CN110987247A - 采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法 - Google Patents
采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110987247A CN110987247A CN201910999442.4A CN201910999442A CN110987247A CN 110987247 A CN110987247 A CN 110987247A CN 201910999442 A CN201910999442 A CN 201910999442A CN 110987247 A CN110987247 A CN 110987247A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- piezoelectric film
- concrete
- uniform
- piezoelectric
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 44
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 239000004567 concrete Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 title claims abstract description 21
- 238000010998 test method Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 5
- 238000012669 compression test Methods 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000036541 health Effects 0.000 abstract description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 abstract description 2
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 40
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 239000011376 self-consolidating concrete Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E04—BUILDING
- E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
- E04C3/00—Structural elongated elements designed for load-supporting
- E04C3/30—Columns; Pillars; Struts
- E04C3/34—Columns; Pillars; Struts of concrete other stone-like material, with or without permanent form elements, with or without internal or external reinforcement, e.g. metal coverings
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/02—Details
- G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
- G01N3/066—Special adaptations of indicating or recording means with electrical indicating or recording means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0014—Type of force applied
- G01N2203/0016—Tensile or compressive
- G01N2203/0019—Compressive
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/026—Specifications of the specimen
- G01N2203/0262—Shape of the specimen
- G01N2203/0266—Cylindrical specimens
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
- G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
- G01N2203/0676—Force, weight, load, energy, speed or acceleration
Landscapes
- Architecture (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开一种采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法。本发明将厚度仅为28μm的压电薄膜粘贴在钢管内侧，在离贴面位置2d～30d处开孔引出导线输出压电信号，d为开孔直径，以避免开孔位置的应力集中造成测量位置的约束力测量不准确。利用压电薄膜对动态应力的高度敏感性，通过薄膜上下电极之间电信号的变化来量测钢管与混凝土之间的相互作用力。本发明装置不会破坏钢管与混凝土界面特性，且膜薄易放置，测试装置简单，测量操作易行，量测结果直观，灵敏度准确度高，可实现受力全过程中套箍约束力的实测，实现在施工或服役过程中对套箍约束力实时检测，可对结构的安全健康实现实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及超声波无损检测的技术领域，特别涉及一种采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法。
背景技术
钢管混凝土柱在受压过程中，钢管会对核心混凝土产生套箍约束作用，使混凝土的强度和延性都得到大幅度提高，因此，准确测得钢管对核心混凝土的约束作用对掌握钢管混凝土柱的力学性能有着至关重要的作用。但由于钢管对核心混凝土的约束作用的套箍约束力存在于钢管与混凝土间的狭小界面上，普通应力应变的量测装置无法安装，且对于方钢管来说，其对核心混凝土的约束作用还呈不均匀状态，在同一横截面上安装多个量测装置更加无法实现。压电薄膜质轻、膜薄、耐用，且可以无源工作，目前被广泛应用于医用传感器，但在钢管混凝土约束力检测方面尚未见任何报道。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法。
为实现上述目的，本发明提供的采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法，其特征在于：该方法忽略压电薄膜在其平面内所受的应力，将其受力状态简化为只在垂直于压电薄膜上下表面受钢管混凝土约束力的单向应力状态；压电薄膜经过极化处理后，受压时在垂直于极化方向的表面上产生电荷，即薄膜有了压电效应，此时压电薄膜表面输出的电荷量与垂直于表面的压力以及压电薄膜的面积成正比，根据外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的压力，即测得钢管混凝土柱的约束力；包含如下步骤：
