CN104111131A - 一种钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法，传感器预埋入混凝土构件中，传感器电极方向与所测应力方向一致，用于接收混凝土应力变化产生的电信号，传感器通过屏蔽线接应力监测系统，应力监测系统用于记录应力监测信息。本发明将钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法传感器预埋入混凝土构件中，传感器可以排除外在因素的影响，准确地监测混凝土构件的应力变化状况，本发明操作简单，可实现对混凝土结构应力时程的原位、实时和在线的监测，对进行混凝土试验研究具有重要的意义。

Description

一种钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法

[技术领域]

本发明涉及混凝土构件监测，尤其涉及一种钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法。 

[背景技术]

随着高层建筑、大跨度空间结构、特大桥梁等重要建筑的不断出现以及人们对土木工程结构使用安全性、舒适性要求的不断提高，大型结构健康监测系统研究已经成为土木工程领域的一个研究热点。结构健康监测系统对避免人员财产损失、减少结构维修费用以及延长结构寿命、保证结构耐久性和实用性有着重要意义。 

混凝土结构中现存应力，是反映整个结构状况最重要的指标之一。由于在混凝土结构建设和使用过程中存在许多无法确定的因素，如施工误差、施工错误、混凝土徐变、预应力损失等，导致结构中混凝土应力与理论分析结果有一定差异，这就使得理论计算无法得出结构混凝土真实内力。传统的结构实验方法一般采用逐级加载的方法，测试对象为构件的位移和表面应变，再据此推算出应力。这类方法存在的问题是，无法实现对结构在长期使用过程中产生的非荷载因素引起额外的内力的原位监测。因此，需要提出一种可以更为直接地测量构件应力状态的方法。 

目前，监测混凝土应力的力传感器主要有机械式和电测式两类，这些传感器的基本原理是用弹性元件去感受力，弹性元件即发生与外力成对应关系的变形，用机械装置把这些变形按规律进行放大和显示即为机械式传感器，用电阻应变计把这些变形转变为电阻变化然后再进行测量的即为应变式传感器，还有 利用压电效应制成的压电式传感器。但是，不论是机械式还是电测式传感器，都是将传感器置于被测主体表面，传感器易受外在因素影响，无法准确地监测混凝土构件的应力变化状况，这对于结构长期使用过程中的应力监测影响尤为明显。 

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种监测效果好的钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法，有助于提高既有结构性能的检测技术水平，为实际工程中构件内力的确定提供一种新的手段。 

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法，传感器预埋入混凝土构件中，传感器电极方向与所测应力方向一致，用于将混凝土的应力变化转换成电信号，传感器通过屏蔽线接应力监测系统，应力监测系统用于记录应力监测信息。 

以上所述的钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法，传感器是埋入式1-3型水泥基压电陶瓷复合材料传感器。 

以上所述的钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法，应力监测系统为美国恩艾公司NI-USB6008数据采集卡的电信号采集系统。 

本发明将钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法传感器预埋入混凝土构件中，传感器可以排除外在因素的影响，准确地监测混凝土构件的应力变化状况，本发明操作简单，可实现对混凝土结构应力时程的原位、实时和在线的监测，对进行混凝土试验研究具有重要的意义。 

[附图说明]

