CN107436264B - 一种基于非线性振动技术的混凝土损伤程度的测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性振动技术的混凝土损伤性能的测定方法，通过直接测定的方式更为直接有效地对混凝土损伤状况进行定量描述。测定装置由钢球、加速度计、海绵垫、动态应变采集装置以及计算机组成。该测定方法的主要特点是：钢球自由落体撞击混凝土试件中部从而导致混凝土试件振动；粘贴在试件中部的加速度计记录振动过程中混凝土试件加速度的变化情况；动态应变采集装置采集加速度传感器中的加速度信号；通过快速傅里叶变换计算与振幅相关的响应频率；分析不同损伤程度情况下混凝土的非线性损伤参数；最终计算得到混凝土的损伤程度状况。

Description

一种基于非线性振动技术的混凝土损伤程度的测定方法
技术领域
本发明涉及混凝土结构与材料领域，是基于非线性振动响应的一种新的混凝土损伤程度的研究方法。
背景技术
混凝土作为一种高实用性的建筑材料，其运用十分广泛。在实际生活中，地震、冻融循环等自然灾害以及火灾、疲劳荷载等认为因素都会使得混凝土内部的初始缺陷以及微裂纹不断扩展，进而对混凝土造成不可恢复的损伤，最终导致混凝土力学性能的大大降低。
因此，国内外许多学者提出了关于混凝土损伤程度的评测方法。根据评测目的可以将这些方法分为两大类：完全检测技术(超声波速法、超声波脉冲回波法)、表面检测技术(施密特回弹仪、温莎探针、面波频谱分析)以及固定点位检测技术 (扫描电镜、热重量分析)。但是，这些方法对试验设备要求较高，同时操作形式较为复杂。目前，有必要设计一种设备简单、操作便捷的混凝土损伤测量装置以及计算方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题是在非线性振动响应的基础上提供一种新的混凝土损伤程度的研究方法，在较为简单的试验装置和操作技术下对混凝土损伤状况进行了测定。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种基于非线性振动技术的混凝土损伤程度的简易测定方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤1：测定装置由不锈钢球、加速度计、海绵垫、动态应变采集装置以及计算机组成，取不锈钢球作为动力源，采用下方镂空的海绵垫作为支承系统以及阻尼系统，将加速度计固定在混凝土试件中部，将混凝土试件安置在海绵垫上，加速度计安置于海绵垫镂空处，加速度计通过导线与动态应变采集装置相连接，动态应变采集装置与计算机相连；动力源采用直径15mm的不锈钢球、支承方式采用下方镂空的海绵垫、加速度计采用东华DH151加速度计、动态应变采集装置采用东华DH5960超动态数据采集仪、最终数据通过计算机进行处理，取不锈钢球作为动力源，可以通过改变不锈钢球下落高度使撞击力发生变化，从而使振动加速度振幅发生变化。采用下方镂空的海绵垫作为支承系统以及阻尼系统，确保加速度可以在短时间内缓慢有序减小至0。
步骤2：对同一批无损伤的混凝土试件造成不同程度的预损伤，分别进行标记；对同一批无损伤的混凝土试件进行疲劳加载，造成不同程度的预损伤，采用 AB胶将加速度计固定在混凝土试件中部，将混凝土试件安置在海绵垫上，加速度计安置于海绵垫镂空处，使得加速度计可以随着试件自由振动，加速度计通过导线与动态应变采集装置相连接，动态应变采集装置与计算机相连；
步骤3：将不锈钢球抬高至一定高度，使其自由落体撞击混凝土试件，撞击点为混凝土试件中部从而导致混凝土试件振动，粘贴在混凝土试件中部的加速度计记录振动过程中混凝土试件加速度的变化情况，动态应变采集装置采集加速度计中的加速度信号得到加速度-时间曲线，通过快速傅里叶变换(FFT)将上述曲线转换成振幅-频率曲线，计算与振幅相关的响应频率，保存至计算机中；
