CN104345093A

CN104345093A - 钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法

Info

Publication number: CN104345093A
Application number: CN201410078642.3A
Authority: CN
Inventors: 吴佳晔; 吴曾炜
Original assignee: SICHUAN SHITA DETECTION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SICHUAN SHITA DETECTION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: CN104345093B

Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法，包括如下步骤：波速检测步骤：采用单面反射法、单面传播法、双面透过法或表面波法中的一种检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度；弹性模量计算步骤：根据冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度计算钢筋混凝土构件的动切线弹性模量；修正步骤：对钢筋混凝土构件的动切线弹性模量进行修正，得到钢筋混凝土构件中混凝土材料的静弹性模量。本发明的优点在于：增加了修正步骤，修正步骤用于消除钢筋对弹性模量检测的影响，以获得混凝土材料的弹性模量，从而更加准确的评价土木、建筑结构的安全性。

Description

钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法

技术领域

本发明涉及土木建筑领域，具体涉及一种钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法。

背景技术

钢筋混凝土结构是最重要的土木、建筑结构，在社会基础设施中占据举足轻重的地位。然而在使用过程中，不可避免地出现各种老化、劣化现象（如裂缝、混凝土强度降低等）。同时，如果施工质量得不到很好的保证，会加速结构的劣化，从而造成社会经济的损失。

评价混凝土质量的指标有很多，但最重要的指标是其轴心抗压强度和弹性模量。其中，轴心抗压强度一般采用立方体标准试件测得，概念明确，试件的测试方法较为简单，目前的应用最为广泛。混凝土材料的弹性模量决定了结构的变形特性，而且也是反映混凝土质量、耐久性的重要指标：可以反映材料的刚性特性，在结构的变形计算中是重要的参数；混凝土材料的老化往往先从弹性模量的降低开始，而新建结构的施工不良也会在弹模方面有所显现。

然而，对于实体混凝土结构的弹性模量的测试并不是一件容易的事情。长期以来，在混凝土结构上钻孔取芯，并进行载荷试验是测试弹性模量的一般方法。但该方式不仅费时费力，而且对结构有一定的损害，因此难以大面积检测。

近年来，随着电子技术的飞速发展，采用弹性波的无损检测技术在混凝土结构中得到了越来越广泛的应用。从理论上讲，利用弹性波的波速可以推算材料的弹性模量。但在实际的应用中却存在着诸多的问题，主要体现在：

1．动、静弹性模量的差异；

2．不同测试方法得到的波速有所不同；

3．钢筋对测试结果的影响

其中的第1点和第2点，本领域技术人员做了较多的研究，也有相当的成果。但对于第3点，即钢筋对弹性模量测试结果的影响及其修正方法却未有可行的方法，严重阻碍了该方法在实际工程中的应用。

在钢筋混凝土结构中，钢筋（一般包括箍筋和纵筋）与混凝土交织在一起。激发的弹性波在钢筋混凝土结构中传播时，不可避免地同时受到钢筋和混凝土的同时作用。由于冲击弹性波在钢筋中的传播速度快于其在混凝土中的传播速度，据此推算的结构的弹性模量要大于混凝土材料的弹性模量。因此，以该结果作为混凝土材料的弹性模量来评价土木、建筑结构的安全性是不准确的，存在安全隐患。

同时，钢筋的影响程度还与检测方法有关。由于钢筋混凝土结构的形状、大小千差万别，同时可供测试的作业面也常常受到限制，因此，常常需要采用不同的方法进行检测。目前，主要有单面反射法、单面传播法、双面透过法和表面波法四种方法。钢筋对不同检测方法测试结果的影响也有所不同。

发明内容

本发明的目的即在于提供一种钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法，包括如下步骤：

波速检测步骤：采用单面反射法、单面传播法、双面透过法或表面波法中的一种检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度；

弹性模量计算步骤：根据冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度计算钢筋混凝土构件的动切线弹性模量；

修正步骤：对钢筋混凝土构件的动切线弹性模量进行修正，得到钢筋混凝土构件中混凝土材料的静弹性模量。

发明人对现有的钢筋混凝土构件的检测方法进行研究后，发现现有的检测方法存在以下问题：

1．现有的检测方法得到的弹性模量为钢筋混凝土实体构件的弹性模量，而不是混凝土材料的弹性模量；由于冲击弹性波在钢筋中的传播速度大于其在混凝土中的传播速度，实际得到的弹性模量与混凝土材料的弹性模量之间存在较大差异，以该结果作为混凝土材料的弹性模量来评价土木、建筑结构的安全性是不准确的，存在安全隐患。

