CN104634860A - 钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测装置，所述钢筋混凝土内部钢筋屈服状态监测装置由支架、杜瓦瓶、蔽磁材料层和磁探头组成；所述蔽磁材料层设置于杜瓦瓶内储液腔的底部，所述杜瓦瓶内封装有液氮；所述磁探头设置于杜瓦瓶下方，磁探头位于蔽磁材料层覆盖的区域范围内；所述磁探头和杜瓦瓶通过支架连接为一体；所述蔽磁材料层采用钇钡铜氧；本发明还公开了一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋强度及屈服状态监测方法；本发明的有益技术效果是：提出了一种可以对钢筋混凝土内部钢筋屈服进行监测的新装置，并依据监测装置的监测结果设计出了一种新的桥梁安全监测方法，对于新建桥梁和在役桥梁均可实施。

Description

钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测装置及方法

技术领域

    本发明涉及一种钢筋混凝土内部钢筋工作状态监测技术，尤其涉及一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服监测装置及方法。

背景技术

作为钢筋混凝土桥梁的主要组成部分，钢筋的工作性能直接决定了此类桥梁的受力性能和使用寿命；钢筋屈服，是钢筋开始丧失对变形的抵抗能力，并开始产生大量塑性变形时所对应的应力。钢筋屈服与否是判断钢筋使用性能的重要临界指标，如果能对钢筋屈服进行实时监测，并在钢筋达到屈服状态临界点时实现预警，对保证结构安全稳定性具有重要意义。

现有技术中，针对既有的钢筋混凝土构件，只能根据荷载、材料的标准值，使用简化分析模型和多种假定来计算出钢筋混凝土构件整体的理论应力状态，这种理论应力状态只能对较大区域内的钢筋混凝土构件进行笼统、模糊地描述，并且其结果还受限于所设定的特定工况，既无法反应出钢筋混凝土构件的真实应力状态，也无法对局部区域进行详细、准确的描述，更加无法对钢筋应力是否达到屈服状态进行监测。

现有技术中，针对钢筋屈服的监测或监测手段目前还停留在理论研究阶段，缺乏可以实际应用的有效手段，如专利号为200420039785.5的中国专利文献提出了一种便捷式智能钢筋屈服状态监测仪，其手段是将待测钢筋外露，利用测定材料硬度的方法来测试固体材料的强度特征，其原理类似于用回弹法测混凝土强度，但在实施该方案时，需要凿除混凝土来使钢筋裸露出来，对构件破坏性较大，不适于在桥梁关键位置实施；论文“CERP预警传感器的研究”是利用碳纤维增强复合材料（CERP）的导电性和压电效应，根据碳纤维布断裂时所形成的电阻阶跃信号，来判定钢筋的屈服并实现预警，此方法需要在浇筑构件时就在钢筋上铺装碳纤维增强复合材料，无法应用于对成桥上的钢筋强度进行监测。

发明内容

本发明采用金属磁记忆技术来监测钢筋的屈服状态，其原理是：金属磁记忆技术是铁磁性材料在地磁场激励下，应力集中和变形区域会发生磁畴壁运动，并由于材料内耗产生不可逆的磁畴重新取向，从而使得漏磁信号会在应力集中或者变形区附近发生突变。当钢筋应力超过弹性极限后，进入屈服阶段后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。由此可知，当钢筋达到屈服时，磁信号也会发生变化。

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测装置，其创新在于：所述钢筋混凝土内部钢筋屈服状态监测装置由支架、杜瓦瓶、蔽磁材料层和磁探头组成；所述蔽磁材料层设置于杜瓦瓶内储液腔的底部，所述杜瓦瓶内封装有液氮；所述磁探头设置于杜瓦瓶下方，磁探头位于蔽磁材料层覆盖的区域范围内；所述磁探头和杜瓦瓶通过支架连接为一体；所述蔽磁材料层采用钇钡铜氧。

桥梁结构内部钢筋外还包裹了一定厚度的混凝土层，若要实现无损监测，就不能破坏混凝土层，故探测装置与钢筋之间的间隔至少要等于混凝土层的厚度，另外，监测环境中充满了地磁场，地磁场与钢筋周围的磁场同时被探测装置所感应，再加上传感部无法与铁磁性材料直接接触，在现有的磁记忆检测技术条件下，根本无法将微弱的钢筋周围磁场从监测信号中剥离出来，也无法利用磁记忆技术实现对钢筋屈服状态的监测。本发明采用一种高温超导材料-钇钡铜氧，其超导转变温度高于液氮沸点，在液氮环境这种低超导条件下就能实现“超导”，而且在超导状态下，钇钡铜氧具有抗磁性，其内部磁通量为零，磁力线无法进入超导体。

