CN103995023A - 钢管混凝土构件管壁与混凝土界面剥离缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管混凝土构件管壁与混凝土界面剥离缺陷检测方法，在钢管混凝土构件内部埋入嵌入式压电功能元件；对嵌入式压电功能元件施加不同频率幅值不变的交流电压，测量嵌入式压电功能元件在不同频率下的机电耦合阻抗模值；比较测量结果与钢管混凝土构件中无剥离缺陷位置的嵌入式压电功能元件的阻抗模值；计算各个嵌入式压电功能元件对应位置的损伤指标的大小，根据钢管混凝土构件内嵌入式压电功能元件所在位置管壁与混凝土的界面粘结情况，判断有无界面剥离缺陷。本发明能精确快速地找到无法直接触及且通过肉眼无法直接观察的钢管混凝土构件内部管壁与混凝土粘结界面剥离缺陷的位置和范围。

Description

钢管混凝土构件管壁与混凝土界面剥离缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及一种钢管混凝土构件管壁与混凝土界面剥离缺陷检测方法，尤其适合无法直接触及且肉眼无法直接观测的钢管混凝土构件内部管壁与混凝土界面剥离缺陷的检测。

背景技术

钢管混凝土结构具有承载力高、抗震性能好等优点，是目前我国超高层建筑广泛采用的结构型式，在大跨桥梁中也广泛采用钢管混凝土构件作为主要承重构件。钢管混凝土构件的良好力学性能主要依赖于钢管对混凝土的约束作用。一旦管壁与混凝土之间出现界面脱空现象将严重影响钢管混凝土构件的力学性能。而一般钢管混凝土构件横截面大，混凝土在施工时无法有效振捣，大体积混凝土水化过程中水化热大，混凝土硬化后收缩的可能性大，钢管混凝土构件的管壁与混凝土的界面粘结状况是普遍关心的问题。

在一般情况下对钢管混凝土构件的缺陷和损伤检测，主要集中在对混凝土的完整性检测上。我国现行的《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21：2000)对钢管混凝土柱的缺陷检测就仅集中在混凝土的缺陷的检测上。而且该规程明确指出，该规程中所提出的检测方法仅适用于“管壁与混凝土胶结良好”的钢管混凝土的缺陷检测。也就是说，对于钢管混凝土构件的界面粘结情况存在缺陷的情况，该标准将无法进行钢管混凝土构件混凝土的缺陷检测。而且，以上我国现行的超声波检测规程中还没有涉及针对钢管混凝土界面剥离缺陷检测的技术手段。目前，对钢管混凝土构件的管壁与混凝土之间的界面粘结状况的检测尚无现存的国家规范或者技术规程的可以遵循。

发明专利《基于压电陶瓷和小波包分析的钢管混凝土构件钢管壁剥离监测方法》(ZL201010544540.8)公开了一种基于压电陶瓷和小波包分析的钢管混凝土构件钢管壁剥离监测方法。该方法在钢管混凝土内部埋入的嵌入式压电智能元件作为激励器，利用在钢管外壁上粘贴多个压电陶瓷片作为传感器测量从激励器产生并经过混凝土、粘结界面和钢管壁传播而来的应力波，对钢管壁上压电陶瓷片传感器在应力波作用下产生的电信号进行小波包分析，定义基于测量信号小波包分析结果的能量指标，对钢管壁上各个压电陶瓷片传感器所在位置的钢管壁粘结状态进行评估。该方法同时需要激励器和传感器，需要对信号时程进行小波包分析，计算较为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种钢管混凝土构件管壁与混凝土界面剥离缺陷检测方法，对钢管混凝土构件管壁与混凝土的界面剥离缺陷进行高灵敏度、高准确性的检测。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种钢管混凝土构件管壁与混凝土界面剥离缺陷检测方法，该方法包括以下步骤：

1)在钢管混凝土构件混凝土浇筑前，紧靠钢管内壁预先设置嵌入式压电功能元件，保证混凝土浇筑完毕后，压电功能元件被嵌入混凝土中；

2)将与上述嵌入式压电功能元件的压电陶瓷片正负极相连的导线引出钢管混凝土构件，对所述压电陶瓷片施加不同频率的恒幅交流电压，测量嵌入式压电功能元件与混凝土、钢管壁构成的机电耦合系统在不同频率下的阻抗模值；

3)选择钢管混凝土构件无剥离缺陷位置的嵌入式压电功能元件与混凝土、钢管壁构成的机电耦合系统的阻抗模值作为参考值，定义测量频段上各嵌入式压电功能元件测量所得机电耦合系统的阻抗模值的损伤指标：

$\mathrm{DI}=\sqrt{\frac{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}{(Z_i^1-Z_i^0)}^2}{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}{\left(Z_i^0\right)}^2}}---\left(1\right)$

