尺寸每10厘米（考量硬件效能及用户可接受程度所定的值）取一点计算，这在传统人工绘图上是无可比拟的。1

预力实验仪器与架构将高强度螺栓接合结构试体吊挂于横杆上，使成自由梁结构。仪器部份，采用另一组频谱分析仪（SIGLAB）搭配冲击锤与加速度计。选择外力型式为点力型冲击力，以钢质冲击锤为驱动器、加速度计为感测器；量测方式则选择移动冲击锤、固定加速度计方式。

冲击锤、加速度计、频谱分析仪等以专用导线连接，组成实验架构。实验所使用之实验仪器及型号（双频道频谱、型号：SIGLA；冲击锤、型号：PCBSN10；加速度、型号：PCB352；曲线嵌合、型号：ME；）。三种不等长双平板搭接之单螺栓接合结构实验架构图1、实验设备架构概念。2

预力可靠性实验方法、步骤本实验之方法、步骤的方式，采取以加速度计作为感测器，搭配以钢质冲击锤作为驱动器之转换器组合，并且选择移动冲击锤固定加速度计作为撷取振动讯号之方式，对高强度螺栓接合结构进行模态分析与简谐分析。实验方法步骤如下：

（1）将三种不等长双平板搭接之单高强度螺栓接合结构长度分别定义为12、15及18个敲击点，三种形式之高强度螺栓接合结构冲击实验之敲击点及量测点示意。

（2）将高强度螺栓接合结构试体以尼龙绳悬挂于横杆上，使成自由梁结构。将加速度计（PCB352A10）以蜂胶黏贴于各个高强度螺栓接合结构第一点上作为感器，以钢质冲击锤作为驱动器。

（3）将冲击锤（PCBSN10052）与加速度计以导线接于频谱分析仪之输入模组，完成实验装置如图1所示。

（4）在PC萤幕调整输入画面，依实验设计设定讯号输入模式，频宽设定5000Hz，平均计算次数为3次，对于冲击锤所选择之加权函数为暂态加权函数，而加速度计所选择之加权函数为指数加权函数。不等长双平板搭接之单高强度螺栓接合结构敲击点及量测点5.以钢质冲击锤于厚度方向（Z方向）施加点力于高强度螺栓接合结构各个敲击点上，激振结构。

（5）利用频谱分析仪对输入之讯号作快速傅立叶转换所测得之频率响应函数，再以单自由度法（SDOF）作曲线嵌合，而得结构之自然频率、阻尼比及模态振型。2

预力在三种锁紧状态下动态特性比较（1）模态分析结果，三种不同长度之高强度螺栓接合结构在三种不同锁紧预力下之模态自然频率，随高强度螺栓锁紧预力增加而增加之线性变化趋势，且频率愈高愈明显。

（2）简谐响应分析结果，三种不同长度之高强度螺栓接合结构在三种不同锁紧预力下之皆能得合理之频率响应值，皆能明显反应高强度螺栓接合结构的特性。

（3）在阻尼比方面，结构之阻尼比在20%与100%锁紧之状态下，除Typea外，大体也随著锁紧预力增加而减少，呈现阻尼比随高强度螺栓接点刚性增加而减少之现象，因此，量测高强度螺栓接合结构之阻尼比也可作为衡量有无正常锁紧之参考指标。

（4）在检验量测方面，目前只进行螺栓接合结构之系统分析而得自然频率、阻尼比与模态振型特性，未来可尝试进行讯号分析，亦即利用检验锤敲击法检测螺栓锁紧程度的响应测试，求取声音响应与振动响应特性。

（5）在量测点方面，进行螺栓接合结构系统响应量测时，可进一步以探索接近螺栓接点之动态特性。另一方面也考虑直接量测螺栓（螺帽）之响应，如此可直接侦测螺栓锁紧预力下之响应特性。

（6）在检验量测应用方面，未来可尝试进行敲击回音法实验模态分析，以建立一个量化方法来验证“敲击回音法检定钢结构摩擦接合品质”方法之有效性、可信赖性，弥补检验锤敲击法无法定量化的缺点。2