2．现有的检测方法得到的弹性模量是材料在小应变条件下的动切线弹性模量，而非静弹性模量，对于钢材这样的均质弹性材料，动切线弹性模量与静弹性模量非常接近，而对于混凝土这样的非线性材料而言，动切线弹性模量与静弹性模量之间则有一定的差异，具体体现在对应力水平的影响不同，和对粘性的影响不同。通常，在土木、建筑结构的安全检测中要求使用混凝土的静弹性模量，采用动切线弹性模量评价土木、建筑结构的安全性并不准确。

基于上述新的认识，发明人在现有的检测方法的基础上，增加了修正步骤。修正步骤一方面用于消除钢筋对弹性模量检测的影响，以获得混凝土材料的弹性模量，另一方面用于消除动切线弹性模量与静弹性模量之间的差异，以获得混凝土材料的弹性模量。

进一步的，如在所述波速检测步骤中，采用单面传播法或双面透过法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述修正步骤包括如下子步骤：

箍筋修正步骤：计算箍筋间钢筋混凝土构件的弹性模量，计算公式如下：

其中：

表示仅在纵向钢筋的影响下箍筋间钢筋混凝土构件的弹性模量；

L表示箍筋间距；

表示每层箍筋的等效厚度，为一层箍筋体积/钢筋混凝土构件的横截面积；

表示钢筋混凝土构件中钢筋的弹性模量；

表示直接通过波速得到的钢筋混凝土构件在小应变条件下的动切线弹性模量；

纵筋修正步骤：计算钢筋混凝土构件中混凝土材料的弹性模量，计算公式如下：

其中：

表示纵向配筋率，为纵向配筋的截面积/钢筋混凝土构件的截面积；

表示钢筋混凝土构件中混凝土材料的弹性模量；

表示仅在纵向钢筋的影响下箍筋间钢筋混凝土构件的弹性模量，由箍筋修正步骤得到。

进一步的，如在所述波速检测步骤中，采用单面反射法或表面波法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述修正步骤包括如下子步骤：

计算综合配筋率，计算公式如下：

=钢筋混凝土构件中钢筋的总体积/钢筋混凝土构件的总体积；

计算钢筋混凝土构件中混凝土材料的弹性模量，计算公式如下：

其中：

表示钢筋混凝土构件中钢筋的弹性模量；

表示直接通过波速得到的钢筋混凝土构件在小应变条件下的弹性模量。

进一步的，所述波速检测步骤包括如下子步骤：

对钢筋混凝土构件进行单面反射法、单面传播法、双面透过法或表面波法检测，记录冲击弹性波在钢筋混凝土构件中传播的波形曲线，波形曲线的X轴为时间轴，波形曲线的Y轴为振幅轴；

在波形曲线起始位置的上升段选取3个以上的点，利用选取的点进行线性或者正弦回归，得到回归直线或回归曲线，回归直线或者回归曲线与时间轴的交点为冲击弹性波的到达时刻；

根据冲击弹性波的到达时刻计算冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度。

在理想状态下，冲击弹性波在钢筋混凝土构件中传播的波形曲线为标准的正弦曲线。但是，由于噪声、钢筋直接传播等的影响，使得得到的波形曲线并非标准的正弦曲线，在波形曲线的起始位置，其上升段存在向下凹陷的趋势。

对于理想的波形曲线，其曲线前沿上升迅速，易于辨识信号的起始时刻，以得到冲击弹性波的到达时间。但是对于非理想的波形曲线，其曲线前沿向下凹陷，上升缓慢，不易辨识信号的起始时刻。

为了解决这个问题，发明人在波形曲线起始位置的上升段选取3个以上的点，利用选取的点进行线性或者正弦回归，得到回归直线或回归曲线，回归直线或者曲线与时间轴的交点即为冲击弹性波的到达时刻。通过这种方式，能够有效降低波形曲线不理想带来的冲击弹性波到达时刻的判断误差，提高了传播速度检测的准确性，从而提高后续的弹性模量计算步骤和修正步骤的准确性。

进一步的，如在所述波速检测步骤中，采用单面反射法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述弹性模量计算步骤中，钢筋混凝土构件在小应变条件下的弹性模量的计算公式如下：