在前述方案中，杜瓦瓶用于存储液氮，钇钡铜氧设置于杜瓦瓶内储液腔的底部，相当于浸泡在液氮中，通过液氮的低温使钇钡铜氧保持在超导状态，超导状态下的钇钡铜氧发挥其抗磁性，一方面，钇钡铜氧将来自上方的地磁场的磁力线阻挡在外，使地磁场无法进入磁探头监测区域内的气隙空间内，另一方面，钇钡铜氧将来自下方的钢筋周围的磁场也阻挡在外，迫使钢筋周围的磁场只能向磁探头处汇集，这就可以在现有的磁探测手段条件下，捕获到微弱的钢筋周围磁场，通过对钢筋周围磁场的特性进行分析，我们就能定性地掌握钢筋的当前强度状态。

优选地，所述磁探头的输出部和控制部以有线或无线方式与一计算机通信连接。采用此优选方案后，技术人员就能通过计算机远程遥控磁探头的动作并实时获取到监测信号，提高结构监测效率。

基于前述的钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋强度及屈服状态监测装置，本发明还提出了一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测方法，所涉及的硬件包括如前所述的钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测装置，具体的监测方法包括：1）将钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服监测装置设置于桥梁控制截面或钢筋所受应力较大处，磁探头表面与包裹在钢筋外的混凝土表面接触；

2）定期驱动磁探头工作，获得监测区域内的磁感应强度信号；

3）计算当前监测周期内获得的磁感应强度信号与前一监测周期内获得的磁感应强度信号之间的变化量，若变化量大于设定的阈值，则发出报警信号；若变化量小于设定的阈值，则继续进行后一监测周期的处理。

前述方法的原理是：基于现有理论可知，新铺设的钢筋刚投入使用时，由于其强度较高，在应力作用下，其应变量仅会以蠕变形式缓慢变化，再加上正常状态下桥梁上的应力、变形及其分布相对稳定，此时钢筋周围磁场的变化也十分细微，磁感应强度不会出现较大幅度的波动；随着时间的推移，钢筋在应力的长时间作用下，其强度会逐渐劣化，当钢筋强度演进至屈服状态临界点后，由现有理论可知，钢筋上的塑性形变将逐渐显性化，形变量会明显增大，此时由形变引起的磁畴壁运动也会明显增大，并表现为磁感应强度的变化量，因此，通过对磁感应强度进行监测，并计算其变化量，我们就能定性地判断出钢筋强度是否已经接近或达到屈服状态临界点，从而为结构养护、病害处治工作提供参考依据。

对于在役桥梁，在应用本发明方案时，由于桥梁已经运营了一定时间，其前期钢筋强度演进情况无法获知，再加上桥梁这类大型结构体的应力应变情况较为复杂，从提高安全性的方面考虑，本发明还在前述方案的基础上作了进一步优化，即在步骤3）的处理完成后，进行后一监测周期的处理之前，先按如下方法进行处理：

将当前监测周期内获得的磁感应强度信号与一磁感应强度临界值进行比较，若磁感应强度信号小于磁感应强度临界值，则继续进行后一监测周期的处理；若磁感应强度信号大于磁感应强度临界值，则发出报警信号；所述磁感应强度临界值为钢筋达到屈服状态临界点时所对应的理论磁感应强度，此理论磁感应强度根据仿真试验结果合理设定。

该步骤中的理论磁感应强度来源于仿真试验，即对仿真钢筋混凝土构件进行加载试验，通过加载试验来模拟内部钢筋从初始状态至屈服状态的演进过程，试验过程中，采用本发明的装置对钢筋周围磁场进行连续监测，从而找到钢筋的屈服状态临界点以及屈服状态临界点所对应的特征磁感应强度，获得了特征磁感应强度后，综合考虑桥梁设计寿命、已服役时间和材料数值，在特征磁感应强度基础上制定出更为严苛的安全阈值，即理论磁感应强度，在桥梁安全预警中，以宁愿错报也不漏报的态度，根据理论磁感应强度来进行安全预警，发现问题及时处理，保证桥梁运营安全。