式中，N表示该测量频段内所取的频率点的数目，i表示该频段内的第i个频率点，表示第i个频率点的无界面剥离时的机电耦合系统阻抗模值，表示第i个频率点的损伤或缺陷状态下机电耦合系统阻抗模值；频率点是指嵌入式压电功能元件所在位置。

4)根据测量频段上各嵌入式压电功能元件测量的机电耦合系统的阻抗测量值对应的损伤指标的大小，判断钢管混凝土构件中嵌入式压电功能元件所在位置管壁与混凝土之间的界面粘结情况，然后根据分布在管壁的嵌入式压电功能元件的位置，判断界面剥离的范围和程度。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明仅需要在靠近钢管内壁安装嵌入式压电功能元件，实现简单；本发明直接对位于管壁的嵌入式压电功能元件对由其与混凝土、界面以及钢管壁所构成的机电耦合系统的阻抗进行测量，实现对界面剥离缺陷的判断，避免对钢管外壁压电陶瓷片输出电信号的小波包分析；本发明能精确快速地找到无法直接触及且通过肉眼无法直接观察的钢管混凝土构件内部管壁与混凝土粘结界面剥离缺陷的位置和范围，具有准确度和灵敏度高、操作简便、价格低廉等优点。

附图说明

图1为本发明一实施例基于嵌入式压电功能元件的钢管混凝土构件钢管壁与混凝土界面粘结缺陷检测系统的组成图以及测量流程图；图1(a)为检测系统的示意图；图1(b)为检测系统的流程图；

图2为本发明所用嵌入式压电功能元件组成示意图；

图3为本发明一个实施例的嵌入式压电功能元件在钢管混凝土构件钢管壁界面的布置方法示意图，其中虚线所示范围内为模拟损伤区域；

图4(a)为有模拟剥离缺陷与无剥离缺陷处嵌入式压电功能元件测量的阻抗模值的结果比较图；图4(b)本检测方法定义的损伤指标所得的检测计算结果；

其中：

1：钢管混凝土柱构件钢管壁；2：嵌入式压电功能元件；3：阻抗分析仪；4：夹具；5：钢管混凝土柱内部混凝土；6：两芯屏蔽导线；7：BNC接头；8：水泥砂浆块；9：压电陶瓷PZT片；10：模拟的界面剥离缺陷。

具体实施方式

如图1所示，本发明方法如下：

1)在钢管混凝土构件内部可能出现界面剥离缺陷的拟检测的位置和无损位置布置嵌入式压电功能元件。拟检测的容易发生界面剥离缺陷情况的位置一般为有横隔板或者配筋较为复杂或者混凝土难以振捣填实的位置。无损位置为同等边界条件下能够保证混凝土浇筑质量的位置；

2)选择合适的测量频段，使用阻抗分析仪测量在被检测对象钢管混凝土构件内部的嵌入式压电功能元件的阻抗模值。该阻抗模值为嵌入式压电功能元件、钢管壁、混凝土和二者的粘结界面构成的机电耦合系统的阻抗；

3)选择钢管混凝土构件的无剥离缺陷位置的嵌入式压电功能元件的机电耦合阻抗模值测量结果作为参考值；

4)根据测量频段上各嵌入式压电功能元件的机电耦合阻抗模值测量值与参考值所确定的损伤指标，通过比较各嵌入式压电功能元件所对应的损伤指标的大小，判断该钢管混凝土构件某一嵌入式压电功能元件所在位置的管壁与混凝土界面的粘结情况。所定义的损伤指标值越小，表示该位置界面粘结状况越好。当某测试点的损伤结果小于0.05时，根据数理统计中小概率事件原理，认为该测试点处没有发生界面剥离缺陷。否则，认为该点界面出现剥离缺陷。

同时，被检测对象的钢管混凝土构件的截面形式可以为任何形状，包含常用的矩形截面或圆形截面，以及由各种不规则的钢管组成的多腔钢管混凝土构件。

步骤3)中，各压电陶瓷机电耦合阻抗的参考值是在被检测对象的钢管混凝土构件中无剥离缺陷位置的嵌入式压电功能元件上测量的。在相同边界条件的截面上，钢管混凝土构件的无剥离缺陷位置必须预先设定，且该位置必须保证混凝土浇筑质量。

步骤4)中定义的损伤指标为阻抗模值差值的相对均方差，是基于测量机电耦合系统得到的阻抗模值来定义的。对应于嵌入式压电功能元件与钢管、混凝土以及二者之间的粘结界面所构成的机电耦合系统基于嵌入式压电功能元件的阻抗模值变化相对均方差损伤指标由以下表达式定义和计算。