步骤4：改变不锈钢球的下落高度，继续撞击混凝土试件中部，并通过快速傅里叶变换将加速度-时间曲线转化为振幅-频率曲线，重复步骤3；
步骤5：根据不同下落高度得到的振幅-频率曲线，记录不同的峰值加速度大小a1，a2，a3等以及对应的频率大小f1，f2，f3等，采用线性拟合的方式对不同加速度大小以及对应的频率大小进行拟合，记录频率的截距为线性振动的频率f0；
步骤6：改变不同预损伤的混凝土试件，重复步骤3至步骤5，分析不同损伤程度情况下混凝土的非线性损伤参数，通过计算得到混凝土的损伤程度状况。满足非线性振动技术即不同冲击速度下振动频率会随着加速度峰值大小的变化而变化，本发明采用了线性拟合的方式对线性振动频率进行拟合计算，采用了非线性参数对混凝土损伤进行了定量描述。
由于应变幅与冲击时振动的振幅大小直接相关，因此应变幅大小与峰值加速度大小呈线性关系，在此过程中，随着振动能增加，混凝土振动频率越高，由此体现了该振动技术的非线性，因此，峰值加速度与相对振动频率差的关系式可以记为：
其中，f0为线性振动频率，f为试验测得的与峰值加速度相关的频率，α指与应变幅相关的非线性参数，Δε指应变幅，β指与峰值加速度相关的非线性参数， a指峰值加速度。
记录不同损伤情况下的非线性参数分别为β1，β2，β3，β4(假设试件1无损伤，试件2，试件3损伤逐渐增大)，若β1＞β2＞β3＞β4，则记录损伤若β4＞β3＞β2＞β1，则记录损伤即当混凝土无损时，其损伤D＝0；当混凝土完全损坏时，其损伤D＝1。
进一步的，采用不同长度的直径为37mm的PVC管控制小球的下落点为混凝土试件中部。不同冲击速度下振动频率会随着加速度峰值大小的变化而变化。
进一步的，预损伤为力学损伤、冻融损伤以及高温损伤中的一种或多种损伤。
本发明所达到的有益效果：本发明公开了一种基于非线性振动技术的混凝土损伤性能的测定方法，通过直接测定的方式更为直接有效地对混凝土损伤状况进行定量描述。测定装置由不锈钢球、加速度计、海绵垫、动态应变采集装置以及计算机组成。该测定方法的主要特点是：不锈钢球自由落体撞击混凝土试件中部从而导致混凝土试件振动；粘贴在试件中部的加速度计记录振动过程中混凝土试件加速度的变化情况；动态应变采集装置采集加速度计中的加速度信号；通过快速傅里叶变换(FFT)计算与振幅相关的响应频率；分析不同损伤程度情况下混凝土的非线性损伤参数；最终计算得到混凝土的损伤程度状况。
附图说明
图1混凝土损伤测定装置示意图；
图2为相同试件在不同冲击力下振幅-频率示意图；
图3为600℃损伤混凝土非线性谐振频率与峰值加速度之间的关系曲线图；
图4为不同温度下谐振频率差值与加速度的曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
下面结合实例对本发明作更进一步的说明。
如图1和图2所示是一种基于非线性振动技术的混凝土损伤程度的测定方式，它的步骤如下：
(1)对同一批无损伤的混凝土试件3进行高温辐射，造成不同程度的预损伤，分别记为损伤0(无损)，1(损伤)，2(损伤)，3(损伤)。
(2)取出在常温和不同高温下的混凝土试件进行损伤测试，采用AB胶将加速度计4固定在混凝土试件3中部，将混凝土试件3安置在海绵垫5上，加速度计 4安置于海绵垫5镂空处。加速度计4通过导线与动态应变采集装置6相连接，动态应变采集装置6与计算机7相连。
(3)动态应变采集装置6的采样频率设置为50kHz，每种温度下采用两个试样进行测量，对每个试样3测量时改变8次小球下落高度使得每次下落的冲击能大小产生变化。
(4)将直径15mm、质量13.8g，不锈钢球1抬高至一定高度，采用PVC管2 控制其下落位置，使其自由落体撞击混凝土试件3，撞击点为加速度计4反向混凝土试件3中部，数据由动态应变采集装置6采集，保存至计算机7中。
(5)改变不锈钢球1的下落高度，重复上述试验。
