CN108151805B - 一种自感知智能灌浆套筒及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种自感知智能灌浆套筒及其使用方法，包括套筒本体，套筒本体内设有两根互成180度的光纤传感器，光纤传感器穿过套筒本体内部，两端露出且均设有光纤传感器接头，每根光纤传感器至少有一个所述光纤传感器接头与传输光纤相连，传输光纤另一端与分布式光纤调制解调仪相连，分布式光纤调制解调仪上设有若干个接孔，传输光纤接入分布式光纤调制解调仪接孔内，分布式光纤调制解调仪通过数据传输线一与数据采集仪相连，数据采集仪还通过数据传输线二与数据分析仪相连。本发明具有安全、测量精确、成本低、适用性广等特点，有很好的推广和实用价值，广泛的推广应用后会产生良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于结构健康监测领域，尤其涉及一种自感知智能灌浆套筒及其使用方法。
背景技术
在土木工程中，混凝土结构体系是应用规模最为广泛的结构体系类型，而装配式混凝土结构体系具有建造速度快、建设成本低、资源消耗少等优点，成为建筑业发展的主要方向。在装配式混凝土结构体系中预制构件的连接是关键技术，其中钢筋的连接通常采用灌浆套筒连接的方式。因此钢筋的灌浆套筒连接成为装配式混凝土结构体系中最为关键的技术和施工步骤，采用灌浆套筒连接的钢筋的连接状态和受力状态成为影响结构安全的核心。然而在实际工程中由于灌浆套筒是埋藏在混凝土内部的隐蔽工程，其灌浆质量和受力状态的监测十分困难，因此有必要研究一种具备自感知能力的智能灌浆套筒以实现灌浆套筒健康状态的监测。
光纤传感技术具有灵敏度高、线性度好、抗电磁干扰能力极强、耐腐蚀性好、传输距离远、良好的长期工作稳定性等优点，近年来已经在航空航天、医疗、结构健康监测等领域中取得成功应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种自感知智能灌浆套筒及其使用方法，要解决现有技术无法对灌浆套筒内灌浆程度和灌浆套筒受力进行监测的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自感知智能灌浆套筒，其特征在于：包括套筒本体，套筒本体内设有两根互成108度的光纤传感器，所述光纤传感器穿过套筒本体内部，两端露出且均设有光纤传感器接头，每根光纤传感器至少有一个所述光纤传感器接头与传输光纤相连，所述传输光纤另一端与分布式光纤调制解调仪相连，所述分布式光纤调制解调仪上设有若干个接孔，传输光纤接入接孔内，所述分布式光纤调制解调仪通过数据传输线一与数据采集仪相连，所述数据采集仪还通过数据传输线二与数据分析仪相连。
进一步优选地，所述套筒本体为管状结构，其内部腔体即为灌浆腔，所述灌浆腔内设有两段待接钢筋，所述套筒本体的两端开口处设有密封圈，所述套筒本体一端侧面设有排浆孔，另一端侧面设有灌浆孔。
进一步地，所述套筒本体的内壁上设有剪力环，若干个所述剪力环沿套筒本体内壁间隔设置，相邻剪力环之间的空间为剪力槽。
进一步地，所述套筒本体内对称设有两根互成180度的光纤传感器，所述光纤传感器外包裹一层纤维增强复合材料。
进一步地，所述剪力环上设有贯穿孔，所述光纤传感器穿过剪力环贯穿整个套筒本体，所述套筒本体内部腔体内中部设有钢筋限位块，所述钢筋限位块一端与套筒本体内壁连接固定。
进一步地，所述穿孔由激光打孔器打孔成型。
此外，每侧所述套筒本体外部端面上均设有两个光纤锚定装置，每对所述光纤锚定装置对应一个光纤传感器，对所述光纤传感器进行预张拉后通过光纤锚定装置锚定在套筒本体外部端面，将光纤传感器与套筒本体固定。
进一步优选地，所述套筒本体由铸铁加工铸造而成。
一种自感知智能灌浆套筒的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、制作套筒本体：制作套筒本体，所述套筒本体上带有剪力环、钢筋限位块、排浆孔和灌浆孔；
步骤二、安装光纤传感器：通过激光打孔器在剪力环打孔形成贯穿孔，将光纤传感器穿过贯穿孔，在套筒本体两端面安装光纤锚定装置，对光纤传感器进行预张拉后通过光纤锚定装置锚定在套筒本体上；
步骤三、安装分布式光纤调制解调仪，将光纤传感器通过传输光纤与分布式光纤调制解调仪相连；
步骤四、安装数据采集仪与数据分析仪：将数据采集仪通过数据传输线一与分布式光纤调制解调仪相连，将数据采集仪通过数据传输线二与数据分析仪相连；
步骤五、对套筒本体进行灌浆：将两段待接钢筋插入套筒本体内，对套筒本体进行灌入灌浆料；
步骤六、数据收集：光纤传感器在灌浆料的硬化过程中，温度和应变均会发生变化；光纤传感器在灌浆套筒的受力过程中，应变也会发生变化；将光纤传感器的变化状态通过传输光纤传入分布式光纤调制解调仪，分布式光纤调制解调仪对变化状态进行光信号与电信号的调制解调，数据采集仪对调制解调的数据进行采集。
步骤七、数据分析：利用数据分析仪对采集后的数据分析，根据光纤传感器的温度和应变变化情况，去判断灌浆套筒内灌浆料饱满程度和灌浆套筒的受力状态，至此，本发明一种自感知智能灌浆套筒的使用完成。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本发明可以实现灌浆套筒从灌浆到服役的全寿命周期监测，在施工阶段根据灌浆料硬化过程中的水化热导致的温度变化实现灌浆程度的监测，在灌浆料硬化过程中通过测量应变变化，进一步确定灌浆料的微膨胀程度，进一步为判断灌浆饱满度提供依据；通过在服役阶段测量灌浆套筒内部的应变变化实现灌浆套筒的应力状态监测，并且测量精度高、线性度好、抗电磁干扰能力极强、耐腐蚀性好、传输距离远、具有良好的长期工作稳定性、结构形式简单、受力明确。
本发明具有安全、测量精确、成本低、适用性广等特点，有很好的推广和实用价值，广泛的推广应用后会产生良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明一种自感知智能灌浆套筒的使用示意图；
图2为本发明涉及的饱满灌浆的灌浆套筒的剖面图；
图3为本发明涉及的部分灌浆的灌浆套筒的剖面图；
图4为本发明涉及的未灌浆的灌浆套筒的剖面图。
附图标记：1-套筒本体；2-密封圈；3-排浆孔；4-灌浆孔；5-剪力环；6-剪力槽；7-光纤传感器；8-灌浆料；9-钢筋限位块；10-灌浆腔；11-光纤锚定装置；12-光纤传感器接头；13-传输光纤；14-分布式光纤调制解调仪；15-接孔；16-数据采集仪；17-数据传输线一；18-数据传输线二；19-数据分析仪；20-待接钢筋。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步说明。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
一种自感知智能灌浆套筒，如图1所示，包括套筒本体1，套筒本体1内设有两根互成180度的光纤传感器7，光纤传感器7穿过套筒本体1内部，两端露出且均设有光纤传感器接头12，每根光纤传感器7至少有一个所述光纤传感器接头12与传输光纤13相连，传输光纤13另一端与分布式光纤调制解调仪14相连，分布式光纤调制解调仪14上设有若干个接孔15，传输光纤13接入接孔15内，分布式光纤调制解调仪14通过数据传输线一17与数据采集仪16相连，数据采集仪16还通过数据传输线二18与数据分析仪19相连，套筒本体1为管状结构，其内部腔体即为灌浆腔10，如图2和3所示，灌浆腔10内设有两段待接钢筋20，套筒本体1的两端开口处设有密封圈2，套筒本体1一端侧面设有排浆孔3，另一端侧面设有灌浆孔4，如图4所示，套筒本体1的内壁上设有剪力环5，若干个剪力环5沿套筒本体1内壁间隔设置，相邻剪力环5之间的空间为剪力槽6，套筒本体1内对称设有两根光纤传感器7，光纤传感器7外包裹一层纤维增强复合材料。剪力环5上设有贯穿孔，贯穿孔孔径为1.5毫米，光纤传感器7穿过剪力环5贯穿整个套筒本体1，套筒本体1内部腔体内中部设有钢筋限位块9，钢筋限位块9一端与套筒本体1内壁连接固定，贯穿孔由激光打孔器打孔成型，每侧所述套筒本体1外部端面上均设有两个光纤锚定装置11，每对光纤锚定装置11对应一个光纤传感器7，光纤传感器7通过光纤锚定装置11锚定在套筒本体1上，套筒本体1由铸铁加工铸造而成。
一种自感知智能灌浆套筒的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、制作套筒本体1：制作套筒本体1，套筒本体1上带有剪力环5、钢筋限位块9、排浆孔3和灌浆孔4；
步骤二、安装光纤传感器7：通过激光打孔器在剪力环5打孔形成贯穿孔，将光纤传感器7穿过贯穿孔，在套筒本体1的端面上安装光纤锚定装置11，通过光纤锚定装置11将光纤传感器7进行预张拉，并锚定在套筒本体1上；
步骤三、安装分布式光纤调制解调仪14，将光纤传感器7通过传输光纤13与分布式光纤调制解调仪14相连；
步骤四、安装数据采集仪16与数据分析仪19：将数据采集仪16通过数据传输线一17与分布式光纤调制解调仪14相连，将数据采集仪16通过数据传输线二18与数据分析仪19相连；
步骤五、对套筒本体1进行灌浆：将两段待接钢筋20插入套筒本体1内，对套筒本体1进行灌入灌浆料8；
步骤六、数据收集：光纤传感器7在灌入灌浆料8的硬化过程中，温度会发生变化；且光纤传感器7在灌浆料8的硬化过程中，应变会发生变化；并且光纤传感器7在灌浆套筒的受力过程中，应变也会发生变化；将光纤传感器7的变化状态通过传输光纤13传入分布式光纤调制解调仪14，分布式光纤调制解调仪14对变化状态进行光信号与电信号的调制解调，数据采集仪16对调制解调的数据进行采集。
步骤七、数据分析：利用数据分析仪19对采集后的数据分析，根据光纤传感器7的温度和应变变化情况，去判断灌浆料8饱满程度和灌浆套筒的受力状态，至此，本发明一种自感知智能灌浆套筒的使用完成。
如图2所示，当向灌浆套筒中灌注灌浆料时，由于灌浆料的硬化过程会放出热量（即水化热），会导致灌浆料的温度发生变化，因此可以利用光纤传感器的拉曼散射去测量灌浆料的温度变化，根据分布式光纤温度测量原理可以通过温度测量灌浆料的灌注位置，实现灌浆套筒内部灌浆水平的监测。
在实际工程中，即如图3所示，当灌浆料未充满整个灌浆套筒时，灌浆料的硬化过程会存在自由面微膨胀，进而导致完成预张拉的光纤传感器的应变发生变化，其应变量较大（大于1000个微应变）；如图2所示，当灌浆料充满整个灌浆套筒时，灌浆料的硬化过程会存在约束微膨胀，进而导致完成张拉的光纤传感器的应变发生变化，但由于灌浆料处于约束微膨胀状态，导致其应变量较小（远小于1000个微应变）。因此可以通过测量完成预张拉的光纤传感器的应变变化量去监测灌浆套筒的灌浆水平。根据灌浆料的竖向膨胀率可知：当光纤传感器的应变很小时（远小于1000个微应变）说明灌浆料处于约束微膨胀状态即灌浆饱满，当光纤传感器的应变较大时（大于1000个微应变）则说明灌浆料处于自由微膨胀状态即灌浆料存在自由表面、灌浆不饱满。当灌浆料硬化完成后，混凝土中的灌浆套筒的应力状态可以通过完成预张拉的光纤传感器去监测灌浆套筒内部的拉压应力状态，由于光纤测量技术的精度很高，可以达到0.5个微应变和0.5摄氏度，所以此系统具有很高的测量精度。综上所述，此发明可以实现灌浆套筒灌浆状态和应力状态的实时监测，可以实现灌浆套筒的从灌浆到服役的全寿命周期监测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种自感知智能灌浆套筒的使用方法，其特征在于：
自感知智能灌浆套筒，包括套筒本体（1），套筒本体（1）内设有两根互成180度的光纤传感器（7），所述光纤传感器（7）穿过套筒本体（1）内部，两端露出且均设有光纤传感器接头（12），每个光纤传感器（7）至少有一个所述光纤传感器接头（12）与传输光纤（13）相连，所述传输光纤（13）另一端与分布式光纤调制解调仪（14）相连，所述分布式光纤调制解调仪（14）上设有若干个接孔（15），传输光纤（13）接入接孔（15）内，所述分布式光纤调制解调仪（14）通过数据传输线一（17）与数据采集仪（16）相连，所述数据采集仪（16）还通过数据传输线二（18）与数据分析仪（19）相连；
所述套筒本体（1）为管状结构，其内部腔体即为灌浆腔（10），所述灌浆腔（10）内设有两段待接钢筋（20），所述套筒本体（1）的两端开口处设有密封圈（2），所述套筒本体（1）一端侧面设有排浆孔（3），另一端侧面设有灌浆孔（4）；
所述套筒本体（1）的内壁上设有剪力环（5），若干个所述剪力环（5）沿套筒本体（1）内壁间隔设置，相邻剪力环（5）之间的空间为剪力槽（6）；
所述套筒本体（1）内对称设有两根互成180度的光纤传感器（7），所述光纤传感器（7）外包裹一层纤维增强复合材料；
所述剪力环（5）上设有贯穿孔，所述光纤传感器（7）穿过剪力环（5）贯穿整个套筒本体（1），所述套筒本体（1）内部腔体内中部设有钢筋限位块（9），所述钢筋限位块（9）一端与套筒本体（1）内壁连接固定；
所述贯穿孔由激光打孔器打孔成型；
左右侧所述套筒本体（1）外部端面上均设有两个光纤锚定装置（11），每对所述光纤锚定装置（11）对应一个光纤传感器（7），对所述光纤传感器（7）进行预张拉后，通过光纤锚定装置（11）进行锚定，进而将光纤传感器（7）与套筒本体（1）固定；
所述套筒本体（1）由铸铁材料铸造加工而成；
自感知智能灌浆套筒的使用方法包括以下步骤：
步骤一、制作套筒本体（1）：制作套筒本体（1），所述套筒本体（1）上带有剪力环（5）、钢筋限位块（9）、排浆孔（3）和灌浆孔（4）；
步骤二、安装光纤传感器（7）：通过激光打孔器在剪力环（5）打孔形成贯穿孔，将光纤传感器（7）穿过贯穿孔，在套筒本体（1）两端设置密封圈（2），在套筒本体（1）上安装光纤锚定装置（11），对光纤传感器（7）进行预张拉，通过光纤锚定装置（11）将光纤传感器（7）锚定在套筒本体（1）上；
步骤三、安装分布式光纤调制解调仪（14），将光纤传感器（7）通过传输光纤（13）与分布式光纤调制解调仪（14）相连；
步骤四、安装数据采集仪（16）与数据分析仪（19）：将数据采集仪（16）通过数据传输线一（17）与分布式光纤调制解调仪（14）相连，将数据采集仪（16）通过数据传输线二（18）与数据分析仪（19）相连；
步骤五、对套筒本体（1）进行灌浆：将两段待接钢筋（20）插入套筒本体（1）内，对套筒本体（1）进行灌入灌浆料（8）；
步骤六、数据收集：光纤传感器（7）在灌浆料（8）的硬化过程中，温度和应变均会发生变化；光纤传感器（7）在灌浆套筒的受力过程中，应变也会发生变化；将光纤传感器（7）的变化状态通过传输光纤（13）传入分布式光纤调制解调仪（14），分布式光纤调制解调仪（14）对变化状态进行光信号与电信号的调制解调，数据采集仪（16）对调制解调的数据进行采集；
步骤七、数据分析：利用数据分析仪（19）对采集后的数据分析，根据光纤传感器（7）的温度和应变变化情况，去判断灌浆料（8）的饱满程度和灌浆套筒的受力状态，
具体判断方法为：
当向灌浆套筒中灌注灌浆料时，由于灌浆料的硬化过程会放出热量，即水热化，会导致灌浆料的温度发生变化，因此可以利用光纤传感器的拉曼散射去测量灌浆料的温度变化，根据分布式光纤温度测量原理可以通过温度测量灌浆料的灌注位置，实现灌浆套筒内部灌浆水平的监测；
当灌浆料未充满整个灌浆套筒时，灌浆料的硬化过程会存在自由面微膨胀，进而导致完成预张拉的光纤传感器的应变发生变化，其应变量较大，大于1000个微应变；当灌浆料充满整个灌浆套筒时，灌浆料的硬化过程会存在约束微膨胀，进而导致完成张拉的光纤传感器的应变发生变化，但由于灌浆料处于约束微膨胀状态，导致其应变量较小，小于1000个微应变；因此可以通过测量完成预张拉的光纤传感器的应变变化量去监测灌浆套筒的灌浆水平；
根据灌浆料的竖向膨胀率可知：当光纤传感器的应变远小于1000个微应变说明灌浆料处于约束微膨胀状态即灌浆饱满，当光纤传感器的应变大于1000个微应变则说明灌浆料处于自由微膨胀状态即灌浆料存在自由表面、灌浆不饱满。
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