CN110333007B - 一种非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法及监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢筋应力监测技术领域，具体涉及一种非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法及监测装置，所述监测方法包括：预先建立桥梁内部钢筋应力状态与桥梁表面漏磁场偏离率依赖关系的应力状态监测模型；分别采集桥梁表面有外加荷载时和无外加荷载时的漏磁场强度，并计算生成漏磁场偏离率，根据桥梁表面的漏磁场偏离率结合应力状态监测模型判断桥梁内部钢筋的应力状态。所述监测装置包括：磁传感器阵列、串口服务器和监测器，磁传感器阵列与串口服务器数据传输连接，串口服务器与监测器数据传输连接。本发明的桥梁内部钢筋应力监测方法能够适用于长期性监测，不需破坏桥梁的结构，且能够提升钢筋应力监测效果。
Description
技术领域
本发明涉及钢筋应力监测技术领域，具体涉及一种非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法及监测装置。
背景技术
众多桥梁结构中，钢筋混凝土结构以其良好的耐久性、耐火性、整体性和可模性，且节约钢材等优点成为现代大型桥梁工程的主要结构形式。钢筋混凝土桥梁典型病害中，桥梁的疲劳应力破坏、钢筋锈蚀以及由此引起的应力集中损伤是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素。但是在服役过程中，该结构的病害会因为随时间和环境的推移变得愈发严重，最终对结构的安全与耐久性产生巨大的威胁。因此，通过恰当的监测技术来评定结构的服役状况，预测桥梁的健康状况和损伤程度是非常有必要的。
为此，公开号为CN104729870B的中国专利公开了一种混凝土桥梁结构现存预应力检测的方法，其步骤如下：(1)测试断面选择；⑵确定开槽参数；⑶确定检测时间；⑷传感器准备与检查；⑸传感器布置：测量片布设、补偿片布设；⑹开槽试验与数据采集：①开槽位置定位与间距，②有效开槽长度；③调整切割机具控制参数；④切割混凝土；⑺数据采集与稳定要求：⑻数据分析：当切割深度为34mm时，测试断面现存预应力按如下公式计算：⑼测区部位修复。该方案具有测试数据真实性高，试验过程可操作性强的优点。
上述方案中采用应力释放法检测混凝土桥梁结构现存预应力，而应力释放法是利用机械加工对结构所测区域进行切割或钻孔，使所测区域的应力得到释放，测量应力释放前后所测区域的应变量，再经计算得到该处的残余应力。其对于混凝土桥梁结构，采用盲孔法、环孔法和开槽法；对于钢筋结构，采用贴片法和削面法。可见，应力释放法是一种局部破损监测方法，会破坏混凝土桥梁结构的局部结构，且只能针对固定点进行采样监测，不适用于经常性监测。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种适用于长期性监测，不破坏桥梁表面结构，且能够提升钢筋应力监测效果的桥梁内部钢筋应力状态监测的监测方法及监测装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法，包括：
预先建立桥梁内部钢筋应力状态与桥梁表面漏磁场偏离率依赖关系的应力状态监测模型；
分别采集桥梁表面有外加荷载时和无外加荷载时的漏磁场强度，并计算生成漏磁场偏离率，根据桥梁表面的漏磁场偏离率结合应力状态监测模型判断桥梁内部钢筋的应力状态。
本方案中，仅需采集桥梁表面的漏磁场强度在结合预先建立的应力状态监测模型即可完成应力的监测，而漏磁场强度的采集可通过相关传感器直接完成，即与现有的应力释放法相比，本发明不需要破坏桥梁的任何结构便能完成应力的监测过程。此外，通过漏磁场强度和应力状态监测模型的检测方式数据采集、计算方便，有利于长期监测。最后，通过漏磁场偏离率结合应力状态监测模型的方式能够有效的量化桥梁内部的钢筋的应力状态，使得桥梁内部钢筋应力的监测效果得到提升。因此，本发明的桥梁内部钢筋应力监测方法适用于长期性监测，不需破坏桥梁的结构，且能够提升钢筋应力监测效果。
一种基于上述监测方法的非接触式桥梁内部钢筋应力监测装置，包括磁传感器阵列、串口服务器和监测器，磁传感器阵列与串口服务器数据传输连接，串口服务器与监测器数据传输连接；
磁传感器阵列包括若干设置于桥梁表面的磁传感器，磁传感器均用于采集桥梁表面测点处的漏磁场信号；串口服务器用于接收磁传感器阵列中各个磁传感器采集的漏磁场信号，将漏磁场信号集中处理后发送到监测器；监测器用于接收串口服务器发送的数据，并采用上述非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态。
