CN108896616A - 一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法，特点是包括以下步骤：通过在装配式混凝土构件浆锚搭接区域混凝土表面中部粘贴压电片，用精密阻抗分析仪向压电片施加扫频电压信号，利用压电片与结构的机电耦合效应，接收压电片反馈的电导纳信号，对比标准电导信号曲线，分析测试压电片的电导信号曲线主峰频率指标和均方根RMSD指标，对工程中装配式结构浆锚搭接连接质量做出评价；优点是压电片集传感器与激发器于一身，工作频率高，受外界干扰小，能够精确地检测浆锚搭接区域灌浆密实情况，对浆锚搭接连接的受力性能不产生任何影响，可以实现快速有效的检测，并且操作简便，经济实惠。

Description

一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法

技术领域

本发明涉及一种装配式混凝土结构钢筋连接质量检测方法，尤其是涉及一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法。

背景技术

与传统现浇结构相比，装配式混凝土结构属于绿色环保建筑，具有环境污染小，资源利用率高，劳动力成本低，并且建筑部件质量更易得到保证等一系列优点，因此在我国得到大力推广，形成了装配式剪力墙结构、装配式框架结构和预制拼装桥墩盖梁结构等一系列装配式建筑技术。

浆锚搭接作为装配式混凝土结构钢筋连接的常用方式，其可靠安全地连接是实现“装配等同现浇”原则的保证。但是，由于装配式混凝土结构在我国处于起步阶段，国内的施工技术水平与国外发达国家存在一定差距，并且现场施工人员的素质参差不齐，经常造成灌浆不密实的情况，直接影响工程质量。而对于钢筋浆锚搭接灌浆密实度的检测国家也缺乏相应的检测技术规程，因此如何有效检测装配式结构钢筋浆锚搭接连接质量已成为工程质量检测人员急需解决的一个难题。

中国专利CN 107741381 A公开了一种用于检测浆锚搭接连接节点灌浆密实度的装置和方法。该装置包括辅助接发器、冲击回波仪和计算机。该方法通过在墙体表面粘贴辅助接发器，利用冲击回波仪在辅助接发器上进行检测，得到金属波纹管的灌浆密实度的频率-幅值图谱，最后在计算机上通过频率-幅值图谱的峰值以及出现的次数判断灌浆密实度，该方法辅助接发器与墙体严密贴合不易得到保证，如果辅助接发器没有与墙体严密贴合将会对检测结果造成严重影响。同时，墙体和保护层厚度对检测结果也有影响，太厚或太薄检测效果不理想。除此之外，该方法只能定性的判断灌浆不密实缺陷的存在，对于不密实程度无法做出定量评价。

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装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价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工作频率高，受外界干扰小，能够精确地检测浆锚搭接区域灌浆密实情况，对浆锚搭接连接的受力性能不产生任何影响，可以实现快速有效的检测的装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法，具体包括以下步骤：

（1）选定待检测构件

采用抽样检测方法选定待检测构件，其中同楼层中的装配式剪力墙和装配式梁柱构件采用梅花状选取检测构件；预制拼装桥墩盖梁结构采用间隔法选取检测构件，即每隔一个桥墩盖梁选定为检测对象；

（2）确定粘贴部位

预制装配式构件装载到施工现场吊装并灌浆完毕后，根据施工图纸在确定压电片粘贴部位后，将压电片粘贴在预制装配式构件浆锚搭接区域混凝土中部表面；其中针对装配式剪力墙构件和预制拼装桥墩盖梁构件，如果构件中浆锚搭接的钢筋数为偶数，则从左往右每隔一个搭接区域粘贴一枚压电片，如果为奇数，墙体居中的浆锚搭接处粘贴一枚压电片，然后向两边依次每隔一个搭接区域粘贴一枚压电片；对于装配式梁柱构件，在柱的中心线或梁的中心线上粘贴一枚压电片；