本发明的有益技术效果是：提出了一种可以对钢筋混凝土内部钢筋屈服进行监测的新装置，并依据监测装置的监测结果设计出了一种新的桥梁安全监测方法，对于新建桥梁和在役桥梁均可实施。

附图说明

图1、本发明的装置原理示意图；

图2、本发明的结构示意图；

图3、钢筋磁场变化曲线图（图中横坐标为时间，纵坐标为磁感应强度）；

图4、钢筋磁场变化时间梯度图（图中横坐标为时间，纵坐标为磁感应强度的时间梯度值）；

图中各个标记所对应的名称分别为：支架1、杜瓦瓶2、蔽磁材料层3、磁探头4、钢筋混凝土构件上的混凝土层5、钢筋混凝土构件内的钢筋6、地磁场磁力线7、钢筋周围磁场磁力线8。

具体实施方式

一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋强度及屈服状态监测装置，其创新在于：所述钢筋混凝土内部钢筋屈服状态监测装置由支架1、杜瓦瓶2、蔽磁材料层3和磁探头4组成；所述蔽磁材料层3设置于杜瓦瓶2内储液腔的底部，所述杜瓦瓶2内封装有液氮；所述磁探头4设置于杜瓦瓶2下方，磁探头4位于蔽磁材料层3覆盖的区域范围内；所述磁探头4和杜瓦瓶2通过支架连接为一体；所述蔽磁材料层3采用钇钡铜氧。具体应用时，支架除了起连接磁探头4和杜瓦瓶2的连接作用外，还起到安装作用，即监测装置通过支架固定于桥梁上，具体的支架结构可采用图2中所示的优选结构，该结构中，在杜瓦瓶2的下端和磁探头4的上端各设置了一个台阶面，支架上通过设置对应的台阶面来将杜瓦瓶2和磁探头4卡套在内，支架和杜瓦瓶2之间可通过卡箍紧固，支架外部可通过螺栓锚接在桥梁表面，也可通过箍套来抱紧桥梁结构；本领域技术人员还可根据监测区域在桥梁上所处位置的结构特点设计其他结构的支架。鉴于杜瓦瓶2结构在现有技术中的公知性，本发明的视图中仅以简化方式示出了杜瓦瓶2。

进一步地，所述磁探头4的输出部和控制部以有线或无线方式与一计算机通信连接。

一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋强度及屈服状态监测方法，所涉及的硬件包括钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测装置，所述钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测装置由支架、杜瓦瓶2、蔽磁材料层3和磁探头4组成；所述蔽磁材料层3设置于杜瓦瓶2内储液腔的底部，所述杜瓦瓶2内封装有液氮；所述磁探头4设置于杜瓦瓶2下方，磁探头4位于蔽磁材料层3覆盖的区域范围内；所述支架用于维持磁探头4和杜瓦瓶2之间的相对位置关系；

其创新在于：所述监测方法包括：1）将钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋强度及屈服监测装置设置于桥梁控制截面或钢筋所受应力较大处，磁探头4表面与包裹在钢筋外的混凝土表面接触；

2）定期驱动磁探头4工作，获得监测区域内的磁感应强度信号；

3）计算当前监测周期内获得的磁感应强度信号与前一监测周期内获得的磁感应强度信号之间的变化量，若变化量大于设定的阈值，则发出报警信号；若变化量小于设定的阈值，则继续进行后一监测周期的处理。

进一步地，步骤3）的处理完成后，在进行后一监测周期的处理之前，先按如下方法进行处理：

将当前监测周期内获得的磁感应强度信号与一磁感应强度临界值进行比较，若磁感应强度信号小于磁感应强度临界值，则继续进行后一监测周期的处理；若磁感应强度信号大于磁感应强度临界值，则发出报警信号；

