CN109959712B - 钢-混组合结构界面粘结滑移的实时监测系统 - Google Patents

钢-混组合结构界面粘结滑移的实时监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钢‑混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，包括多个超声探头阵列、信号发生器和多通道数据采集系统，多个超声探头呈直线间隔布置方式粘贴在钢‑混组合结构中钢板的外表面上，其中，多个超声探头中的一个为驱动器超声探头，其余为线性阵列的信号采集超声探头，驱动器超声探头位于线性阵列的一端外；信号发生器激发出脉冲电压激励信号并输入给驱动器超声探头，以使驱动器超声探头产生超声应力波；多通道数据采集系统同时采集线性阵列的信号采集超声探头的电压信号并实现损伤识别。该实时监测系统，可广泛应用在大型钢‑混凝土组合结构的界面粘结滑移的实施监测中，检测精度高，响应速度快，设备组成简单，成本低。

Description

钢-混组合结构界面粘结滑移的实时监测系统
技术领域
本发明涉及结构工程技术领域，尤其涉及一种钢-混组合结构界面粘结滑移的实时监测系统。
背景技术
钢-混凝土组合结构结合了钢结构和混凝土结构的优点，充分发挥材料特性，具有良好的力学性能，被广泛地应用于国内外大型桥梁、超高层建筑、地铁结构、港口航道、国防工程和海洋工程中。为保证钢材和混凝土的协同受力、提高钢-混界面的粘结性能，近年来各种新型的界面连接方式(如抗拔不抗剪连接件)和综合抗裂措施相继问世。然而，由于混凝土的收缩徐变、温度变化和构件所承受的复杂荷载作用等诸多原因，钢-混组合结构容易产生界面粘结滑移损伤，严重影响钢-混凝土组合结构构件的极限承载力，威胁着钢-混凝土组合结构的安全与耐久性。因此，钢-混组合结构界面粘结滑移的监测十分重要。
传统的无损监测技术(NDT)，如超声监测法、射线法、光纤法等，已被广泛地应用于实际工程中。然而，目前缺乏针对钢-混组合结构尤其是已竣工的钢-混组合结构界面粘结滑移的高效实时监测方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种钢-混组合结构界面粘结滑移的实时监测系统，
根据本发明实施例的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，包括：
多个超声探头，多个所述超声探头呈直线间隔布置方式粘贴在所述钢-混组合结构中钢板的外表面上，其中，多个所述超声探头中的一个为驱动器超声探头，其余为线性阵列的信号采集超声探头，所述驱动器超声探头位于所述线性阵列的一端外；
信号发生器，所述信号发生器与所述驱动器超声探头导线连接，所述信号发生器激发出脉冲电压激励信号并输入给所述驱动器超声探头，以使所述驱动器超声探头产生超声应力波；
多通道数据采集系统，所述多通道数据采集系统分别与所述线性阵列的所述信号采集超声探头导线连接，以同时采集所述线性阵列的所述信号采集超声探头的电压信号并基于多道面波分析方法实现损伤识别。
根据本发明实施例的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，设备组成简单，监测成本低廉，检测精度高，响应速度快，可实现实时监测，可广泛应用大型钢-混凝土组合结构的界面粘结滑移监测中，将对保证结构的健康与安全发挥重大作用。
根据本发明的一个实施例，所述驱动器超声探头与所述线性阵列之间的间隔距离大于所述线性阵列中的两两相邻的所述信号采集超声探头之间的间隔距离，且需依据待监测构件的特性经过计算得到。
根据本发明的一个实施例，还包括示波器，所述示波器与所述驱动器超声探头相邻的一个所述信号采集超声探头导线连接。
根据本发明的一个实施例，还包括终端工作站，所述终端工作站与所述多通道数据采集系统导线连接，以使所述多通道数据采集系统将采集信号导入所述终端工作站，所述终端工作站对采集信号进行频散特性分析。
根据本发明进一步的实施例，所述终端工作站还用于输出损伤详细信息。
根据本发明再进一步的实施例，所述终端工作站还用于发出报警信息。
根据本发进一步的实施例，所述终端工作站还与所述信号发生器导线连接，以使所述终端工作站控制所述信号发生器间断性地激发出脉冲电压激励信号。