(1)在核心混凝土浇筑之前，将厚度为28μm，尺寸为0.6cm×0.9cm，有效面积为0.35cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜粘贴在钢管内侧，在离贴面位置2d～30d处开孔引出导线输出压电信号；其目的是为了避免开孔位置的应力集中造成压电薄膜测得的约束力有误差；
(2)对钢管混凝土柱进行轴心受压试验，采用分级加载；在加载初期，每级加载为预估极限荷载的1/10，当钢管进入屈服阶段后，每级荷载为极限荷载的1/20，每级持荷时间为2～3min；待每级荷载稳定后记录压电薄膜的电信号变化；
(3)计算机分析处理压电薄膜的变化的电信号：根据压电薄膜的压电效应，利用压电薄膜的上下两个电极上聚集的正负电荷量的计算公式(1)：
Q＝A·εσ (1)；
式中，Q为压电薄膜表面输出的电荷量；A为压电薄膜的面积；ε为压电材料介电常数；σ为待测的约束力；通过实时测定外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的上下表面受到的压力，即实时检测出钢管混凝土柱受到的均匀和非均匀约束力；计算机分析处理压电薄膜的变化的电信号，进而测算出套箍约束力。
本发明的工作原理如下：
本发明根据钢管混凝土柱的受力特性，利用压电薄膜对动态应力的高度敏感性，通过薄膜上下电极之间电信号的变化来量测钢管与混凝土之间的相互作用力。
本发明的优点及有益效果如下：
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明装置不会破坏钢管与混凝土界面特性，且膜薄易放置，测试装置简单，测量操作易行，量测结果直观，灵敏度准确度高，可实现受力全过程中套箍约束力的实测，实现在施工或服役过程中对套箍约束力实时检测，可对结构的安全健康实现实时监测。
附图说明
图1为本发明中采用压电薄膜测量圆钢管混凝土柱均匀约束力对应的检测装置的结构示意图；
图2为本发明中采用压电薄膜测量方钢管混凝土柱非均匀约束力对应的检测装置的结构示意图。
图中：1、钢管混凝土柱，2、压电薄膜，3、导线，4、计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明的技术方案及附图说明本发明的具体实施方式。在核心混凝土浇筑前将厚度仅为28μm的压电薄膜2粘贴在钢管内侧，在钢管混凝土柱1受荷载作用时，通过压电薄膜2上下电极之间电信号的变化可直接获得均匀和非均匀约束压力。
具体而言，该方法包括如下步骤：
(1)对某一直径为219mm，长度为657mm的钢管混凝土柱1，内填抗压强度为C40的自密实混凝土，在核心混凝土浇筑之前，将厚度仅为28μm，尺寸为0.6cm×0.9cm，有效面积为0.35cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜2粘贴在钢管内侧，在离贴面位置2d～30d处开孔引出导线3输出压电信号；
(2)对钢管混凝土柱1进行轴心受压试验，采用分级加载。在加载初期，每级加载为预估极限荷载的1/10，当钢管进入屈服阶段后，每级荷载为极限荷载的1/20，每级持荷时间约2～3min。待每级荷载稳定后记录压电薄膜2的电信号变化；
(3)计算机分析处理压电薄膜2的变化的电信号：根据压电薄膜2的压电效应，利用薄膜的上下两个电极上聚集的正负电荷量的计算公式(1)：
Q＝A·εσ，
式中，Q为压电薄膜表面输出的电荷量；A为压电薄膜的面积；ε为压电材料介电常数；σ为待测的约束力。以圆钢管均匀约束力为例，在0.2Nu(Nu为极限荷载)、0.35Nu、0.6Nu、0.8Nu、1.0Nu和极限荷载后卸载到0.85Nu时测得的压电薄膜2表面输出的电荷量范围为：0～8.5×10-6C，在0.35Nu之前压电薄膜2表面输出的电荷量为零，即约束力接近为0，在0.6Nu时约束力增加到3.46MPa，0.8Nu时约束力达到6.83MPa，0.8Nu时约束力达到9.85MPa，该结果与有限元计算结果进行对比，两者之间变化趋势完全吻合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (1)
1.一种采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法，其特征在于：该方法忽略压电薄膜在其平面内所受的应力，将其受力状态简化为只在垂直于压电薄膜上下表面受钢管混凝土约束力的单向应力状态；压电薄膜经过极化处理后，受压时在垂直于极化方向的表面上产生电荷，即薄膜有了压电效应，此时压电薄膜表面输出的电荷量与垂直于表面的压力以及压电薄膜的面积成正比，根据外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的压力，即测得钢管混凝土柱的约束力；包含如下步骤：
(1)在核心混凝土浇筑之前，将厚度为28μm，尺寸为0.6cm×0.9cm，有效面积为0.35cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜粘贴在钢管内侧，在离贴面位置2d～30d处开孔引出导线输出压电信号；其目的是为了避免开孔位置的应力集中造成压电薄膜测得的约束力有误差；
(2)对钢管混凝土柱进行轴心受压试验，采用分级加载；在加载初期，每级加载为预估极限荷载的1/10，当钢管进入屈服阶段后，每级荷载为极限荷载的1/20，每级持荷时间为2～3min；待每级荷载稳定后记录压电薄膜的电信号变化；
(3)计算机分析处理压电薄膜的变化的电信号：根据压电薄膜的压电效应，利用压电薄膜的上下两个电极上聚集的正负电荷量的计算公式(1)：
Q＝A·εσ (1)；
式中，Q为压电薄膜表面输出的电荷量；A为压电薄膜的面积；ε为压电材料介电常数；σ为待测的约束力；通过实时测定外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的上下表面受到的压力，即实时检测出钢管混凝土柱受到的均匀和非均匀约束力；计算机分析处理压电薄膜的变化的电信号，进而测算出套箍约束力。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910999442.4A CN110987247B (zh) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | 采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910999442.4A CN110987247B (zh) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | 采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110987247A true CN110987247A (zh) | 2020-04-10 |
| CN110987247B CN110987247B (zh) | 2021-06-04 |
Family
ID=70082174
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910999442.4A Active CN110987247B (zh) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | 采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110987247B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113551822A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-10-26 | 广西路桥工程集团有限公司 | 一种基于液压的钢管混凝土套箍作用测试装置 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101936852A (zh) * | 2010-07-12 | 2011-01-05 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 一种钢管-frp-混凝土柱轴压承载力确定方法及应用 |
