CN102507655A - 基于压电智能骨料的钢管混凝土结构密实性监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电智能骨料和“一发一收互动法”的钢管混凝土结构密实性监测方法，属于钢管混凝土结构密实性状况的监测领域，具体方法为：在钢管混凝土结构内部预先成对埋入压电智能骨料，通过信号发生器激励智能骨料，由信号采集系统采集钢管混凝土内部对应的压电智能骨料的输出信号。互换两智能骨料的功能，重复激励和接收信号过程，将两次获得的信号进行分析处理，得到两次信号的相似程度指标，利用该指标对钢管混凝土内部的密实性状态进行评估。本发明实现了钢管内部混凝土密实状况的快速监测、能精确地找到损伤位置，灵敏度高、响应快、操作简便、价格低廉。

Description

基于压电智能骨料的钢管混凝土结构密实性监测方法

技术领域

本发明涉及钢管混凝土结构中混凝土密实性监测方法，进一步是指基于压电智能骨料与一发一收互动法的钢管混凝土结构中混凝土密实性的监测方法。

背景技术

钢管混凝土作为结构的主要承重体系，其中混凝土的密实性将直接影响结构的受力性能。

目前，进行钢管混凝土密实性检测的方法有超声波法。该方法以超声检测仪作为主要检测设备，以超声波波速作为缺陷的判别参数。虽然该方法在钢管混凝土密实度检测中得到了普遍应用，但是仍然存在一些不足之处。例如，检测结果受人为因素的影响比较大，对操作人员的技术水平有较高要求，检测位置在可触及范围内等。另外，超声检测设备的价格也比较昂贵。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种基于智能骨料和一发一收互动法的钢管混凝土结构密实性监测方法，该监测方法可对钢管混凝土的密实性实施快速、灵敏的主动监测。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，基于压电智能骨料与一发一收互动法的钢管混凝土结构密实性监测方法，其特点是，包括基于压电智能骨料的监测系统的建立和钢管混凝土结构密实性的监测和评价方法：

所述基于压电智能骨料的一发一收互动法监测系统的建立步骤为：

在钢管混凝土结构内部均匀地埋置压电智能骨料，并选择实际经验中容易出现不密实的位置，布置压电智能骨料，从上到下分别选取相邻一对压电智能骨料分别作为传感器A和B，首先由A激发一个脉冲信号后，信号将沿着不同的信道传播，一部分将沿着波导内部传播到B位置，被B所接收，另一部分由边界反射最终传播到B位置；第二步由B激发同样一个脉冲信号，有A作为接收传感器，A将接收到一组信号。

当传感器A与B之间的介质没有诸如空洞、裂纹等影响密实性的缺陷时，由A传播到B的信号和由B传播到A的信号基本保持一致，即两个传感器接收到的信号将基本相同。如果两个传感器之间存在的缺陷（混凝土缺陷通常情况下为非对称损伤）时，由A传播到B的信号和由B传播到A的信号将存在差异。对信号差异进行分析，即可对监测区间的混凝土密实性进行评估。将该方法被称为“一发一收互动法”。

所述钢管混凝土密实性监测方法为：

当A作为激励传感器，B作为接收传感器，B接收到的响应电压可表示为

                 （1）

式中，r、V _B 、K _s 、分别表示波从激励传感器到接收传感器的传播距离、传感器B的响应电压、机电效率常数及角频率有关的B的表面应变。与角频率有关的B的表面应变可表示为

                 （2）

式中，、K _A 、G分别表示输入到B的电压、与式(1)中机械电效率常数K _s 相对应的数及传感器B的频率响应函数。频率响应函数G可通过适当的时域和频域转换技术得到

           （3）

式中，D、

、a、J ₁、H ₀ ⁽¹⁾分别为结构的抗弯刚度、波数为k ₁时波在垂直方向上的膨胀比率、骨料A中PZT的半径、一阶贝塞尔函数及第一类零阶汉克尔函数。

在A处激发一个原始信号，B处将接收到响应信号，再将B处的信号时间发转后激发后，在A处将接收到重构的原始信号。在B处激发的信号表示为

 

                （4）

这里*表示复共轭。

在A处接收到的信号为

                    （5）

其中

                （6）

根据式(2)和式(4)，重构信号的傅里叶变换可表示为

           （7）

经过傅里叶逆变换后，得到A处接收的时域信号表示为

    （8）

将得到的时域信号和原始信号进行比较，可得到信号的偏差。由于A和B两处激发的原始信号相同，则可以通过比较A和B两处第一次接收到的信号来判断两点间有无损伤，从而可以将欧式距离作为判断两个信号偏差程度的指标