根据本发明再进一步的实施例，所述终端工作站通过设定采样间隔时间来控制所述信号发生器间断性地激发出脉冲电压激励信号。
根据本发明的一个实施例，每一所述超声探头包括高频超声探头传感器、第一BNC接头、屏蔽导线和第二BNC接头，其中，所述第一BNC接头的一端与所述高频超声探头传感器可拆卸连接，所述第一BNC接头的另一端与所述屏蔽导线的一端连接，所述屏蔽导线的另一端与所述第二BNC接头的一端连接。
根据本发明的一个实施例，多个所述超声探头使用胶水粘贴在所述钢-混组合结构中钢板的外表面上。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例所涉及的一种钢-混组合结构及其粘结滑移损伤的示意图。
图2是本发明实施例的监测机理的示意图。
图3是本发明实施例的超声探头布置方案的示意图。
图4是本发明实施例的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统的示意图。
图5是本发明实施例的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统的超声探头结构示意图。
图6是本发明一个优选实施例的工作流程示意图。
附图标记：
实时监测系统1000
钢-混凝土组合结构1 钢板11 混凝土12 骨料121 砂浆122
超声探头2 驱动器超声探头21信号采集超声探头22
第二BNC接头201 屏蔽导线202
第一BNC接头203 高频超声探头传感器204
信号发生器3
示波器4
多通道数据采集系统5
终端工作站(高性能笔记本工作站)6
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，工程中常见的钢-混凝土组合结构1主要由混凝土12和粘结在混凝土12外表面上的钢板11组成，在荷载作用下，钢板11和混凝土12之间极易发生界面粘结滑移损伤(如图1中A处方框所示)，从而降低了钢-混凝土组合结构1的承载力。
如图2所示，在钢-混凝土组合结构1中只有混凝土12和粘结在混凝土12外表面上的钢板11，钢板11与混凝土12之间的界面粘结良好。在出现界面滑移时，钢板11与混凝土12之间的界面将出现一定区域的界面分离。当超声振动的激励点距离损伤位置较远时，界面粘结滑移损伤对纵波和剪切波的影响相对较小，但会对表面波7的影响比较大。在钢-混凝土组合结构1中存在界面粘结滑移时，表面波将分为混凝土12传播的应力波和钢板11中传播的应力波。
如图3所示，混凝土12主要有骨料121、砂浆122及两者之间的界面层组成，混凝土12中的应力波衰减迅速，因此，利用表面波检测钢-混凝土12界面粘结滑移损伤极具技术优势。
本发明基于上述原理提出了一种钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统1000。
下面参考图1至图6来描述根据本发明实施例的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统1000。
如图3和4所示，根据本发明实施例的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统1000，包括多个超声探头2、信号发生器3和多通道数据采集系统5。多个超声探头2呈直线间隔布置方式粘贴在钢-混组合结构1中钢板11的外表面上，其中，多个超声探头2中的一个为驱动器超声探头21，其余为线性阵列的信号采集超声探头22，驱动器超声探头21位于线性阵列的一端外；信号发生器3与驱动器超声探头21导线连接，信号发生器3激发出脉冲电压激励信号并输入给驱动器超声探头21，以使驱动器超声探头21产生超声应力波；多通道数据采集系统5分别与线性阵列的信号采集超声探头22导线连接，以同时采集线性阵列的信号采集超声探头22的电压信号并基于多道面波分析方法(MASW)实现损伤识别。