所述磁感应强度临界值为钢筋达到屈服状态临界点时所对应的理论磁感应强度，此理论磁感应强度根据仿真试验结果合理设定。

参见图3、图4，图3为根据某次钢筋强度演化仿真试验中记录到的钢筋周围磁感应强度绘制出的钢筋磁场变化曲线图，图4为根据图3中磁感应强度数据对时间做梯度后得到的钢筋磁场变化时间梯度图；从图3中可见，在0到100秒之间，磁场出现了较小幅度的波动，这是由于试验刚开始时，由加载作用产生的应力正在钢筋上进行分布，故而导致磁畴壁发生小幅变化；在100~200秒之间，磁感应强度变化较为平缓，无明显波动，结合钢筋长度监测数据也无明显变化的现象可知，前期的应力分布阶段已经结束，钢筋此时正处于弹性阶段，其应力应变均匀变化，几乎无塑性形变，因此磁场变化幅度较小；在200秒至300秒左右，磁感应强度逐渐变大，试验现场钢筋长度开始明显伸长，据分析可知，此时，钢筋上的塑性形变已开始逐渐显性化，磁感应强度变化主要由塑性形变引起，说明钢筋强度状态已经跨越屈服临界点并进入屈服阶段；在300至400秒之间，磁感应强度形成正向峰值后又陡然形成反向峰值，这种峰值陡然转向的情况说明钢筋内部晶格的原始状态和应力分布已被破坏，从而引起磁畴壁的巨大变化，表明钢筋已经跨越屈服阶段进入强化阶段，400秒后，磁场数据又趋于平缓，根据现有理论可知，钢筋进入强化阶段后，在后续演进过程中，钢筋形变几乎全为塑性形变，故磁场数据不会出现较大波动；从图4中梯度化处理后的曲线图中，我们可以更加明显地看到前述现象；针对钢筋周围磁场在屈服临界点处出现大幅波动的现象，发明人对不同材质、不同规格的钢筋进行了大量仿真试验，试验结果基本相同，其不同仅是磁场出现大幅波动的时间点不同，这也应证了不同类型的钢筋具有不同屈服强度的论断。

具体应用时，本发明的监测方法可采用软件编程实现，并与本发明的装置一起形成一种钢筋屈服状态监测系统。

Claims (4)

1.一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测装置，其特征在于：所述钢筋混凝土内部钢筋屈服状态监测装置由支架（1）、杜瓦瓶（2）、蔽磁材料层（3）和磁探头（4）组成；所述蔽磁材料层（3）设置于杜瓦瓶（2）内储液腔的底部，所述杜瓦瓶（2）内封装有液氮；所述磁探头（4）设置于杜瓦瓶（2）下方，磁探头（4）位于蔽磁材料层（3）覆盖的区域范围内；所述磁探头（4）和杜瓦瓶（2）通过支架连接为一体；所述蔽磁材料层（3）采用钇钡铜氧。

2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测装置，其特征在于：所述磁探头（4）的输出部和控制部以有线或无线方式与一计算机通信连接。

3.一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋强度及屈服状态监测方法，所涉及的硬件包括钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测装置，所述钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测装置由支架、杜瓦瓶（2）、蔽磁材料层（3）和磁探头（4）组成；所述蔽磁材料层（3）设置于杜瓦瓶（2）内储液腔的底部，所述杜瓦瓶（2）内封装有液氮；所述磁探头（4）设置于杜瓦瓶（2）下方，磁探头（4）位于蔽磁材料层（3）覆盖的区域范围内；所述支架用于维持磁探头（4）和杜瓦瓶（2）之间的相对位置关系；

其特征在于：所述监测方法包括：1）将钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋强度及屈服监测装置设置于桥梁控制截面或钢筋所受应力较大处，磁探头（4）表面与包裹在钢筋外的混凝土表面接触；

2）定期驱动磁探头（4）工作，获得监测区域内的磁感应强度信号；

3）计算当前监测周期内获得的磁感应强度信号与前一监测周期内获得的磁感应强度信号之间的变化量，若变化量大于设定的阈值，则发出报警信号；若变化量小于设定的阈值，则继续进行后一监测周期的处理。

4.根据权利要求3所述的钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋屈服状态监测方法，其特征在于：步骤3）的处理完成后，在进行后一监测周期的处理之前，先按如下方法进行处理：

将当前监测周期内获得的磁感应强度信号与一磁感应强度临界值进行比较，若磁感应强度信号小于磁感应强度临界值，则继续进行后一监测周期的处理；若磁感应强度信号大于磁感应强度临界值，则发出报警信号；

所述磁感应强度临界值为钢筋达到屈服状态临界点时所对应的理论磁感应强度，此理论磁感应强度根据仿真试验结果合理设定。