本方案中，通过磁传感器阵列中的磁传感器能够准确且及时的采集到桥梁表面的漏磁强度信号，通过串口服务器和监测器对漏磁采集的漏磁强度信号进行进一步的计算，能够有效的量化桥梁内部的钢筋的应力状态，避免了破坏桥梁的任何结构便能完成应力的监测过程。此外，通过量化桥梁内部的钢筋的应力状态还能够提升对桥梁内部钢筋应力的监测效果。
优选的，所述磁传感器阵列的磁传感器根据桥梁应力待测位置处内部钢筋的布置形式布置于桥梁表面正对桥梁内部钢筋的位置处。
这样，磁传感器根据待测钢筋的布置形式布置，且磁传感器正对待测钢筋，有利于提升漏磁场强度采集的准确性，使得对钢筋的应力状态的判断更准确。
一种基于上述非接触式桥梁内部钢筋应力监测装置的监测方法，包括：
S1：在无外加荷载时，采集桥梁表面测点处的漏磁场强度的平均值作为漏磁场基准值B0；
S2：在有外加荷载时，采集任一时刻桥梁表面测点处的漏磁场强度作为漏磁场检测值Bt；
S3：根据漏磁场基准值B0和漏磁场检测值Bt计算生成桥梁表面测点处的漏磁场偏离率Dr，并根据漏磁场偏离率Dr判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态。
这样，首先，采集有/无外加荷载时的桥梁表面的漏磁场强度，然后根据漏磁场强度计算漏磁场偏离率Dr，最后根据漏磁场偏离率Dr判断桥梁内部钢筋的应力状态。本发明中，仅需采集桥梁表面的漏磁场强度即可完成应力的监测，而漏磁场强度的采集可通过相关传感器直接完成，即与现有的应力释放法相比，本发明不需要破坏桥梁的任何结构便能完成应力的监测过程。此外，本方案中，通过漏磁场强度数据的采集和计算能够有效的量化桥梁内部的钢筋的应力状态，不仅具有应力状态判断准确且直观的效果，还能够适用于桥梁内部钢筋的经常性监测。因此，本发明的桥梁内部钢筋应力监测方法不需破坏桥梁的结构，且能够适用于经常性的桥梁内部的钢筋应力监测。
优选的，步骤S3中，计算生成漏磁场偏离率Dr的公式为：
式中，Dr为漏磁场偏离率，Bt为漏磁场检测值，B0为漏磁场基准值。
这样，上述公式中，通过漏磁场检测值和漏磁场基准值能够计算得到的漏磁场偏离率，为任意时刻漏磁场强度的偏离百分比，通过漏磁场强度的偏离百分比有利于准备判断桥梁内部钢筋的应力状态。
优选的，步骤S3中，判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态时，包括：
S301：计算漏磁场偏离率Dr的分量Drx、Dry和Drz；
S302：分别将Drx、Dry和Drz的绝对值与预设的屈服阈值和破坏阈值作比较；
S303：根据Drx、Dry和Drz的绝对值与预设的屈服阈值和破坏阈值的比较结果，判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态。
这样，由于磁感应强度是一个矢量，其具有X、Y和Z三个分量，因此，任意时刻测点的漏磁场偏离率Dr对应也都有三个值，即Drx、Dry和Drz，通过三个分量作为判断桥梁内部钢筋的应力状态的基准，有利于得到更准确的应力状态数据。
优选的，步骤S303中，若Drx、Dry和Drz的绝对值均小于屈服阈值，或任意两个分量的绝对值小于屈服阈值且另一个分量的绝对值小于等于破坏阈值，则桥梁测点处的内部钢筋的应力状态为弹性状态；若Drx、Dry和Drz中至少两个分量的绝对值大于等于屈服阈值且小于等于破坏阈值，则桥梁测点处的内部钢筋的应力状态为屈服状态；若Drx、Dry和Drz中至少两个分量的绝对值两个大于破坏阈值，则桥梁测点处的内部钢筋的应力状态为破坏状态。
这样，Drx、Dry和Drz的绝对值均小于屈服阈值，或任意两个分量的绝对值小于屈服阈值且另一个分量的绝对值小于等于破坏阈值，表明桥梁该测点(采集磁强度的点)附近钢筋处在良好的弹性工作状态，其承载力满足桥梁设计要求，结构安全性良好；Drx、Dry和Drz中至少两个分量的绝对值大于等于屈服阈值且小于等于破坏阈值，表明桥梁该测点(采集磁强度的点)处钢筋应力接近屈服强度，濒临破坏，应对该测点处重点关注或利用其它检测方法对其进一步确定；Drx、Dry和Drz中至少分量的绝对值两个大于破坏阈值，表明桥梁该测点(采集磁强度的点)钢筋已处于塑性变形期，桥梁承载力无法满足设计要求，应对桥梁停运检修。
优选的，所述屈服阈值为2％；所述破坏阈值为5％。