$\mathrm{DI}=\sqrt{\frac{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}{(Z_i^1-Z_i^0)}^2}{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}{\left(Z_i^0\right)}^2}}---\left(1\right)$

式中，N表示该测量频段内所取的频率点的数目，i表示该频段内的第i个频率点，表示第i个频率点的无界面剥离时的机电耦合系统阻抗模值，表示第i个频率点的损伤或缺陷状态下机电耦合系统阻抗模值；频率点是指嵌入式压电功能元件所在位置。

以图3所示的钢管混凝土柱构件为对象进行实施，结果如图4所示，通过比较各个嵌入式压电功能元件所得的损伤指标大小可以明显看出位于模拟剥离缺陷区域的嵌入式压电功能元件所对应的损伤指标值明显比无缺陷区域的三个测点值大很多。由此，可以判断该钢管混凝土构件中嵌入式压电功能元件所在部位出现界面粘结缺陷，出现剥离缺陷的区域所对应的嵌入式压电功能元件对应的损伤指标出现明显的增大。

运用阻抗分析仪对预埋在钢管混凝土构件中的嵌入式压电功能元件的机电耦合阻抗模值进行测量。通过界面完好的无剥离缺陷区域测得的嵌入式压电功能元件机电耦合阻抗模值与其他测量区域测得的嵌入式压电功能元件的阻抗模值计算得出损伤指标。通过比较钢管混凝土构件内部的嵌入式压电功能元件所对应位置的损伤指标，可以对各嵌入式压电功能元件所在区域的钢管混凝土内部钢管壁与混凝土界面的粘结状态进行检测和判断。

结构损伤的存在会导致结构刚度的变化以及结构振动特性的变化，进而引起结构机械阻抗的模值的改变。在工程领域可以通过测量结构的机械阻抗模值变化的来判断结构的损伤状态。但对钢管混凝土构件的界面剥离缺陷而言，由于界面剥离只是局部损伤，对钢管混凝土整体刚度和振动特性的影响微乎其微，界面剥离缺陷难以在钢管混凝土柱的机械阻抗模值上得到体现，必须使用局部损伤识别方法来解决钢管混凝土的界面剥离损伤的识别问题。此外，难以对钢管混凝土柱整体的机械阻抗进行直接测量，本发明巧妙地利用嵌入式压电功能元件对其本身与混凝土、界面以及钢管壁所构成的机电耦合系统的机电耦合阻抗进行测量，进而间接反映界面剥离损伤位置局部的机械阻抗，对界面损伤进行检测。

Claims (3)

1.一种钢管混凝土构件管壁与混凝土界面剥离缺陷检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在钢管混凝土构件混凝土浇筑前，在靠近钢管内壁位置预先设置嵌入式压电功能元件，保证混凝土浇筑完毕后，压电功能元件被嵌入混凝土中；

2)将与上述嵌入式压电功能元件的压电陶瓷片正负极相连的导线引出钢管混凝土构件，对所述压电陶瓷片施加不同频率的恒幅交流电压，测量嵌入式压电功能元件与混凝土、钢管壁构成的机电耦合系统在不同频率下的阻抗模值；

3)选择钢管混凝土构件无剥离缺陷位置的嵌入式压电功能元件与混凝土、钢管壁构成的机电耦合系统的阻抗模值作为参考值，定义测量频段上各嵌入式压电功能元件测量对应的机电耦合系统的阻抗模值的损伤指标；

4)根据测量频段上各嵌入式压电功能元件测量的机电耦合系统的阻抗测量值对应的损伤指标的大小，判断钢管混凝土构件中嵌入式压电功能元件所在位置钢管壁与混凝土之间的界面粘结情况，然后根据分布在钢管壁的嵌入式压电功能元件的位置，判断界面剥离的范围和程度。

2.根据权利要求1所述的钢管混凝土构件管壁与混凝土界面剥离缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤4)中，损伤指标DI的计算式为：

$\mathrm{DI}=\sqrt{\frac{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}{(Z_i^1-Z_i^0)}^2}{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}{\left(Z_i^0\right)}^2}};$

其中，N表示任一测量频段内所取的频率点的数目，i表示该测量频段内的第i个频率点，表示第i个频率点的无界面剥离时的机电耦合系统阻抗模值，表示第i个频率点的损伤或缺陷状态下机电耦合系统阻抗模值。

3.根据权利要求2所述的钢管混凝土构件管壁与混凝土界面剥离缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤4)中，当测量频段上各嵌入式压电功能元件测量的机电耦合系统的阻抗测量值对应的损伤指标小于0.05时，嵌入式压电功能元件所在位置的钢管混凝土构件管壁与混凝土界面没有剥离缺陷；否则，嵌入式压电功能元件所在位置的钢管混凝土构件管壁与混凝土界面有剥离缺陷。