其中；

表示冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度；

表示直接通过波速得到的钢筋混凝土构件在小应变条件下的弹性模量；

表示钢筋混凝土构件的密度。

进一步的，如在所述波速检测步骤中，采用单面传播法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述弹性模量计算步骤中，钢筋混凝土构件在小应变条件下的弹性模量的计算公式如下：

其中：

表示冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度；

表示钢筋混凝土构件的密度；

表示泊松比。

进一步的，如在所述波速检测步骤中，采用双面透过法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述弹性模量计算步骤中，钢筋混凝土构件在小应变条件下的弹性模量的计算公式如下：

其中：

表示冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度；

表示钢筋混凝土构件的密度；

表示泊松比。

进一步的，如在所述波速检测步骤中，采用表面波法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述弹性模量计算步骤中，钢筋混凝土构件在小应变条件下的弹性模量的计算公式如下：

其中：

表示冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度；

表示钢筋混凝土构件的密度；

表示泊松比。

综上所述，本发明的优点和有益效果在于：

1．增加了修正步骤，修正步骤用于消除钢筋对弹性模量检测的影响，以获得混凝土材料的弹性模量，从而更加准确的评价土木、建筑结构的安全性；

2．本发明能够和单面反射法、单面传播法、双面透过法或表面波法配合使用，适用范围广；

3．采用线性或者正弦回归的方法，得到准确的信号起始时刻，能够有效降低波形曲线不理想带来的冲击弹性波到达时刻的判断误差，提高了传播速度检测的准确性，从而提高后续的弹性模量计算步骤和修正步骤的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据下面的附图，得到其它附图。

图1为单面反射法的工作原理图；

图2为单面传播法的工作原理图；

图3为双面透过法的工作原理图；

图4为表面波法的工作原理图；

图5为理想的波形曲线；

图6为非理想的波形曲线；

图7为回归的原理图；

其中，附图标记对应的零部件名称如下：

1-钢筋混凝土构件，2-冲击锤，3-打击锤，4-传感器。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。

实施例1：

在本实施例中，钢筋混凝土构件尺寸为0.2m×0.2m×1m，箍筋为D10，间距为200mm，纵筋为4×D20。

1．波速检测步骤：

对钢筋混凝土构件进行双面透过法检测，具体如图3所示。钢筋混凝土构件1的厚度已知，其厚度为H=1m，且两面均存在可放置检测仪器的空间。在钢筋混凝土构件1的一侧设置冲击锤2，在钢筋混凝土构件1的另一侧设置传感器4，冲击锤2和传感器4相对设置。冲击锤2激励钢筋混凝土构件1的侧面，产生冲击弹性波，冲击弹性波传播至另一侧面并被传感器4接收。得到的如图6所示的冲击弹性波在钢筋混凝土构件1中传播的波形曲线，波形曲线的X轴为时间轴，波形曲线的Y轴为振幅轴。

在理想状态下，冲击弹性波在钢筋混凝土构件1中传播的波形曲线为标准的正弦曲线，如图5所示。但是，由于噪声、钢筋直接传播等的影响，使得得到的波形曲线并非标准的正弦曲线，如图6所示，在波形曲线的起始位置，其上升段向下凹陷。