下面结合图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

图1a是本发明实施例1的结构示意图。 

图1b是图1中的A向剖视图。 

图2a是本发明实施例1传感器的立体结构示意图。 

图2b图2a中的B向剖视图。 

其中中，1、传感器，2、混凝土，3、屏蔽引线，4、监测系统,5、1-3型水泥基压电复合材料、6、聚合物/水泥封装材料 

图3a是本发明实施例1梁中传感器的平面布置示意图 

图3b是本发明实施例1梁中传感器的立面布置示意图。 

图4是本发明的水泥基压电复合材料的频率响应特性曲线。 

图5是本发明实施例1梁线性性能测试结果。 

其中，图5a是30cm处加载不同传感器的应力-荷载曲线；图5b是不同位置加载2#传感器的应力-荷载曲线。 

图6是本发明实施例2梁中冲击荷载作用下监测结果。 

其中，图6a是不同位置加载纵向分布传感器实验结果，图6b是不同位置加载斜向分布传感器实验结果。 

图7是本发明实施例2梁中部分周期荷载加载下测试结果。 

其中，图7a是1/2位置处加载1#传感器实验结果，图7b是1/4位置处加载7#传感器位置实验结果。 

图8是本发明实施例2梁中周期荷载作用下纵向分布传感器监测结果。 

其中，图8a是不同位置5Hz加载实验结果，图8b是1/2位置不同频率加载实验结果。 

图9是本发明实施例2梁中周期荷载作用下斜向分布传感器监测结果。 

其中，图9a是不同位置30Hz加载实验结果的对比，图9b是1/2位置不同频率加载实验结果。 

图10是本发明实施例3梁中1/2位置不同频率加载1#传感器的实验结果。 

其中，图10a是5Hz加载实验结果，图10b是10Hz加载实验结果，图10c是20Hz加载实验结果，图10d是30Hz加载实验结果。 

图11是本发明实施例4框架中传感器的布点示意图。 

图12是本发明实施例4钢筋混凝土框架加载位置示意图。 

图13是本发明实施例4框架中线性性能实验。 

其中，图13a是A80位置加载不同位置传感器的应力随输入荷载的变化，图13b是不同位置加载6#传感器的应力随输入荷载的变化。 

图14是本发明实施例5框架中冲击荷载作用下实验结果。 

其中，图14a是H位置加载8#传感器的实验结果，图14b是H位置加载9#传感器的实验结果。 

图15是本发明实施例5框架中周期荷载作用下部分监测结果。 

其中，图15a是A80位置5Hz加载10#传感器的实验结果，图15b是H位置5Hz加载8#传感器的实验结果。 

图16是本发明实施例5框架中不同位置施加冲击荷载的传感器监测结果。 

图17是本发明实施例5框架中不同位置加载周期荷载作用下应力监测实验结果。 

其中，图17a是A1位置5Hz加载2#传感器的实验与模拟结果，图17b是A80位置5Hz加载7#传感器的实验和模拟结果。 

图18是本发明实施例5框架中周期荷载作用下应力监测实验结果。 

其中，图18a是不同位置5Hz下加载传感器监测结果，图18b是不同频率下A1位置加载传感器监测结果，图18c是不同频率下A80位置加载传感器监测结果。 

图19是本发明实施例6框架中A80位置不同频率加载下13#传感器实验结果。 

其中，图19a是A80位置5Hz加载13#传感器的实验结果，图19b是A80位置10Hz加载13#传感器的实验结果，图19c是A80位置20Hz加载13#传感器的实验结果，图19d是A80位置30Hz加载13#传感器的实验结果。 

[具体实施方式] 

下面通过具体实施例对本发明进行进一步的阐述，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对具体内容进行限定。 

参照图1，该混凝土结构应力原位监测方法中需要传感器1，根据监测需求分别确定监测点布置传感器1，传感器作为粗骨料埋入混凝土构件2中，传感器电极方向与所测应力方向一致，用于接收压电信号，传感器1分别通过屏蔽线3引出，至监测系统4，监测系统4用于记录应力监测信息。传感器1是埋入式1-3型水泥基压电陶瓷复合材料传感器，其结构如图2所示。应力监测系统4为基于美国恩艾公司NI-USB6008数据采集卡的电信号采集系统。 

该混凝土结构应力原位监测方法的使用方法是：将应力传感器1埋入建筑时的混凝土构件2中，应力传感器1电极方向与所要监测应力方向一致。对于工程应用中未知应力方向的监测，可通过多个应力传感器形成传感器阵列，以得到各方向应力。监测时，各传感器1分别接收混凝土应力变化产生的电信号，通过屏蔽线3接基于NI-USB6008数据采集卡的应力监测系统4，依据接收到的电信号来确定混凝土结构中的应力大小，同时观察其发展变化趋势。 

下面结合实施例对本发明涉及的应力原位监测方法进行详细描述，但不作为对本发明的限制。 

实施例1： 

采用本发明所涉及的混凝土结构应力原位监测方法，对三根尺寸为100mm×100mm×1200mm钢筋混凝土梁进行冲击荷载作用下的传感器的线性性能进行 测试。本发明所用1-3型水泥基压电复合材料传感器结构示意图如图2所示，其中，5为1-3型水泥基压电复合材料，由PZT-51压电陶瓷（河北保定宏声声学器材厂生产）通过切割-填充法制备而成，其最终尺寸为10mm×10mm×1.5mm；6为聚合物/水泥封装材料，其中聚合物为AB-灌浆树脂，水泥为普通硅酸盐水泥，聚合物与水泥的质量比为1:1。混凝土梁的质量配合比为水泥：水：砂子：石子：缓凝剂=1:0.49:1.65:2.19:0.009，传感器在梁中的埋设如图3所示，在实验中依据监测需求按需布置传感器，本实施例因是传感器应力监测可行性测试，故分别在不同位置、不同埋深处布置传感器，监测结果为垂直于电极方向即压电复合材料厚度方向的应力。 