（3）采集电导纳信号

预制装配式构件灌浆完成七天之后，将压电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片施加扫频电压，同时精密阻抗分析仪接收压电片反馈的电导纳信号；将同一工程中粘贴在不同构件但是对应的粘贴位置相同的压电片归纳为一组，采集该组各个压电片的电导纳信号，将该组各个压电片的电导纳实部即电导信号相加除以压电片个数，计算获得该组电导信号平均值，作为浆锚搭接灌浆密实的标准值；电导纳是实部电导和虚部电纳的合称，由于实部电导对浆锚搭接灌浆密实度更敏感，所以本发明只对电导信号进行处理；

（4）电导信号曲线主峰频率指标分析

以精密阻抗分析仪向压电片施加的电信号频率作为横坐标，以电导信号作为纵坐标分别绘制该组各个压电片的电导信号曲线以及该组电导信号平均值的电导信号曲线；将各个电导信号曲线的主峰所在频段进行局部放大，获得每个压电片的电导信号曲线主峰所对应的频率fI和电导信号平均值的电导信号曲线主峰所对应的频率f_均，若 f_I＜f_均，相应的测试压电片电导信号曲线向左偏移，则浆锚搭接灌浆越密实；若 f_I＞f_均，相应的测试压电片电导信号曲线向右偏移，则浆锚搭接灌浆越不密实，其中I=1，2，3……N，N为同组压电片个数；

（5）均方根RMSD指标分析

以同组电导信号平均值作为浆锚搭接灌浆密实的标准值，计算该组各个压电片电导信号采集点的电导信号均方根RMSD，并根据均方根RMSD对浆锚搭接灌浆密实度进行定量判断，其中均方根RMSD的计算公式为：

；

式中：x_i为浆锚搭接灌浆密实的电导信号标准值；y_i为测试压电片电导信号，其中i=1，2，3……n ，n为电导信号采集点数目；均方根RMSD表示测试压电片电导信号与同组电导信号标准值相比的差异程度，均方根越小，表明两条曲线差异性越小，即该压电片粘贴处浆锚搭接灌浆越密实，反之该处浆锚搭接灌浆越不密实；若ρ_i≤ρ_k，则认为灌浆密实；若ρ_i＞ρ_k，则认为灌浆不密实；其中ρ_k定义为将各个压电片电导信号采集点的电导信号均方根ρ_i从小到大排列，排名第95%位的取值；

（6）钢筋浆锚搭接连接质量评价

若ρ_i≤ρ_k且f_I≤f_均，则该压电片粘贴处钢筋浆锚搭接质量评价为良好；若ρ_i≤ρ_k且f_I＞f_均，则该压电片粘贴处钢筋浆锚搭接质量评价为合格；若ρ_i＞ρ_k，则该压电片粘贴处钢筋浆锚搭接质量评价为不合格。

所述的压电片的机电耦合系数不低于0.56，所述的压电片为边长16mm且厚度0.3-0.5mm的方片或直径16mm且厚度0.3-0.5mm的圆片。

所述的压电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片的同一个面上焊接，压电片的下表面直接粘贴到待检测部位。

所述的浆锚搭接区域中部混凝土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。

所述的精密阻抗分析仪测试电压为1V，测试点数n选择800个。

所述的扫频电压为45KHz~85KHz。所述的扫频电压频率不宜过低也不宜过高，频段区间不宜过长，以该区间电导信号曲线出现1个明显波峰为宜。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，测量结果受压电片自身特性或粘结层的影响大。

上述方法其原理是在被检测结构表面粘贴压电片，当给予粘贴在结构表面的压电片施加交流电场时，由于逆压电效应，压电片会发生变形，这种变形导致结构产生振动。结构的振动反作用于压电片本身，通过正压电效应产生电响应。压电片与结构的机电耦合作用可用一维压电阻抗模型公式来表示。在一维压电阻抗模型的基础上推导出压电片的电导纳与主体结构耦合关系表达式为：

；

其中，Y是压电片电导纳，Z是压电片电阻抗，二者互为倒数关系；ω是激励角频率；W_a、L_a和H_a分别为压电片的宽度，长度和厚度；ε₃₃为压电片的介电常数；δ为压电片的节点损失正切值；Z_s为被测结构机械阻抗； Z_a为压电片机械阻抗；d₃₂为压电片的压电常数；E_p为压电片的复场杨氏模量。