具体而言，多个超声探头2呈直线间隔布置方式粘贴在钢-混组合结构1中钢板11的外表面上，其中，多个超声探头2中的一个为驱动器超声探头21，其余为线性阵列的信号采集超声探头22，驱动器超声探头21位于线性阵列的一端外。也就是说，多个超声探头2中的一个为驱动器超声探头21，其余的均为信号采集超声探头22，驱动器超声探头21和所有信号采集超声探头22在钢-混组合结构1中钢板11的外表面上呈直线间隔布置，其中，所有信号采集超声探头22呈等间隔线性阵列布置，而驱动器超声探头21布置在线性阵列的一端外且与线性阵列有一定的间隔距离，其中，所有信号采集超声探头22呈等间隔线性阵列布置，有利于界面粘结滑移损伤定位分析可依据信号线性阵列的信号采集超声探头的编号及线性阵列的间距进行计算；而驱动器超声探头21布置在线性阵列的一端外且与线性阵列有一定的间隔距离，可以确保即超声应力波振动的激励点距离待检测界面区域位置保持一定的间隔距离，有利于避免近场效应，提高超声应力波即表面波进行界面粘结滑移损伤的监测精度。因此，可以理解，驱动器超声探头21在脉冲电压激励信号的作用下发生高频振动，激发出超声应力波，以便超声应力波在钢-混凝土组合结构1中传播；利用线性阵列的信号采集超声探头22实时输出电压信号。由于信号采集超声探头22呈等间隔线性阵列方式布置在钢板11的外表面上，且驱动器超声探头21位于线性阵列两端中的一端外，有利于线性阵列的信号采集超声探头22有效地监测到钢-混组合结构的较大面积区域的界面，提高监测效率。超声探头2通过粘贴方式固定在钢板11表面上，可以防止超声探头2在监测过程移位或脱落，保证监测顺利进行，同时，粘贴方式操作简单。
信号发生器3与驱动器超声探头21导线连接，信号发生器3激发出脉冲电压激励信号并输入给驱动器超声探头21，以使驱动器超声探头21发生高频振动而产生超声应力波。可以理解，信号发生器3激发出脉冲电压激励信号，如高频脉冲电压信号，并通过导线传输给驱动器超声探头21，驱动器超声探头21在脉冲电压激励信号的作用下发生高频振动而激发出超声应力波。
多通道数据采集系统5分别与线性阵列的信号采集超声探头22导线连接，以同时采集线性阵列的信号采集超声探头22的电压信号并基于多道面波分析方法(MASW)实现损伤识别。可以理解，由于在钢-混凝土组合结构1中存在界面粘结滑移时，超声应力波将分为混凝土12传播的应力波和钢板11中传播的应力波，其中，混凝土12中的应力波衰减迅速，多通道数据采集系统5通过分析同时采集的线性阵列的信号采集超声探头22的电压信号，并基于多道面波分析方法(MASW)实现损伤识别，如通过分析电压信号的波长、信号幅值、波声时和同轴特性，并结合正演分析识别应力波属性，可以进行钢-混凝土组合结构1界面损伤定位，精准确定钢-混凝土组合结构1的界面是否发生滑移粘结损伤及损伤的具体位置。
根据本发明实施例的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统1000，工作时，信号发生器3激发出脉冲电压激励信号，并将脉冲电压激励信号通过导线输入给驱动器超声探头21，当驱动器超声探头21在脉冲电压激励信号的作用下激发出超声应力波，超声应力波分为在混凝土12传播的应力波和钢板11中传播的应力波，超声应力波在钢-混组合结构1中传播，一部分超声应力波在混凝土12中传播，一部分超声应力波在钢板11中传播，线性阵列的信号采集超声探头22实时输出电压信号，与此同时，多通道数据采集系统5同时采集线性阵列的信号采集超声探头22的电压信号，由于在钢-混凝土组合结构1中存在界面粘结滑移时，超声应力波将分为混凝土12传播的应力波和钢板11中传播的应力波，其中，混凝土12中的应力波衰减迅速，多通道数据采集系统5通过分析同时采集的线性阵列的信号采集超声探头22的电压信号，并基于多道面波分析方法(MASW)实现损伤识别，如通过分析电压信号的波长、信号幅值、波声时和同轴特性，并结合正演分析识别应力波属性，可以进行钢-混凝土组合结构1界面损伤定位，精准确定钢-混凝土组合结构1的界面是否发生滑移粘结损伤及损伤的具体位置。
根据本发明实施例的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统1000，设备组成简单，监测成本低廉，检测精度高，响应速度快，可实现实时监测，可广泛应用大型钢-混凝土组合结构1的界面粘结滑移监测中，将对保证结构的健康与安全发挥重大作用。
根据本发明的一个实施例，驱动器超声探头21与线性阵列之间的间隔距离大于线性阵列中的两两相邻的信号采集超声探头之间的间隔距离。例如，驱动器超声探头21与线性阵列之间的间隔距离可通过理论计算确定。由此，可以确保即超声应力波振动的激励点距离传感器阵列的首个信号采集超声探头22保持合适的距离，有利于避免近场效应，提高超声应力波即表面波进行界面粘结滑移损伤的监测精度。