这样，通过2％和5％作为屈服和破坏的阈值，有利于准确地判断桥梁内部钢筋的应力状态。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例一中的非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法的逻辑框图；
图2为实施例二中的非接触式桥梁内部钢筋应力监测装置的逻辑框图；
图3为实施例二中的非接触式桥梁内部钢筋应力监测装置的监测方法的逻辑框图；
图4为实施例二中的判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态的逻辑框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
漏磁场与应力状态变化存在一定的关系，很多论文及文献都能够证实这一点，例如《基于金属磁记忆技术的钢筋应力无损检测试验》中提出：通过钢筋漏磁场的磁感应强度曲线，能够定性判断钢筋内部应力大小，即磁感应强度曲线与背景线重合，钢筋处于强化阶段，曲线发生畸变，钢筋处于颈缩阶段；当提离高度超过6cm时，漏磁信号依然具有较高的表征准确度。
发明人在研究中发现，漏磁场偏离率与钢筋的应力状态也存在一定的变化关系。
因此，本申请提出了一种非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法，包括：
预先建立桥梁内部钢筋应力状态与桥梁表面漏磁场偏离率依赖关系的应力状态监测模型；
分别采集桥梁表面有外加荷载时和无外加荷载时的漏磁场强度，并计算生成漏磁场偏离率，根据桥梁表面的漏磁场偏离率结合应力状态监测模型判断桥梁内部钢筋的应力状态。
这样，仅需采集桥梁表面的漏磁场强度在结合预先建立的应力状态监测模型即可完成应力的监测，而漏磁场强度的采集可通过相关传感器直接完成，即与现有的应力释放法相比，本发明不需要破坏桥梁的任何结构便能完成应力的监测过程。此外，通过漏磁场强度和应力状态监测模型有利于长期监测。因此，本发明的桥梁内部钢筋应力监测方法不需破坏桥梁的结构，且能够适用于长期性的桥梁内部钢筋应力状态监测。
实施例一：
本实施例公开了一种非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法。
如图1所示：非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法，包括
预先建立桥梁内部钢筋应力状态与桥梁表面漏磁场偏离率依赖关系的应力状态监测模型；
分别采集桥梁表面有外加荷载时和无外加荷载时的漏磁场强度，并计算生成漏磁场偏离率，根据桥梁表面的漏磁场偏离率结合应力状态监测模型判断桥梁内部钢筋的应力状态。
实施例二：
本实施例中，公开了基于实施例一中的非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法的应力监测装置。
如图2所示：非接触式桥梁内部钢筋应力监测装置，包括磁传感器阵列、串口服务器和监测器，磁传感器阵列与串口服务器数据传输连接，串口服务器与监测器数据传输连接。
具体的：磁传感器阵列包括若干设置于桥梁表面的磁传感器，磁传感器均用于采集桥梁表面测点处的漏磁场信号；磁传感器阵列的磁传感器根据桥梁应力待测位置处内部钢筋的布置形式布置于桥梁表面正对桥梁内部钢筋的位置处；串口服务器用于接收磁传感器阵列中各个磁传感器采集的漏磁场信号，将漏磁场信号集中处理后发送到监测器；监测器用于接收串口服务器发送的数据，并采用实施例一所述的非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态。
本实施例中，还公开了基于上述非接触式桥梁内部钢筋应力监测装置的监测方法。
如图3所述：基于非接触式桥梁内部钢筋应力监测装置的监测方法，包括：
S1：在无外加荷载时，采集桥梁表面测点处的漏磁场强度的平均值作为漏磁场基准值B0；磁场基准值B0是各个测点处漏磁场强度的算数平均值。
S2：在有外加荷载时，采集任一时刻桥梁表面测点处的漏磁场强度作为漏磁场检测值Bt；漏磁场检测值Bt为任意一测点的漏磁场强。
S3：根据漏磁场基准值B0和漏磁场检测值Bt计算生成桥梁表面测点处的漏磁场偏离率Dr，并根据漏磁场偏离率Dr判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态。
其中，步骤S3中，计算生成漏磁场偏离率的公式为：
式中，Dr为漏磁场偏离率，Bt为漏磁场检测值，B0为漏磁场基准值。
如图4所示：步骤S3中，判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态时，包括：