被检测结构的机械阻抗Z_s与其质量，刚度，阻尼有关，是影响结构动力学特性的主要因素，无法直接获取。但是，从压电片电导纳的表达式可以看出，电导纳Y只跟压电片自身参数和结构的机械阻抗有关。当粘贴在结构表面的压电片选定后，压电片的几何参数和材料性能就确定不变，压电片电导纳Y与结构机械阻抗Z_s建立起一一对应的关系，随着Z_s的变化而变化。因此，可以借助压电片电导纳的变化间接反映构件钢筋浆锚搭接整体特性的变化，进而判断灌浆密实度情况。具体为，当浆锚搭接灌浆不密实时，与灌浆密实的构件相比，其质量、刚度和阻尼都将发生变化，也就是说，构件机械阻抗Z_s将发生变化，进而与之耦合的压电片电导纳也会发生变化。通过与粘贴在灌浆密实构件上压电片的电导纳信号比较，可以确定钢筋浆锚搭接灌浆是否密实。

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装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法，通过在装配式混凝土构件浆锚搭接区域混凝土表面中部粘贴压电片，用细软导线将压电片与精密阻抗分析仪连接，用精密阻抗分析仪向压电片施加扫频电压信号，利用压电片与结构的机电耦合效应，接收压电片反馈的电导纳信号。对比标准电导信号曲线，分析测试压电片的电导信号曲线主峰频率指标和均方根RMSD指标，对工程中装配式结构浆锚搭接连接质量做出评价。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，能够精确地检测浆锚搭接区域灌浆密实情况，对浆锚搭接连接的受力性能不产生任何影响，可以实现快速有效的检测，并且操作简便，经济实惠。

附图说明

图1为浆锚搭接在装配式剪力墙中的连接示意图；

图2为本发明所用压电片示意图；

图3为本发明连接关系示意图；

图4为本发明在不同灌浆度下压电片的电导信号曲线局部放大示意图；

图5为本发明在不同灌浆度下压电片的均方根RMSD指标示意图；

其中：1、预制上层剪力墙构件；11、上层剪力墙纵筋；12、金属波纹管；13、坐浆层；14、灌浆料；15、下层剪力墙纵筋；2、压电片；3、精密阻抗分析仪；4、计算机。

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。

本实施例中检测对象为预埋波纹管的装配式剪力墙结构，当然对于其他采用浆锚搭接连接方式的装配式结构本发明同样适用，只是压电片具体粘贴位置需要根据浆锚搭接区域做调整。对于装配式剪力墙构件和预制拼装桥墩盖梁构件，如果构件中浆锚搭接的钢筋数为偶数，则从左往右每隔一个搭接区域粘贴一枚压电片，如果为奇数，墙体居中的浆锚搭接处粘贴一枚压电片，然后向两边依次每隔一个搭接区域粘贴一枚压电片，粘贴位置为浆锚搭接区域混凝土中部。对于装配式框架梁柱构件，只在柱的中心线或梁的中心线上粘贴一枚压电片，粘贴位置同样为浆锚搭接区域混凝土中部。

具体实施例

一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法，包括以下步骤：

（1）选定待检测构件

采用梅花状选定同楼层中的预制上层剪力墙构件1；

（2）确定粘贴部位

预制上层剪力墙构件1（如图1所示包括上层剪力墙纵筋11、金属波纹管12、左浆层13、灌浆料14和下层剪力墙纵筋15）装载到施工现场吊装并灌浆完毕后，根据施工图纸确定压电片2粘贴部位，如果预制上层剪力墙构件1中预埋的金属波纹管12为偶数，则从左往右每隔一个金属波纹管12粘贴一枚压电片2，如果预埋的金属波纹管12为奇数，墙体居中的金属波纹管12处粘贴一枚压电片2，然后向两边依次每隔一个金属波纹管12粘贴一枚压电片2。压电片2粘贴在上层剪力墙1混凝土表面，具体粘贴位置为金属波纹管12在上层剪力墙1投影区域中部。上层剪力墙1混凝土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。其中压电片2应选择机电耦合系数较高但尺寸不宜过大的型号。所用的压电片2机电耦合系数不低于0.56，直径为16mm，厚度为0.4mm的圆片。压电片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片2的同一个面上焊接（如图2所示），压电片2的下表面用502胶直接粘贴到金属波纹管12在上层剪力墙1投影区域混凝土表面中部；