为了克服这一问题，如图7所示，在波形曲线起始位置的上升段选取4点，利用选取的点进行线性回归，得到回归直线，回归直线与时间轴的交点为冲击弹性波的到达时刻。

冲击弹性波的结束时刻减去冲击弹性波的到达时刻即为冲击弹性波的发射时间。

由此，得到冲击弹性波的波速。

2．弹性模量计算步骤：

钢筋混凝土构件的弹性模量按如下公式计算：

取泊松比，混凝土的密度，得到钢筋混凝土构件的弹性模量。

3．修正步骤，包括：

3．1箍筋修正步骤：

首先计算根据箍筋等效厚度。根据箍筋配置，得到

每层箍筋的等效厚度；

则箍筋间钢筋混凝土构件的弹性模量如下：

其中，箍筋间距=20cm，钢筋混凝土构件中钢筋的弹性模量=206GPa。

3．2纵筋修正步骤：

首先根据纵向配筋的截面积和钢筋混凝土构件的截面积计算纵向配筋率，

然后计算钢筋混凝土构件中混凝土材料的弹性模量：

。

实施例2：

测试采用图2所示的单面传播法，其钢筋混凝土构件的弹性模量的计算公式为：，而钢筋混凝土构件中混凝土材料的弹性模量的计算方法与实施例1完全相同。

实施例3：

测试采用图1所示的单面反射法进行钢筋混凝土构件中混凝土材料的弹性模量的检测。

在本实施例中，钢筋混凝土构件为3m×3m×0.1m的单向板，纵筋为单排D20，间距为0.2m。

1．波速检测步骤：

对钢筋混凝土构件进行单面反射法检测，具体如图1所示。钢筋混凝土构件1的厚度已知，为0.1m。采用打击锤3激励钢筋混凝土构件1的上表面，产生冲击弹性波，冲击弹性波传播至钢筋混凝土构件1的下表面后被反射回钢筋混凝土构件1的上表面，并被位于钢筋混凝土构件1上面的传感器4（一般可采用加速度传感器）接收。

利用FFT（快速傅立叶变换）可得一次往复的传播时间=0.05ms

可得到冲击弹性波的波速。

2．弹性模量计算步骤：

钢筋混凝土构件的弹性模量按如下公式计算：

混凝土的密度，得到钢筋混凝土构件的弹性模量；

3．修正步骤，包括：

3．1计算综合配筋率，计算公式如下：

=钢筋混凝土构件中钢筋的总体积/钢筋混凝土构件的总体积，具体的；

3．2计算钢筋混凝土构件中混凝土材料的弹性模量，计算公式如下：

其中：

钢筋混凝土构件中钢筋的弹性模量 =206GPa。

实施例4：

在本实施例中，钢筋混凝土构件为3m×3m×0.3m的单向板，纵筋为单排D20，间距为0.2m。

测试采用图4所示的表面波法进行钢筋混凝土构件中混凝土材料的弹性模量的检测。

1．波速检测步骤：

在本实施例中，传感器间距L=0.4m。

采用线性回归或正弦回归得到准确的冲击弹性波的到达时刻的原理与实施例1相同，此处不再赘述。求出表面波的传播时间。

由此，得到表面波的波速。

2．弹性模量计算步骤：

钢筋混凝土构件的弹性模量按如下公式计算：

3．修正步骤，包括：

3．1计算综合配筋率，计算公式如下：

=钢筋混凝土构件中钢筋的总体积/钢筋混凝土构件的总体积，具体的

；

其中：

钢筋混凝土构件中钢筋的弹性模量 =206GPa。

如上所述，便可较好的实现本发明。

Claims

1.钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法，其特征在于：

如在所述波速检测步骤中，采用单面传播法或双面透过法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述修正步骤包括如下子步骤：

其中：

L表示箍筋间距；

表示钢筋混凝土构件中钢筋的弹性模量；

其中：

表示钢筋混凝土构件中混凝土材料的弹性模量；

3.根据权利要求1所述的钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法，其特征在于：

如在所述波速检测步骤中，采用单面反射法或表面波法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述修正步骤包括如下子步骤：

计算综合配筋率，计算公式如下：

其中：

表示钢筋混凝土构件中钢筋的弹性模量；

4.根据权利要求1~3中任意一项所述的钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法，其特征在于：

所述波速检测步骤包括如下子步骤：

5.根据权利要求4所述的钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法，其特征在于：

如在所述波速检测步骤中，采用单面反射法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述弹性模量计算步骤中，钢筋混凝土构件在小应变条件下的弹性模量的计算公式如下：

其中；

表示冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度；

表示钢筋混凝土构件的密度。

6.根据权利要求4所述的钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法，其特征在于：

如在所述波速检测步骤中，采用单面传播法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述弹性模量计算步骤中，钢筋混凝土构件在小应变条件下的弹性模量的计算公式如下：

其中：

表示冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度；

表示钢筋混凝土构件的密度；

表示泊松比。

7.根据权利要求4所述的钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法，其特征在于：

如在所述波速检测步骤中，采用双面透过法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述弹性模量计算步骤中，钢筋混凝土构件在小应变条件下的弹性模量的计算公式如下：

其中：

表示冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度；

表示钢筋混凝土构件的密度；

表示泊松比。

8.根据权利要求4所述的钢筋混凝土构件中混凝土材料弹性模量的检测方法，其特征在于：

如在所述波速检测步骤中，采用表面波法检测冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度，则所述弹性模量计算步骤中，钢筋混凝土构件在小应变条件下的弹性模量的计算公式如下：

其中：

表示冲击弹性波在钢筋混凝土构件中的传播速度；

表示钢筋混凝土构件的密度；

表示泊松比。