首先制备了三个边长为100mm的立方体混凝土试块，内置应力传感器，以测得传感器在结构中的机电转换系数，由机电转换系数来确定传感器的力-电转换关系。实验中加载力为1MPa，水泥基压电复合材料频响曲线如图4所示。 

对于钢筋混凝土梁，施加幅值从1000N到3500N的冲击荷载，冲击荷载通过重7.26kg的哑铃从不同高度自由下落施加，每组数据采集3个样本，取平均值，通过外套方钢管确保下落线路，减小荷载施加偶然性。对于不同荷载条件下采集到的信号，先进行去噪处理，取所测信号峰值，通过机电信号转换为应力，作为施加荷载下的应力数据。分别对钢筋混凝土梁中沿梁长方向不同位置传感器的线性性能、同一位置传感器对不同位置加载作用下的线性性能以及沿梁长方向相同位置不同埋设深度的传感器线性性能进行讨论，输出电压信号幅值转化为应力值与输入荷载幅值之间的关系，梁线性性能测试结果如图5所示。从图5中可以看出钢筋混凝土梁中不同位置的水泥基压电复合材料传感器所测应力与所受冲击荷载之间存在良好的线性关系，表现出了良好的线性性能。 

实施例2： 

采用本发明所涉及的混凝土结构应力原位监测方法，对实施例1中的混凝土梁进行冲击荷载和周期荷载作用下的压电性能测试。周期荷载由电镐施加，加载频率分别为5Hz、10Hz、20Hz、30Hz,半正弦周期荷载的幅值为10000N，将电镐用皮带与结构束缚在一起，以保证加载稳定性。水泥基压电复合材料传感器在钢筋混凝土结构中的压电性能是该传感器在钢筋混凝土结构中应用的关键。对于压电性能本例主要通过冲击荷载和周期荷载下的监测结果来进行研究。为了研究水泥基压电复合材料传感器在钢筋混凝土梁中受压区和受拉区的压电特性，分别在沿梁长方向不同位置施加冲击荷载，监测结果如图6所示。对不同频率的周期荷载实验，将所有实验数据分为纵向分布传感器组和斜向分布传感器组进行讨论，监测结果如图7所示。 

由图6(a)中可以看出，在沿梁长方向不同位置进行冲击荷载加载，位于中性轴对称位置的每一对(1^#与2^#、3^#与4^#、5^#与6^#)水泥基压电复合材料传感器的监测数据在数值上非常接近。同时水泥基压电复合材料传感器实验数据和传感器所受力的大小变化趋势保持了很好的一致性，在沿梁长方向相同位置受拉区和受压区均表现出良好的压电特性。从图6(b)中可以看出水泥基压电复合材料传感器组在数值上呈现出中间小两边大的变化趋势，结果变化趋势较一致。表明水泥基压电复合材料传感器能够对冲击荷载作用下钢筋混凝土梁各位置的轴向应力进行有效的监测。 

由图7(a)所示，沿梁长方向1/2位置处加载1#传感器实验结果，传感器的信号周期为0.2s，传感器信号的幅值保持在3.25MPa，并没有出现较大的幅值的变化。由图7(b)对于1/4位置处5Hz加载下7#传感器的实验结果，信号 周期为0.2s，传感器信号的幅值保持在1.4MPa，亦没有出现较大的幅值的变化。结果表明在沿梁长方向不同位置施加不同频率的周期荷载，水泥基压电复合材料传感器的实验结果保持着很好的周期性，且周期与加载周期一致，随着加载时间的推移，传感器信号的幅值变化不大。 

因此，仅取传感器实验数据的应力峰值，以方便纵向和斜向分布各传感器信号的对比。在不同位置分别加载不同频率为的半正弦周期荷载，结果如图8、图9所示。由图8(a)可以看出，位于中性轴对称位置的每一对(1^#与2^#、3^#与4^#、5^#与6^#)水泥基压电复合材料传感器的数值上非常接近。由图8(a)、9(a)可知，对不同位置相同加载频率下的实验结果变化趋势基本一致，与所受力之间保持了很好的一致性。从图8(b)、9(b)可得，同一位置不同频率下加载的实验结果基本一致，表明频率改变对应力监测结果影响较小。这些结果说明水泥基压电复合材料传感器能够对不同频率周期荷载作用下钢筋混凝土梁各位置的应力时程进行有效的监测，表现出了良好的压电特性。 