（3）采集电导纳信号

现场检测是在灌浆完成七天之后进行，如图3所示，将压电片2通过信号传输电缆与精密阻抗分析仪3连接，然后精密阻抗分析仪3向压电片2施加45KHz~85KHz扫频电压，同时精密阻抗分析仪3接收压电片2反馈的电导纳信号；将粘贴在工程中不同的上层剪力墙1但是对应的粘贴位置相同的压电片2归纳为一组，采集该组各个压电片2的电导纳信号，将该组各个压电片2的电导纳实部即电导信号相加除以压电片2个数，在计算机4上计算获得该组电导信号平均值，作为浆锚搭接灌浆密实的标准值；其中精密阻抗分析仪3电路连接方式选择并联电路，测试电压选择1V，测试点数n选择800个；扫频电压频率不宜过低也不宜过高，频段区间不宜过长，以该区间电导信号曲线出现1个明显波峰为宜；

（4）电导信号曲线主峰频率指标分析

以精密阻抗分析仪3向压电片2施加的电信号频率作为横坐标，以电导信号作为纵坐标分别绘制该组各个压电片2的电导信号曲线以及该组电导信号平均值的电导信号曲线（电导信号曲线是不同频率下电导值构成的一条曲线，是由许多点连接而成）；将各个电导信号曲线的主峰所在频段进行局部放大（如图4所示），获得每个压电片2的电导信号曲线主峰所对应的频率fI和电导信号平均值的电导信号曲线主峰所对应的频率f_均，若 f_I＜f_均，相应的测试压电片电导信号曲线向左偏移，则浆锚搭接灌浆越密实；若 f_I＞f_均，相应的测试压电片电导信号曲线向右偏移，则浆锚搭接灌浆越不密实，其中I=1，2，3……N，N为同组压电片个数；

（5）均方根RMSD指标分析

以同组电导信号平均值作为浆锚搭接灌浆密实的标准值，计算该组各个压电片2电导信号采集点的电导信号均方根RMSD（如图5所示），并根据均方根RMSD对浆锚搭接灌浆密实度进行定量判断，其中均方根RMSD的计算公式为：

；

式中：x_i为浆锚搭接灌浆密实的电导信号标准值；y_i为测试压电片2电导信号，其中i=1，2，3……n ，n为电导信号采集点数目（电导信号采集点是指测试时每一片压电片接收的电信号和反馈的电导信号，因为测试电压是45khz-85khz，测试点数是800个，也就是说每隔50hz精密阻抗分析仪会发射一次电信号，同时压电片会向精密阻抗分析仪反馈一次电导信号，总共就是800次））；均方根RMSD表示测试压电片2电导信号与同组电导信号标准值相比的差异程度，均方根越小，表明两条曲线差异性越小，即该压电片2粘贴处浆锚搭接灌浆越密实，反之该处浆锚搭接灌浆越不密实；若ρ_i≤ρ_k，则认为灌浆密实；若ρ_i＞ρ_k，则认为灌浆不密实；其中ρ_k定义为将各个压电片电导信号采集点的电导信号均方根ρ_i从小到大排列，排名第95%位的取值；

（6）钢筋浆锚搭接连接质量评价

若ρ_i≤ρ_k且f_I≤f_均，则该压电片2粘贴处钢筋浆锚搭接质量评价为良好；若ρ_i≤ρ_k且f_I＞f_均，则该压电片2粘贴处钢筋浆锚搭接质量评价为合格；若ρ_i＞ρ_k，则该压电片2粘贴处钢筋浆锚搭接质量评价为不合格。

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 (6)

1.一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法，其特征在于具体包括以下步骤：

（1）选定待检测构件

采用抽样检测方法选定待检测构件，其中同楼层中的装配式剪力墙和装配式梁柱构件采用梅花状选取检测构件；预制拼装桥墩盖梁结构采用间隔法选取检测构件，即每隔一个桥墩盖梁选定为检测对象；