                    （9）

式中，max为两个信号中的最大值。以公式（9）作为评价密实性的指标，D的值越小，则两个信号的相似度越大，说明试件的密实性越好。D值即表示为被监测部分混凝土的密实性。计算出所有传感器对之间的D值，最终可得到被监测钢管混凝土结构的密实性。

所述任意信号函数发生器与智能骨料之间设有将激励信号放大的压电陶瓷驱动电源。

所述智能骨料包括PZT传感器2、硅胶防水层1、屏蔽导线3、屏蔽接头4、细石混凝土或砂浆外包层5；智能骨料的外部为细石混凝土或砂浆外包层5，PZT传感器2位于智能骨料的内部，其上涂有硅胶防水层1，PZT传感2与屏蔽导线3的一端相连接，屏蔽导线3的另一端与屏蔽接头4相连接，屏蔽接头4与信号发射及采集系统相连接。

所述的压电智能骨料为圆柱形，其体积为8～15cm³。

所述任意信号函数发生器产生的激励信号是五波峰脉冲，频率为5Hz。

本发明监测系统的建立具体分为以下几个步骤：

1、在钢管混凝土结构内部埋入若干对压电智能骨料作为信号发射用的驱动器和传感器。

2、利用任意函数发生器对压电智能骨料驱动器进行激励，并使用压电陶瓷驱动电源将激励信号放大，使钢管混凝土内部产生应力波，通过应力波对压电智能骨料传感器内部的压电陶瓷作用，使其产生电压信号。

3、利用高频数据采集系统采集传感器信号。

4、将驱动器和传感器功能对换，再重复上述步骤。

本发明所述监测方法的技术原理：当压电材料受到外力作用时，在其表面会产生电荷，这种现象称为正压电效应：相反，当在压电材料上施加电场时，其会发生形变，这种现象称为逆压电效应。任意函数发生器激励埋入钢管混凝土内部的压电智能骨料驱动器，驱动器中的压电陶瓷片受到激励后产生的应力波在混凝土内部传播。钢管混凝土结构内部的压电传感器受到应力波影响，由逆压电效应产生电荷，进而产生电压信号。利用数字示波器采集该信号。对换激励和接收的压电智能骨料，重复上述步骤。通过分析示波器前后两次所采集的信号的相似程度来判断钢管混凝土结构内部的密实性。混凝土内部的不密实对应力波会造成影响，导致压电传感器接收到的信号能量低于密实处压电传感器信号的能量，从而准确确定结构的密实性。

基于压电智能骨料的监测方法为钢管混凝土结构密实性情况的实时监测提供了新的途径。压电陶瓷材料具有压电效应，利用它的压电效应可将其制作成为传感器和驱动器实现对钢管混凝土密实性的监测。

与现有技术相比，本发明可以实现快速监测、能准确快速地找到不密实区，反应灵敏、操作简单、成本低廉。

同时，“一发一收互动法”的提出使得对于密实性的监测不再需要健康信号作对比，突破了传统损伤评估的瓶颈，为健康监测的评估提供新思路。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明做进一步阐述：

图1为本发明所述监测系统的组成；其中图1（a）是监测系统的结构原理图；图1（b）是监测系统的流程图。

图2为本发明所述压电智能骨料结构示意图。

图3为本发明所述“一发一收互动法”示意图。

图4为本发明一种实施案例所述钢管内部压电智能骨料的布置示意图。

图5为本发明监测信号选用的频率为5kHz的五峰脉冲波。

图6为本发明对一种实施例中钢管混凝土内部密实情况进行监测的检测信号图；其中图6（a）为密实处压电陶瓷测量信号对比图；图6（b）不密实处压电陶瓷测量信号对比图。

图7为本发明监测方法所得的识别结果，标识区域为不密实区。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行详细说明。

如图4所示方式，在一个300×300×9000mm³的方钢管混凝土柱中预先埋置9块压电智能骨料，浇筑混凝土，自然养护。

如图2所示，所述压电智能骨料包括PZT片、硅胶防水层、屏蔽导线、屏蔽接头、细石混凝土或砂浆外包层。

本实施例中监测方法的具体操作步骤为：

a、首先确定压电智能骨料的编号，本实例中按从下到上的顺序编号，如图4所示。

b、以1、2智能骨料为例如图1（a）和图4（d）所示，首先由骨料1激发脉冲波由骨料2接收，保存数据后再由骨料2激发骨料1接收，其余各组以同样的方法进行收发信号。

c、以同样的方式对2-3、3-4、4-5、5-6、6-7、7-8、8-9，骨料进行激励和接受信号处理。

d、将得到的信号进行滤波处理后加以比较，。将各组信号代入到式(9)中，计算各组信号的D值与实际情况相吻合。

                      （9）

Claims (6)