实施例3： 

采用本发明所涉及的混凝土结构应力原位监测方法，对实施例1中的混凝土梁进行不同频率周期荷载作用下的频率响应测试。传感器的频率响应是测量传感器动态响应的重要性能之一。本实施例在加载过程中，保持输入正弦荷载的幅值为10000N不变，改变输入荷载的频率，分别输入5Hz、10Hz、20Hz、30Hz，该频率都包含在包含土木工程结构振动发生的频率范围(0.1Hz-40Hz)内，来测试传感器的频率响应。传感器所产生的电压波形换算为应力，部分传感器的应力-时间曲线结果如图10所示。由图10可以看出，在不同频率的半正弦荷载下，水泥基压电传感器均能产生标准的半弦电压波形，频率响应表现良 好，说明水泥基压电复合材料传感器对不同频率周期荷载均能有效监测。 

实施例4： 

采用本发明所涉及的混凝土结构应力原位监测方法，进行框架结构在冲击荷载作用下的线性性能测试。制作一个三层钢筋混凝土框架，尺寸为1000mm×800mm×1500mm，层高为500mm，实体高度为1550mm，梁和柱的截面尺寸也都为100mm×100mm，框架中纵筋与箍筋焊接相连。三层框架中一共布置有15个压电传感器，在六根梁的中点位置沿梁中轴线方向分别埋设一个传感器，传感器的面平行于梁的截面方向以测量梁的轴向应力，分别为7^#-12^#传感器。在柱子上每一个节点位置及每一层的中点沿柱中轴线方向布置传感器，每一个传感器的面平行于柱的截面方向以测量柱的轴向应力，分别为1^#-6^#传感器。在柱子上节点处一个传感器平行于1000mm梁的截面方向放置测试平行于梁的轴向应力，分别为13^#-15^#传感器。传感器在框架中的布置位置如图11所示。 

冲击荷载通过重7.26kg的哑铃制成不同半径的悬摆冲击框架施加，荷载幅值分别4788N、5472N、6156N、6840N、7524N、8208N。为了保证铁棒下摆落点，在冲击点标记出目标位置，减小冲击荷载施加的偶然性。每组数据采集3个样本，取平均值。对于不同荷载条件下采集到的信号，先进行去噪处理，取所测信号峰值，通过机电信号转换为应力，作为施加荷载下的应力数据。荷载在钢筋混凝土框架上的加载位置示意图如图12所示。12个加载点分别位于框架的节点(A1、A80、J1、J80)、梁的中点(E、H、N、Q)、柱子的中点(I1、I80、R1、R80)上。分别对钢筋混凝土框架中不同位置传感器的线性性能、同一位置传感器对不同位置加载作用下的线性性能进行讨论，图13给出了输出的电压信号幅值转化为应力值与输入荷载幅值之间的关系。从图11中可以看出输出的电 压信号幅值转化为应力值与输入荷载幅值之间存在明显的线性关系，钢筋混凝土框架中不同位置的水泥基压电复合材料传感器均表现出良好的线性性能。 

实施例5： 

采用本发明所涉及的混凝土结构应力原位监测方法，对实施例4中的框架结构进行不同冲击荷载和周期荷载作用下的压电性能测试。周期荷载由电镐施加，加载频率分别为5Hz、10Hz、20Hz、30Hz，半正弦周期荷载的幅值为10000N，将电镐用皮带与结构束缚在一起，以保证加载稳定性。 

水泥基压电复合材料传感器在钢筋混凝土结构中的压电性能是该传感器在钢筋混凝土结构中应用的关键。对于压电性能本例通过冲击荷载和周期荷载下的监测结果来进行研究。对埋设有水泥基压电传感器的钢筋混凝土框架在不同位置施加冲击荷载和周期荷载，将框架中的传感器按测量柱子上轴向应力的传感器组和测量梁轴向应力传感器组分别进行讨论。 