（2）确定粘贴部位

预制装配式构件装载到施工现场吊装并灌浆完毕后，根据施工图纸在确定压电片粘贴部位后，将压电片粘贴在预制装配式构件浆锚搭接区域混凝土中部表面；其中针对装配式剪力墙构件和预制拼装桥墩盖梁构件，如果构件中浆锚搭接的钢筋数为偶数，则从左往右每隔一个搭接区域粘贴一枚压电片，如果为奇数，墙体居中的浆锚搭接处粘贴一枚压电片，然后向两边依次每隔一个搭接区域粘贴一枚压电片；对于装配式梁柱构件，在柱的中心线或梁的中心线上粘贴一枚压电片；

（3）采集电导纳信号

预制装配式构件灌浆完成七天之后，将压电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片施加扫频电压，同时精密阻抗分析仪接收压电片反馈的电导纳信号；将同一工程中粘贴在不同构件但是对应的粘贴位置相同的压电片归纳为一组，采集该组各个压电片的电导纳信号，将该组各个压电片的电导纳实部即电导信号相加除以压电片个数，计算获得该组电导信号平均值，作为浆锚搭接灌浆密实的标准值；

（4）电导信号曲线主峰频率指标分析

以精密阻抗分析仪向压电片施加的电信号频率作为横坐标，以电导信号作为纵坐标分别绘制该组各个压电片的电导信号曲线以及该组电导信号平均值的电导信号曲线；将各个电导信号曲线的主峰所在频段进行局部放大，获得每个压电片的电导信号曲线主峰所对应的频率fI和电导信号平均值的电导信号曲线主峰所对应的频率f_均，若 f_I＜f_均，相应的测试压电片电导信号曲线向左偏移，则浆锚搭接灌浆越密实；若 f_I＞f_均，相应的测试压电片电导信号曲线向右偏移，则浆锚搭接灌浆越不密实，其中I=1，2，3……N，N为同组压电片个数；

（5）均方根RMSD指标分析

以同组电导信号平均值作为浆锚搭接灌浆密实的标准值，计算该组各个压电片电导信号采集点的电导信号均方根RMSD，并根据均方根RMSD对浆锚搭接灌浆密实度进行定量判断，其中均方根RMSD的计算公式为：

；

式中：x_i为浆锚搭接灌浆密实的电导信号标准值；y_i为测试压电片电导信号，其中i=1，2，3……n，n为电导信号采集点数目；均方根RMSD表示测试压电片电导信号与同组电导信号标准值相比的差异程度，均方根越小，表明两条曲线差异性越小，即该压电片粘贴处浆锚搭接灌浆越密实，反之该处浆锚搭接灌浆越不密实；若ρ_i≤ρ_k，则认为灌浆密实；若ρ_i＞ρ_k，则认为灌浆不密实；其中ρ_k定义为将各个压电片电导信号采集点的电导信号均方根ρ_i从小到大排列，排名第95%位的取值；

（6）钢筋浆锚搭接连接质量评价

若ρ_i≤ρ_k且f_I≤f_均，则该压电片粘贴处钢筋浆锚搭接质量评价为良好；若ρ_i≤ρ_k且f_I＞f_均，则该压电片粘贴处钢筋浆锚搭接质量评价为合格；若ρ_i＞ρ_k，则该压电片粘贴处钢筋浆锚搭接质量评价为不合格。

2.根据权利要求1所述的一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法，其特征在于：所述的压电片的机电耦合系数不低于0.56，所述的压电片为边长16mm且厚度0.3-0.5mm的方片或直径16mm且厚度0.3-0.5mm的圆片。

3.根据权利要求1所述的一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法，其特征在于：所述的压电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片的同一个面上焊接，压电片的下表面直接粘贴到待检测部位。

4.根据权利要求1所述的一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法，其特征在于：所述的浆锚搭接区域中部混凝土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。

5.根据权利要求1所述的一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法，其特征在于：所述的精密阻抗分析仪测试电压为1V，测试点数n选择800个。

6.根据权利要求1所述的一种装配式混凝土结构钢筋浆锚搭接连接质量的评价方法，其特征在于：所述的扫频电压为45KHz~85KHz。