1.一种基于压电智能骨料的钢管混凝土结构密实性监测方法，其特征在于：其监测系统通过任意信号函数发生器、压电陶瓷驱动电源、压电智能骨料驱动器和传感器、信号接收器建立，任意信号函数发生器与压电陶瓷驱动电源连接，压电陶瓷驱动电源连接压电智能骨料驱动器和传感器，压电智能骨料驱动器和传感器再与信号接收器连接，压电智能骨料驱动器和传感器在钢管混凝土结构内部埋入。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：所述任意信号函数发生器与智能骨料之间设有将激励信号放大的压电陶瓷驱动电源。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：所述智能骨料包括PZT传感器（2）、硅胶防水层（1）、屏蔽导线（3）、屏蔽接头（4）、细石混凝土或砂浆外包层（5）；智能骨料的外部为细石混凝土或砂浆外包层（5），PZT传感器（2）位于智能骨料的内部，其上涂有硅胶防水层（1），PZT传感（2）与屏蔽导线（3）的一端相连接，屏蔽导线（3）的另一端与屏蔽接头（4）相连接，屏蔽接头（4）与信号发射及采集系统相连接。

4.根据权利要求1所述的监测方法，其特征，所述的压电智能骨料为圆柱形，其体积为8～15cm³。

5.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是，所述任意信号函数发生器产生的激励信号是五波峰脉冲，频率为5Hz。

6.根据权利要求1所述的监测方法，其特征是，其监测系统建立和监测方法如下：

所述基于压电智能骨料的一发一收互动法监测系统的建立步骤为：

在钢管混凝土结构内部均匀的埋置压电智能骨料，并依据实际工程经验选取容易出现不密实的位置，布置压电智能骨料，分别选取相邻一对压电智能骨料分别作为压电陶瓷传感器A和驱动器B，首先由A激发一个脉冲信号后最终传播到B位置；第二步，由B激发同样一个脉冲信号，由A作为接收传感器接收到信号，当传感器A与B之间的介质没有诸如空洞、裂纹等影响密实性的缺陷时，由A发射传播到B的信号和由B发射传播到A的信号基本保持一致，如果两个传感器之间存在的缺陷，即混凝土缺陷通常情况下为非对称损伤时，由A发射传播到B信号和由B发射传播到A的信号将产生差异，该方法被称为“一发一收互动法”；

所述钢管混凝土密实性监测方法为：

当A作为激励传感器，B作为接收传感器，B接收到的响应电压可表示为

                   （1）

式中，r、V _B 、K _s 、

分别表示波从激励传感器到接收传感器的传播距离、传感器B的响应电压、机电效率常数及角频率有关的B的表面应变，与角频率有关的B的表面应变可表示为

                 （2）

式中，

、K _A 、G分别表示输入到B的电压、与式(1)中机电效率常数K _s 相对应的数及传感器B的频率响应函数，频率响应函数G可通过适当的时域和频域转换技术得到

            （3）

式中，D、

、a、J ₁、H ₀ ⁽¹⁾分别为结构的抗弯刚度、波数为k ₁时波在垂直方向上的膨胀比率、骨料A中PZT的半径、一阶贝塞尔函数及第一类零阶汉克尔函数；

     在A处激发一原始信号，B处将接收到响应信号，再将B处的信号时间发转后激发后，在A处将接收到重构的原始信号，在B处激发的信号表示为

 

            （4）

这里*表示复共轭；

在A处接收到的信号为

              （5）

其中

           （6）

根据式（2）和式（4），重构信号的傅里叶变换可表示为

       （7）

经过傅里叶逆变换后，得到A处接收的时域信号表示为

   （8）

将得到的时域信号和原始信号进行比较，可得到信号的偏差，由于A和B两处激发的原始信号相同，则可以通过比较A和B两处第一次接收到的信号来判断两点间有无损伤，从而可以将欧式距离作为判断两个信号偏差程度的指标

                （9）

式中，max为两个信号中的最大值，

以公式（9）作为评价密实性的指标，D的值越小，则两个信号的相似度越大，说明试件的密实性越好；

基于一对压电传感器和驱动器的D值可得到这部分混凝土的密实性，进一步得出其他传感器和驱动器之间的D值，最终得到所述钢管混凝土结构的密实性。

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