根据本发明的一个实施例，还包括示波器4，示波器4与驱动器超声探头21相邻的一个信号采集超声探头22导线连接。可以理解，与驱动器超声探头21相邻的信号采集超声探头22获得的电压信号的波形通过导线可以传输给示波器4，示波器4将该电压信号的波形进行实时显示，用于检查设备连接是否正常且评估驱动超声探头2与其相邻的信号采集超声探头22的间隔距离具是否合适，即用于评估驱动器超声探头21与线性阵列的间隔距离，以便调整驱动器超声探头21与线性阵列之间的间隔距离，例如，通过调整驱动器超声探头21的位置，确保良好的监测效果。
根据本发明的一个实施例，还包括终端工作站6，终端工作站6与多通道数据采集系统5导线连接，以使多通道数据采集系统5将采集信号导入终端工作站6，终端工作站6对采集信号进行频散特性分析。当存在粘结滑移损伤时，钢板中的应力波及其频散特性会发生变化，并结合表面波分析方法(MASW)识别应力波属性，可判别是否产生粘结滑移损伤。可以理解，利用终端工作站6，可以进一步依据波形参数的变化结合信号采集超声探头编号作出精准损伤定位。
可选的，终端工作站6可为高性能笔记本工作站6(参考图6所示)或者高性能台式计算机。
根据本发明进一步实施例，终端工作站6还用于输出损伤定位详细信息。由此，可以方便了解钢-混组合结构1界面的损伤情况及位置。
根据本发明再进一步的实施例，终端工作站6还用于发出报警信息。当终端工作站6对采集的信号进行数据分析后，若钢-混组合结构1界面存在粘结滑移损伤，则终端工作站6会发出报警信息，以提示该处有损伤。
根据本发明进一步的实施例，终端工作站6还与信号发生器3导线连接，以使终端工作站6控制信号发生器3间断性地激发出脉冲电压激励信号。由此，利用终端工作站6控制信号发生器3间断性地激发出进行脉冲电压激励信号，以用于实时监测。
如图6所示，根据本发明再进一步的实施例，终端工作站6通过设定采样间隔时间来控制信号发生器3间断性地激发出脉冲电压激励信号。由此，终端工作站6通过设定采样间隔时间，使得控制信号发生器3每间隔一定时间，可以定时激发出电压脉冲激励信号，以使驱动器超声探头21每间隔一定时间激发出超声应力波，有利于监测系统对钢-混组合结构1界面健康或损伤状态的实时监测。
如图5所示，根据本发明的一个实施例，每一超声探头2包括高频超声探头传感器204、第一BNC接头203、屏蔽导线202和第二BNC接头201，其中，第一BNC接头203的一端与高频超声探头传感器204可拆卸连接，第一BNC接头203的另一端与屏蔽导线202的一端连接，屏蔽导线202的另一端与第二BNC接头201的一端连接。可以理解，驱动器超声探头21和线性阵列的信号采集超声探头22的结构是相同的，当任意一个超声探头2出现故障需要更换或者需要调整位置时，只需更换或者调整相应的高频超声探头2传感器即可，操作方便。
根据本发明的一个实施例，多个超声探头2使用胶水粘贴在钢-混组合结构中钢板11的外表面上。由此，超声探头2通过粘贴方式固定在钢板11表面上，可以防止超声探头2在监测过程移位或脱落，保证监测顺利进行，同时，粘贴方式操作简单。
这里需要说明一下，使用胶水将超声探头2粘贴在钢板1过程中，可以同时加入耦合剂，有利于提高钢-混凝土组合结构界面粘结滑移损伤的监测效果。
如图6所示，下面以本发明优选的一个具体示例，来说明一下钢-混凝土组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统1000的监测工作流程，包括如下步骤：
1)将超声探头2中一个作为驱动器超声探头21，其余的作为信号采集超声探头22，其中，将信号采集超声探头22以等间隔线性阵列方式粘贴在钢-混凝土组合结构1的钢板11表面上，将驱动器超声探头21布置在线性阵列的一端外且位于线性阵列所在的直线上，将驱动器超声探头21粘贴在钢板11的表面上；
2)将驱动器超声探头21与信号发生器3相连，其余的超声探头2作为传感器阵列的超声探头22；
3)选取与驱动器超声探头21相邻的信号采集超声探头22与示波器4相连；
4)将线性阵列的信号采集超声探头22均与多通道数据采集系统5相连；
5)将多通道数据采集系统5与高性能笔记本工作站6相连；
6)将高性能笔记本工作站6与信号发生器3相连；
7)将在高性能笔记本工作站6中设定采样时间间隔；