(6)改变不同预损伤的混凝土试件，重复步骤(3)和步骤(4)，每个温度下可以得到16个数据点，对这个数据点进行线性回归，如图3所示为600℃损伤混凝土非线性谐振频率与峰值加速度之间的关系曲线图。
回归直线与y轴的交点即为不同温度下的线性谐振频率，试验所得结果如下表所示。
不同温度损伤后混凝土的线性谐振频率
采用下式进行计算，可以得到不同温度损伤情况下的非线性参数βh。
如图4所示作出不同温度下谐振频率差值(f0-f)与加速度的曲线，则回归直线的斜率即为βh。
本次试验研究中损伤大小由D进行表示，计算采用的公式形式如下：
试验所得的非线性参数以及计算得到的损伤值记于下表之中。
不同温度情况下的非线性参数βh(×10-7)及损伤大小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于非线性振动技术的混凝土损伤程度的测定方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤1：测定装置由不锈钢球、加速度计、海绵垫、动态应变采集装置以及计算机组成，取不锈钢球作为动力源，采用下方镂空的海绵垫作为支承系统以及阻尼系统，将加速度计固定在混凝土试件中部，将混凝土试件安置在海绵垫上，加速度计安置于海绵垫镂空处，加速度计通过导线与动态应变采集装置相连接，动态应变采集装置与计算机相连；
步骤2：对同一批无损伤的混凝土试件造成不同程度的预损伤，分别进行标记；
步骤3：将不锈钢球抬高至一定高度，使其自由落体撞击混凝土试件，撞击点为混凝土试件中部从而导致混凝土试件振动，粘贴在混凝土试件中部的加速度计记录振动过程中混凝土试件加速度的变化情况，动态应变采集装置采集加速度计中的加速度信号，通过快速傅里叶变换计算与振幅相关的响应频率，保存至计算机中；
步骤4：改变不锈钢球的下落高度，继续撞击混凝土试件中部，并通过快速傅里叶变换将加速度-时间曲线转化为振幅-频率曲线，重复步骤3；
步骤5：根据不同下落高度得到的振幅-频率曲线，记录不同的峰值加速度大小以及对应的频率大小，采用线性拟合的方式对不同加速度大小以及对应的频率大小进行拟合，记录频率的截距为线性振动的频率f0；
步骤6：改变不同预损伤的混凝土试件，重复步骤3至步骤5，分析不同损伤程度情况下混凝土的非线性损伤参数，通过计算得到混凝土的损伤程度状况。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性振动技术的混凝土损伤程度的测定方法，其特征在于，步骤3中采用直径37mm的PVC管控制小球的下落点为混凝土试件中部。
3.根据权利要求1所述的一种基于非线性振动技术的混凝土损伤程度的测定方法，其特征在于，不同冲击速度下振动频率会随着加速度峰值大小的变化而变化。
4.根据权利要求1所述的一种基于非线性振动技术的混凝土损伤程度的测定方法，其特征在于，步骤2所述预损伤为力学损伤、冻融损伤以及高温损伤中的一种或多种损伤。
5.根据权利要求1所述的一种基于非线性振动技术的混凝土损伤程度的测定方法，其特征在于，步骤6所述通过计算得到混凝土的损伤程度状况包括以下步骤：
步骤6.1：由于应变幅与冲击时振动的振幅大小直接相关，因此应变幅大小与峰值加速度大小呈线性关系，在此过程中，随着振动能增加，混凝土振动频率越高，由此体现了该振动技术的非线性，因此，峰值加速度与相对振动频率差的关系式记为：
其中，f0为线性振动频率，f为试验测得的与峰值加速度相关的频率，α指与应变幅相关的非线性参数，Δε指应变幅，β指与峰值加速度相关的非线性参数，a指峰值加速度；
步骤6.2：记录不同损伤情况下的非线性参数分别为β1，β2，β3，β4，若β1＞β2＞β3＞β4，则记录损伤若β4＞β3＞β2＞β1，则记录损伤即当混凝土无损时，其损伤D＝0；当混凝土完全损坏时，其损伤D＝1。
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