框架结构中柱子上轴向应力是表征框架结构状态的重要参数，框架梁的轴向应力作为结构中每一层状态的重要参数。在不同荷载作用下，只有当传感器的布设位置与加载位置处于同一层且所测梁轴向应力方向与加载方向相同时，监测点的应力才会比较明显。当加载位置在节点上且荷载方向与传感器所测应力方向垂直时，在实验中所在梁的传感器的应力信号十分微小，实验结果的数量级还未达到传感器的最低可测值。部分结果如图14、图15所示，可以看出，传感器实验的应力曲线在0位置上下来回震荡，监测结果的数量级还未达到传感器的最低可测值。因此，在讨论梁的轴向应力时只讨论与加载位置处于同一层且所测轴向应力方向与加载方向相同的传感器。 

为了测试水泥基压电复合材料传感器在框架节点位置施加冲击荷载作用下框架中各监测点轴向应力的监测性能，对框架上的各位置施加冲击荷载，监测结果如图16所示。由图16可以看出在不同位置加载水泥基压电复合材料传感器的实验结果总体上呈现出自上而下逐渐增大的趋势，而且水泥基压电复合材料传感器的实验结果与各点实际受力情况一致。说明水泥基压电复合材料传感器能够对冲击荷载作用下钢筋混凝土框架上的不同位置的应力进行有效的监测，表现出了良好的压电特性。 

为了测试水泥基压电复合材料传感器在框架节点位置施加周期荷载作用下框架中柱和梁上各监测点轴向应力的监测性能，对框架上的不同位置施加周期荷载，对框架上的各测点进行监测。对于不同加载条件下柱和梁上各点的应力曲线都呈现很有规律的周期性，如图17所示。2^#传感器所测得实验数据的应力曲线周期均为0.2s左右，而且三组应力-时间曲线的幅值都在0.25MPa左右，对加载位置在A80位置5Hz加载传感器的实验结果都是周期为0.2s的半正弦曲线，幅值均在0.45MPa左右，均呈现出相同的曲线形式，随着加载时间的推移，传感器信号的幅值变化不大。 

由于框架上各监测点的应力呈现相同的周期及曲线形式，为了方便研究在周期荷载下框架上各传感器点应力的变化趋势，取各实验数据的峰值进行分析，部分结果如图18所示。可以看出水泥基压电复合材料传感器的实验结果总体上呈现出自上而下逐渐增大的趋势，传感器实测数据与所受力的大小变化趋势保持了很好的一致性。说明水泥基压电复合材料传感器能够对不同频率周期荷载作用下钢筋混凝土框架上的轴向应力进行有效的监测，表现出了良好的压电特性。 

无论是冲击荷载还是周期荷载作用下，柱上各点应力峰值的变化呈现出越接近框架底部应力峰值越大的趋势。柱上各点应力峰值的极值往往出现在节点位置或者节点下方附近位置，在加载位置上方的柱子上各监测点的应力最值要远小于在加载位置各监测点的应力最值，与实际情况吻合较好。表明水泥基压电复合材料传感器对钢筋混凝土框架结构在冲击荷载及周期荷载作用下的应力时程监测展现出了良好的传感性能。 

实施例6： 

采用本发明所涉及的混凝土结构应力原位监测方法，对实施例4中的框架结构进行不同加载频率周期荷载作用下的频率响应测试。传感器的频率响应是测量传感器动态响应的重要性能之一。本例在加载过程中，保持输入正弦荷载的幅值为10000N不变，改变输入荷载的频率，依次为5Hz、10Hz、20Hz、30Hz。由水泥基压电传感器所产生的电压波形换算为应力，部分实验结果如图19所示。由图可以看出，在不同频率的半正弦荷载下，水泥基压电传感器均能产生标准的半弦电压波形，与输入荷载波形相一致。说明水泥基压电复合材料传感器对不同频率周期荷载均能有效监测，表现出很好的传感特性。 

总之，本发明的钢筋混凝土应力原位监测方法无论是在钢筋混凝土梁中还是钢筋混凝土框架结构中，对不同加载条件动力荷载作用下的应力测试都表现出了优异的监测效果，具有很高的实际应用价值。 

Claims (3)

1.一种钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法，其特征在于，传感器预埋入混凝土构件中，传感器电极方向与所测应力方向一致，用于将混凝土的应力变化转换成电信号，传感器通过屏蔽线接应力监测系统，应力监测系统用于记录应力监测信息。

2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法，其特征在于，传感器是埋入式1-3型水泥基压电陶瓷复合材料传感器。

3.根据权利要求1所述的钢筋混凝土结构应力原位在线监测方法，其特征在于，应力监测系统为美国恩艾公司NI-USB6008数据采集卡的电信号采集系统。