S301：计算漏磁场偏离率Dr的分量Drx、Dry和Drz；由于磁感应强度为矢量，具有X、Y和Z三个分量，所以任意时刻测点的漏磁场偏离率Dr对应也都有三个值，即Drx、Dry和Drz。
S302：分别将Drx、Dry和Drz的绝对值与预设的屈服阈值和破坏阈值作比较；
S303：根据Drx、Dry和Drz的绝对值与预设的屈服阈值和破坏阈值的比较结果，判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态。本实施例中，屈服阈值为2％，破坏阈值为5％。
具体的：若Drx、Dry和Drz的绝对值均小于2％，或任意两个分量的绝对值小于2％且另一个分量的绝对值小于等于5％，则桥梁测点处的内部钢筋的应力状态为弹性状态，认为桥梁该测点附近钢筋处在良好的弹性工作状态，其承载力满足桥梁设计要求，结构安全性良好；若Drx、Dry和Drz中至少两个分量的绝对值大于等于2％且小于等于5％，则桥梁测点处的内部钢筋的应力状态为屈服状态，则认为该测点处钢筋应力接近屈服强度，濒临破坏，应对该测点处重点关注或利用其它检测方法对其进行确定；若Drx、Dry和Drz中至少分量的绝对值两个大于5％，则桥梁测点处的内部钢筋的应力状态为破坏状态，则认为该位置钢筋已处于塑性变形期，桥梁承载力无法满足设计要求，应对桥梁停运检修。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (3)
1.一种非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法，其特征在于，基于非接触式桥梁内部钢筋应力监测装置实施，所述装置包括磁传感器阵列、串口服务器和监测器，磁传感器阵列与串口服务器数据传输连接，串口服务器与监测器数据传输连接；磁传感器阵列包括若干设置于桥梁表面的磁传感器，磁传感器均用于采集桥梁表面测点处的漏磁场信号；串口服务器用于接收磁传感器阵列中各个磁传感器采集的漏磁场信号，将漏磁场信号集中处理后发送到监测器；监测器用于接收串口服务器发送的数据，并采用如下步骤判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态：
预先建立桥梁内部钢筋应力状态与桥梁表面漏磁场偏离率依赖关系的应力状态监测模型；
分别采集桥梁表面有外加荷载时和无外加荷载时的漏磁场强度，并计算生成漏磁场偏离率，根据桥梁表面的漏磁场偏离率结合应力状态监测模型判断桥梁内部钢筋的应力状态；
具体包括以下步骤：
S1：在无外加荷载时，采集桥梁表面测点处的漏磁场强度的平均值作为漏磁场基准值B0；
S2：在有外加荷载时，采集任一时刻桥梁表面测点处的漏磁场强度作为漏磁场检测值Bt；
S3：根据漏磁场基准值B0和漏磁场检测值Bt计算生成桥梁表面测点处的漏磁场偏离率Dr，并根据漏磁场偏离率Dr判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态；
步骤S3中，计算生成漏磁场偏离率Dr的公式为：
式中，Dr为漏磁场偏离率，Bt为漏磁场检测值，B0为漏磁场基准值；
步骤S3中，判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态时，包括：
S301：计算漏磁场偏离率Dr的分量Drx、Dry和Drz；
S302：分别将Drx、Dry和Drz的绝对值与预设的屈服阈值和破坏阈值作比较；
S303：根据Drx、Dry和Drz的绝对值与预设的屈服阈值和破坏阈值的比较结果，判断桥梁测点处的内部钢筋的应力状态：若Drx、Dry和Drz的绝对值均小于屈服阈值，或任意两个分量的绝对值小于屈服阈值且另一个分量的绝对值小于等于破坏阈值，则桥梁测点处的内部钢筋的应力状态为弹性状态；若Drx、Dry和Drz中至少两个分量的绝对值大于等于屈服阈值且小于等于破坏阈值，则桥梁测点处的内部钢筋的应力状态为屈服状态；若Drx、Dry和Drz中至少两个分量的绝对值大于破坏阈值，则桥梁测点处的内部钢筋的应力状态为破坏状态。
2.如权利要求1所述的非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法，其特征在于：所述磁传感器阵列的磁传感器根据桥梁应力待测位置处内部钢筋的布置形式布置于桥梁表面正对桥梁内部钢筋的位置处。
3.如权利要求1所述的非接触式桥梁内部钢筋应力监测方法，其特征在于：所述屈服阈值为2％，所述破坏阈值为5％。
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