| JP4898374B2 (ja) * | 2006-06-29 | 2012-03-14 | 株式会社竹中工務店 | 鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力評価方法 |
| CN202745405U (zh) * | 2012-08-27 | 2013-02-20 | 郑州大学 | 钢筋混凝土板体外frp筋的预应力施加装置 |
| CN104165907A (zh) * | 2014-08-25 | 2014-11-26 | 上海应用技术学院 | 基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法 |
| CN106093128A (zh) * | 2016-07-28 | 2016-11-09 | 中国地震局地震研究所 | 纤维增强复合材料加固混凝土结构的结合面松动监测系统 |
| CN108426770A (zh) * | 2018-04-10 | 2018-08-21 | 长沙理工大学 | Frp筋混凝土梁及其制备方法和梁裂缝监测装置及方法 |
| CN208187851U (zh) * | 2018-05-07 | 2018-12-04 | 福州大学 | 一种实现钢管约束混凝土试件轴压的装置 |
-
2019
- 2019-10-21 CN CN201910999442.4A patent/CN110987247B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4898374B2 (ja) * | 2006-06-29 | 2012-03-14 | 株式会社竹中工務店 | 鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力評価方法 |
| CN101936852A (zh) * | 2010-07-12 | 2011-01-05 | 哈尔滨工业大学深圳研究生院 | 一种钢管-frp-混凝土柱轴压承载力确定方法及应用 |
| CN202745405U (zh) * | 2012-08-27 | 2013-02-20 | 郑州大学 | 钢筋混凝土板体外frp筋的预应力施加装置 |
| CN104165907A (zh) * | 2014-08-25 | 2014-11-26 | 上海应用技术学院 | 基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法 |
| CN106093128A (zh) * | 2016-07-28 | 2016-11-09 | 中国地震局地震研究所 | 纤维增强复合材料加固混凝土结构的结合面松动监测系统 |
| CN108426770A (zh) * | 2018-04-10 | 2018-08-21 | 长沙理工大学 | Frp筋混凝土梁及其制备方法和梁裂缝监测装置及方法 |
| CN208187851U (zh) * | 2018-05-07 | 2018-12-04 | 福州大学 | 一种实现钢管约束混凝土试件轴压的装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 李杉 等: "钢管混凝土加固钢筋混凝土方形截面偏压短柱受力性能分析", 《建筑结构学报》 * |
| 陶忠 等: "FRP约束钢筋混凝土圆柱力学性能的试验研究 ", 《建筑结构学报》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113551822A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-10-26 | 广西路桥工程集团有限公司 | 一种基于液压的钢管混凝土套箍作用测试装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110987247B (zh) | 2021-06-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103995023B (zh) | 钢管混凝土构件管壁与混凝土界面剥离缺陷检测方法 | |
| CN205561747U (zh) | 钢筋混凝土及金属构件变形测量的电阻应变式位移传感器 | |
| CN106932277A (zh) | 基于圆角平面接触理论的界面超声波反射率‑压强关系曲线建立方法及加载试验台 | |
| WO2015032364A1 (zh) | 一种长标距碳纤维应变传感器件及其测试方法 | |
| CN110987247B (zh) | 采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法 | |
| US10677682B2 (en) | Systems and methods for monitoring plastic deformation of a structured material | |
| WO2013071673A1 (zh) | 一种机械复合管结合强度的评价方法 | |
| CN109084917B (zh) | 一种超声检测结构永存应力的方法 | |
| CN111006798B (zh) | 采用压电薄膜测量frp约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法 | |
| US9176108B2 (en) | Method and device for measuring corrosion metal loss | |
| CN102865279A (zh) | 一种具有拉应力和缺陷自检测功能的螺栓 | |
| CN113790974A (zh) | 一种基于柔性固结压力室的土体水平应力测试方法及系统 | |
| CN109459168A (zh) | 一种电磁平衡式拉压力传感器 | |
| CN103162877B (zh) | 一种检验螺栓载荷的方法 | |
| CN111458281A (zh) | 一种基于压电阻抗技术的混凝土劣化监测传感器及系统 | |
| CN210572081U (zh) | 基于压电陶瓷和阻抗的钢筋混凝土脱粘监测装置 | |
| CN110907076A (zh) | 超声波实时检测圆钢管混凝土柱均匀套箍约束力的方法 | |
| CN108152127B (zh) | 一种混凝土结构的工作应力监测装置和方法 | |
| US11131591B2 (en) | FBG sensor-based bolt fastening joint surface pressure detection method | |
| EP3387412A1 (en) | A method for determining a strength of a bond and/or a material as well as a bond tester apparatus | |
| CN106289598A (zh) | 一种用于混凝土应力测试的电阻应变计 | |
| CN105300586A (zh) | 结构表面风雨荷载的监测系统及方法 | |
| CN109458976A (zh) | 一种测定混凝土内部应变的装置及其测定方法 | |
| US11402287B2 (en) | Mechanical formwork pressure sensor for in-situ measurement of fluid pressure during concrete matertal placement and method of using the same | |
| CN202433131U (zh) | 一种检验螺栓载荷的装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |