CN108226230A - 一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法，特点是通过在连接受力钢筋的套筒表面预埋压电陶瓷片，用细软导线将压电陶瓷片与精密阻抗分析仪连接，用精密阻抗分析仪向压电陶瓷片施加电压信号，利用压电陶瓷片与套筒的机电耦合效应，接收压电陶瓷片反馈的电导纳信号；如果缺陷存在即套筒灌浆不密实，与灌浆密实的套筒电导纳信号相比，压电陶瓷片的电导纳信号将发生改变，并采用均方差RMSD作为缺陷指标，对套筒灌浆密实度做出定量判断，优点是集传感器与激发器于一身，工作频率高，受外界干扰小，能够精确地监测套筒灌浆是否密实，对套筒连接的受力性能不产生任何影响，可以实现快速有效的监测。

Description

一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测 方法

技术领域

本发明涉及一种装配式混凝土结构梁柱节点连接缺陷监测方法，尤其是涉及一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法。

背景技术

近年来，我国大力发展装配式混凝土结构，作为装配式混凝土结构梁柱节点连接最主要方式的钢筋套筒灌浆连接。如果灌浆不密实，受力钢筋的锚固长度将减小，从而节点的极限承载力将无法达到设计要求，抗震性能也会大大降低。因此监测装配式混凝土结构梁柱节点连接缺陷即套筒灌浆是否密实是十分必要的。

目前，针对套筒灌浆不密实这一缺陷的监测方法主要有超声波法、人工敲击法、预埋传感器法、X射线工业CT技术等。超声波法主要是根据声速在套筒壁和灌浆料中的传播速度不同而判断是否存在缺陷的方法。这种方法需要在构件两面同一水平位置安装发射器和接收器，在实际工程中安装位置难以确定并且当为边柱的时候难以安装。除此之外，当缺陷过大，此法只能定性的分析缺陷情况，不能定量分析缺陷情况。人工敲击法是在套筒进浆口浆料表面粘贴传感器，利用击振器在出浆口敲击，传感器接收振动反射信号，对比灌浆密实和不密实套筒的信号，给出定性判断。敲击法虽然能监测套筒是否灌浆密实，但是在实际工程中，如果灌浆不密实，无法在出浆口敲击浆料表面，而且敲击过程中经常会触碰到套筒金属表面，对结果造成误判。除此之外，敲击法的结果完全凭借监测人员的经验，主观臆断性强。预埋传感器法是灌浆前在套筒出浆口预埋传感器，传感器在特定激励信号下产生振动，该振动受到摩擦和介质阻尼使振幅随时间逐渐衰减，当传感器周围介质由空气变为灌浆料时，阻尼系数增大，相应振幅衰减，预埋传感器法能有效监测灌浆料的密实度，但是仪器和传感器较贵，监测费用高，而且结果也会受到监测人员经验的影响。X射线工业CT技术是以X射线从多个方向沿着被测对象某一选定断层层面进行照射，测定透过的X 射线量，经过计算机的数据分析处理，重建图像的一种技术。此法具备强大的无损监测能力，能够有效显示套筒内部灌浆料密实情况。但是，该方法受监测对象尺寸的影响，当监测对象尺寸过大时，X射线无法透过，监测效果不佳，而且所用的X射线工业CT机价格昂贵，只适用实验室单个构件套筒灌浆料密实度的快速监测，尚无法应用到实际工程。针对钢筋套筒灌浆不密实这一缺陷，目前虽然存在一些监测方法，但是各自都存在一定的局限性。因此，亟待提出一种精确有效、经济实惠的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法。

压电阻抗法是20世纪90年代提出的一种结构健康监测的方法，其基本原理是利用压电陶瓷片与本体结构的机电耦合特性来反映结构的机械阻抗的。压电阻抗法最初由Liang等人提出，自1995年在航空航天领域成功应用以来，该方法在结构健康监测上显示出巨大潜力。随后在机械和土木领域得到广泛应用，比如组合桁架、不锈钢齿轮、焊接节点、铝板和螺栓连接梁。在国内，也有人发明了基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法，基于压电阻抗测量的钢管混凝土管壁界面剥离监测方法和基于压电阻抗效应的桥梁拉索锈蚀监测方法等专利。但是，国内外还没有公开关于基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法的相关研究报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现快速有效的定量监测，并且操作简便，检测结果精确的基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法，包括以下步骤：

（1）监测部位确定：根据施工图纸确定监测部位，采用梅花桩布置测点；

（2）压电陶瓷片的预埋：装配式混凝土梁柱构件在工厂预制时，首先在监测部位连接受力钢筋的套筒中部表面粘贴压电陶瓷片，然后将粘贴好压电陶瓷片的套筒浇筑于混凝土梁柱构件中；

（3）电导纳信号采集：将预埋好压电陶瓷片的预制构件装载到施工现场吊装完毕后，将压电陶瓷片通过信号传输电缆与精密阻抗分析仪连接，然后精密阻抗分析仪向压电陶瓷片施加3KHz~500KHz不同高频电激励，同时精密阻抗分析仪接收压电陶瓷片反馈的电导纳信号；分别采集每个压电陶瓷片灌浆前空套筒的电导纳信号和灌浆后套筒的电导纳信号；

（4）电导纳信号的处理：电导纳信号处理包括系统误差消除，系统误差消除采用以下公式计算：，

式中：为无缺陷即灌浆密实空套筒的电导纳信号；为缺陷存在即灌浆不密实空套筒的电导纳信号；为缺陷存在即灌浆不密实套筒灌完浆后的电导纳信号；

为缺陷存在即灌浆不密实套筒灌完浆修正后的电导纳信号；

（5）监测套筒灌浆密实度的定性判断

将灌浆后监测套筒修正后的电导纳信号与灌浆密实套筒的电导纳信号进行比较，以高频电激励的频率作为横坐标，电导纳实部即电导值作为纵坐标分别绘制信号曲线，对比两条信号曲线，如果两条曲线基本一致，则认为不存在缺陷即灌浆密实，如果两条曲线存在差异，则认为存在缺陷即灌浆不密实；

（6）灌浆不密实套筒灌的定量判断

若监测套筒存在缺陷即灌浆不密实度，则进一步计算灌浆后监测套筒修正后的电导纳信号的均方差指标RMSD，并根据均方差指标RMSD对缺陷进行定量判断，其中均方差指标RMSD的计算公式为：

式中：yi为无缺陷即灌浆密实套筒灌完浆后的电导信号；yj为缺陷存在即灌浆不密实监测套筒灌完浆修正后的电导信号，i=1、2….、n，j=1、2….、n，n为电导信号采集点数目；均方差指标RMSD表示缺陷套筒的电导纳信号与无缺陷套筒的电导纳信号相比的差异程度，均方差指标越小，表明两条曲线差异性越小，即缺陷越小，反之缺陷越大。

所述的压电陶瓷片为边长16mm、厚度0.3-0.5mm的方片或直径16mm，厚度0.3-0.5mm的圆片。

所述的压电陶瓷片在制作时将其下表面的银电极翻转延续到上表面来，并用划槽处理与上表面电极隔开，使得两根导线可以在压电陶瓷片的同一个面上焊接，压电陶瓷片的下表面直接粘贴到待监测套筒中部表面上。

所述的套筒中部表面粘贴位置事先用打磨机进行打磨，并用无水酒精进行清洗；所述的压电陶瓷片粘贴到套筒中部表面后，采用AB胶涂覆于压电陶瓷片上表面。

所述的高频电激励的频率范围为5KHz~85KHz。当频率选择过低时，测量结果受外界噪音或震动的影响大，当频率选择过高时，测量结果受压电陶瓷片自身特性或粘结层的影响大。

上述方法基本原理是利用压电陶瓷片与灌浆套筒的机电耦合效应来反映灌浆套筒的密实度的。当套筒灌浆不密实时，与灌浆密实的套筒相比，其质量、刚度和阻尼都将发生变化，也就是说，结构的机械阻抗将发生变化。由于压电陶瓷片的参数不变，当给予套筒表面粘贴的压电陶瓷片施加交流电场时，压电陶瓷片与灌浆套筒产生相互耦合的机械振动。这种机械振动通过正压电效应在压电陶瓷片内产生电响应，表现为压电陶瓷片电导纳的变化。通过与灌浆密实的套筒的电导纳信号比较，可以确定套筒内部灌浆是否密实。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明首次公开了一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法，通过在连接受力钢筋的套筒表面预埋压电陶瓷片，用细软导线将压电陶瓷片与精密阻抗分析仪连接，用精密阻抗分析仪向压电陶瓷片施加电压信号，利用压电陶瓷片与套筒的机电耦合效应，接收压电陶瓷片反馈的电导纳信号。如果缺陷存在即套筒灌浆不密实，与灌浆密实的套筒电导纳信号相比，压电陶瓷片的电导纳信号将发生改变，并采用均方差RMSD作为缺陷指标，对套筒灌浆密实度做出定性和定量判断。与现有方法相比，本发明集传感器与激发器于一身，工作频率高，受外界干扰小，能够精确地监测套筒灌浆是否密实，对套筒连接的受力性能不产生任何影响，可以实现快速有效的监测，并且操作简便，经济实惠。

附图说明

图1为本发明基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法原理示意图；

图2为本发明装配式混凝土预制梁柱节点示意图；

图3为本发明所用方形压电陶瓷片示意图；

图4为本发明所用圆形形压电陶瓷片示意图；

图5为本发明均方根RMSD示意图；

其中：1、套筒； 2、压电陶瓷片；3、精密阻抗分析仪；4、混凝土梁柱构件；41、上预制柱；42、下预制柱；43、预制梁。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

具体实施例

一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒1灌浆料密实度缺陷监测方法。如图1所示，其基本原理是在无缺陷即灌浆密实套筒1和有缺陷即灌浆不密实套筒1表面中部预埋压电陶瓷片2，利用压电陶瓷片2与监测对象的机电耦合效应，测量压电陶瓷片2的电导纳信号，如果存在缺陷即灌浆不密实，与无缺陷即灌浆密实套筒1相比，压电陶瓷片2的电导纳信号将发生改变，进而可以定性乃至定量的对缺陷做出判断。监测方法包括以下步骤：

（1）监测部位确定：根据施工图纸确定监测部位，采用梅花桩布置测点；

（2）压电陶瓷片2的预埋：装配式混凝土梁柱构件4（如图2所示包括上预制柱41、下预制柱42和预制梁43）在工厂预制时，首先在监测部位连接受力钢筋的套筒1中部表面粘贴压电陶瓷片2，然后将粘贴好压电陶瓷片2的套筒1浇筑于混凝土梁柱构件4中；其中压电陶瓷片2为边长16mm，厚度0.3-0.5mm的方片（如图3所示）或直径为16mm，厚度为0.3-0.5mm的圆片（如图4所示）；套筒1中部表面粘贴位置事先用打磨机进行打磨，并用无水酒精进行清洗；压电陶瓷片2在制作时将其下表面的银电极翻转延续到上表面来，并用划槽处理与上表面电极隔开，使得两根导线可以在压电陶瓷片2的同一个面上焊接（如图4所示），压电陶瓷片2的下表面用502胶粘直接粘贴到待监测套筒1中部表面上，然后采用AB胶涂覆于压电陶瓷片2上表面作为防护层；

（3）电导纳信号采集：将预埋好压电陶瓷片2的预制的混凝土梁柱构件4装载到施工现场吊装完毕后，将压电陶瓷片2通过信号传输电缆与精密阻抗分析仪4连接，然后精密阻抗分析仪4向压电陶瓷片2施加3KHz~500KHz不同高频电激励，同时精密阻抗分析仪4接收压电陶瓷片2反馈的电导纳信号；分别采集每个压电陶瓷片2灌浆前空套筒1的电导纳信号和灌浆后套筒1的电导纳信号；其中高频电激励的频率范围优选为5KHz~85KHz。当频率选择过低时，测量结果受外界噪音或震动的影响大，当频率选择过高时，测量结果受压电陶瓷片2自身特性或粘结层的影响大；

（4）电导纳信号的处理：电导纳信号处理包括系统误差消除，系统误差消除采用以下公式计算： ，

式中：为无缺陷即灌浆密实空套筒的电导纳信号；为缺陷存在即灌浆不密实空套筒的电导纳信号；为缺陷存在即灌浆不密实套筒灌完浆后的电导纳信号；

为缺陷存在即灌浆不密实套筒灌完浆修正后的电导纳信号；

（5）监测套筒1灌浆密实度的定性判断

将灌浆后监测套筒1修正后的电导纳信号与灌浆密实套筒1的电导纳信号进行比较，以高频电激励的频率作为横坐标，电导纳实部即电导值作为纵坐标分别绘制信号曲线，对比两条信号曲线，如果两条曲线基本一致，则认为不存在缺陷即灌浆密实，如果两条曲线存在差异，则认为存在缺陷即灌浆不密实；

（6）灌浆不密实套筒1灌的定量判断

若监测套筒1存在缺陷即灌浆不密实度，则进一步计算灌浆后监测套筒1修正后的电导纳信号的均方差指标RMSD，并根据均方差指标RMSD对缺陷进行定量判断，其中均方差指标RMSD的计算公式为：

式中：yi为无缺陷即灌浆密实套筒1灌完浆后的电导信号（即电导纳信号的实部）；yj为缺陷存在即灌浆不密实监测套筒1灌完浆修正后的电导信号（即电导纳信号的实部），i=1、2….、n，j=1、2….、n，n为电导信号采集点数目；（图5表示以100%满灌为标准，20%、40%、60%和80%灌浆下电导信号的RMSD值），均方差指标RMSD表示缺陷套筒1的电导纳信号与无缺陷套筒1的电导纳信号相比的差异程度，均方差指标越小，表明两条曲线差异性越小，即缺陷越小，反之缺陷越大。根据实际工程及试验研究，当ρ_RMSDR ＜a（a由试验确定，例如规定套筒灌浆密实度达到90%则认为套筒连接质量是合格的，那么以满灌为标准的话，90%灌浆密实度所对应的均方根指标ρ_RMSDR即为a值），则认为缺陷可以忽略，节点连接质量是安全可靠的。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）监测部位确定：根据施工图纸确定监测部位，采用梅花桩布置测点；

（2）压电陶瓷片的预埋：装配式混凝土梁柱构件在工厂预制时，首先在监测部位连接受力钢筋的套筒中部表面粘贴压电陶瓷片，然后将粘贴好压电陶瓷片的套筒浇筑于混凝土梁柱构件中；

（3）电导纳信号采集：将预埋好压电陶瓷片的预制构件装载到施工现场吊装完毕后，将压电陶瓷片通过信号传输电缆与精密阻抗分析仪连接，然后精密阻抗分析仪向压电陶瓷片施加3KHz~500KHz不同高频电激励，同时精密阻抗分析仪接收压电陶瓷片反馈的电导纳信号；分别采集每个压电陶瓷片灌浆前空套筒的电导纳信号和灌浆后套筒的电导纳信号；

（4）电导纳信号的处理：电导纳信号处理包括系统误差消除，系统误差消除采用以下公式计算：，

式中：为无缺陷即灌浆密实空套筒的电导纳信号；为缺陷存在即灌浆不密实空套筒的电导纳信号；为缺陷存在即灌浆不密实套筒灌完浆后的电导纳信号；

为缺陷存在即灌浆不密实套筒灌完浆修正后的电导纳信号；

（5）监测套筒灌浆密实度的定性判断

将灌浆后监测套筒修正后的电导纳信号与灌浆密实套筒的电导纳信号进行比较，以高频电激励的频率作为横坐标，电导纳实部即电导值作为纵坐标分别绘制信号曲线，对比两条信号曲线，如果两条曲线基本一致，则认为不存在缺陷即灌浆密实，如果两条曲线存在差异，则认为存在缺陷即灌浆不密实；

（6）灌浆不密实套筒灌的定量判断

若监测套筒存在缺陷即灌浆不密实度，则进一步计算灌浆后监测套筒修正后的电导纳信号的均方差指标RMSD，并根据均方差指标RMSD对缺陷进行定量判断，其中均方差指标RMSD的计算公式为：

式中：yi为无缺陷即灌浆密实套筒灌完浆后的电导信号；yj为缺陷存在即灌浆不密实监测套筒灌完浆修正后的电导信号，i=1、2….、n，j=1、2….、n，n为电导信号采集点数目；均方差指标RMSD表示缺陷套筒的电导纳信号与无缺陷套筒的电导纳信号相比的差异程度，均方差指标越小，表明两条曲线差异性越小，即缺陷越小，反之缺陷越大。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法，其特征在于：所述的压电陶瓷片为边长16mm、厚度0.3-0.5mm的方片或直径16mm，厚度0.3-0.5mm的圆片。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法，其特征在于：所述的压电陶瓷片在制作时将其下表面的银电极翻转延续到上表面来，并用划槽处理与上表面电极隔开，使得两根导线可以在压电陶瓷片的同一个面上焊接，压电陶瓷片的下表面直接粘贴到待监测套筒中部表面上。

4.根据权利要求1所述的一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法，其特征在于：所述的套筒中部表面粘贴位置事先用打磨机进行打磨，并用无水酒精进行清洗；所述的压电陶瓷片粘贴到套筒中部表面后，采用AB胶涂覆于压电陶瓷片上表面。

5.根据权利要求1所述的一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法，其特征在于：所述的高频电激励的频率范围为5KHz~85KHz。