8)信号发生器3每隔一个时间间隔激发出一次脉冲电压激励信号，该脉冲电压激励信号为高频脉冲电压，输入给超驱动器超声探头21，驱动器超声探头21发生高频振动，激发出超声应力波；线性阵列的信号采集超声探头22实时输出电压信号，示波器4将相连的信号采集超声探头22获得的应力波波形放大检查，以检查设备连接是否正常并评估相邻的驱动器超声探头21与线性阵列的间隔距离是否合适；多通道数据采集系统5同时采集线性阵列的信号采集超声探头22的电压信号并进行损伤定位分析，如通过分析电压信号的波长、信号幅值、波声时和同轴特性，并结合正演分析识别应力波属性，可以准确地得出钢-混凝土组合结构1的界面粘结滑移损伤情况；
高性能笔记本工作站6对采集到的电压信号进行频散特性分析，若出现界面粘结滑移损伤则输出损伤详细信息并发出警报，若不存在界面粘结滑移损伤时，按照设定时间间隔进入下一阶段的无损监测。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，其特征在于，包括：
多个超声探头，多个所述超声探头呈直线间隔布置方式粘贴在所述钢-混组合结构中钢板的外表面上，其中，多个所述超声探头中的一个为驱动器超声探头，其余为线性阵列的信号采集超声探头，所述驱动器超声探头位于所述线性阵列的一端外；
信号发生器，所述信号发生器与所述驱动器超声探头导线连接，所述信号发生器激发出脉冲电压激励信号并输入给所述驱动器超声探头，以使所述驱动器超声探头产生超声应力波；
多通道数据采集系统，所述多通道数据采集系统分别与所述线性阵列的所述信号采集超声探头导线连接，以同时采集所述线性阵列的所述信号采集超声探头的电压信号并基于多道面波分析方法实现损伤识别。
2.根据权利要求1所述的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，其特征在于，所述驱动器超声探头与所述线性阵列之间的间隔距离应大于所述线性阵列中的两两相邻的所述信号采集超声探头之间的间隔距离，且需依据待监测构件的特性经过计算得到。
3.根据权利要求1所述的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，其特征在于，还包括示波器，所述示波器与所述驱动器超声探头相邻的一个所述信号采集超声探头导线连接。
4.根据权利要求1所述的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，其特征在于，还包括终端工作站，所述终端工作站与所述多通道数据采集系统导线连接，以使所述多通道数据采集系统将采集信号导入所述终端工作站，所述终端工作站对所述采集信号进行频散特性分析。
5.根据权利要求4所述的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，其特征在于，所述终端工作站还用于输出损伤详细信息。
6.根据权利要求5所述的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，其特征在于，所述终端工作站还用于发出报警信息。
7.根据权利要求4所述的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，其特征在于，所述终端工作站还与所述信号发生器导线连接，以使所述终端工作站控制所述信号发生器间断性地激发出脉冲电压激励信号。
8.根据权利要求7所述的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，其特征在于，所述终端工作站通过设定采样间隔时间来控制所述信号发生器间断性地激发出脉冲电压激励信号。
9.根据权利要求1所述的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，其特征在于，每一所述超声探头包括高频超声探头传感器、第一BNC接头、屏蔽导线和第二BNC接头，其中，所述第一BNC接头的一端与所述高频超声探头传感器可拆卸连接，所述第一BNC接头的另一端与所述屏蔽导线的一端连接，所述屏蔽导线的另一端与所述第二BNC接头的一端连接。
10.根据权利要求1所述的钢-混组合结构界面粘结滑移损伤的实时监测系统，其特征在于，多个所述超声探头使用胶水粘贴在所述钢-混组合结构中钢板的外表面上。
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