CN110987611A - 基于超声波的无损测量frp约束混凝土柱主动和被动约束力的方法 - Google Patents

基于超声波的无损测量frp约束混凝土柱主动和被动约束力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱主动和被动约束力的方法。本方法基于超声波应力测试技术，在柱中所需量测截面中心位置预埋超声波发射传感器发射超声波，在同一横截面的FRP外表面布置超声波接收装置接收测试信号，再根据接收到的声波声‑应力敏感性参数与套箍约束力之间的关系，量测出FRP约束混凝土柱受压时的主动和被动约束力。本发明操作简单，测量结果直观，无需损害构件，灵敏度高，可实现FRP约束混凝土柱受力全过程中主动约束力和被动约束力的实时量测，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

基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱主动和被动约束力 的方法
技术领域
本发明涉及超声波无损检测的技术领域，特别涉及一种基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱主动和被动约束力的方法。
背景技术
纤维增强复合材料(FRP)约束混凝土柱是一种在普通混凝土柱外侧包裹FRP所形成的新型组合柱，由于内部混凝土在外部FRP的约束作用下处于三向受力状态，从而使FRP约束混凝土柱具有很高的承载能力和较好轴向延性，同时外部的FRP可保护内部的混凝土使FRP约束混凝土柱具有较好的耐久性，因此FRP约束混凝土柱开始逐渐应用于工程修复加固及新建结构中。FRP约束混凝土可分为被动约束和主动约束，被动约束是由被约束混凝土的膨胀引起的，主动约束是在稍大于被约束柱的FRP壳内注入膨胀砂浆或压力灌注环氧树脂实现的。
在FRP约束混凝土的结构设计中，需要计算FRP约束所带来的混凝土强度的提高。虽然关于钢管约束混凝土的性能已有大量的研究，但是近来的研究表明，针对钢管约束混凝土的轴压强度模型不能直接用于FRP约束混凝土，其计算结果对于FRP约束混凝土来说是偏于不安全的。因此需要专门针对FRP约束混凝土进行相关研究，其中FRP约束混凝土的套箍约束力的确定对深入研究FRP约束混凝土的轴压强度模型十分重要。但由于FRP与混凝土之间的约束力存在于FRP与混凝土的界面上，普通应力应变的量测装置无法安装，而采用超声波的方式可以避免在界面接触位置布置量测元件，具有良好的应用前景。但目前尚未见将超声波检测技术用于直接量测FRP约束混凝土柱主动和被动约束力的相关报道。
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基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱主动和被动约束力的方法。
为实现上述目的，本发明提供的基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱主动和被动约束力的方法，其特征在于：该方法以混凝土柱结构本身作为敏感元件，利用超声波发射传感器向所述混凝土柱结构发射超声波，超声波接收装置接收透过所述混凝土柱结构的声波测试信号，根据接收到的超声波声-应力敏感性参数与套箍约束力之间的关系，精确检测出所述混凝土柱结构受压时FRP约束对核心混凝土的主动和被动约束力；包含如下步骤：
(1)预埋超声波发射传感器，在核心混凝土浇筑前将超声波发射传感器埋置于混凝土柱中所需量测截面的中心位置；
(2)通过自锁式预应力装置张拉FRP，给FRP施加一已知的预应力，荷载稳定后进行超声测试；
(3)超声测试，将超声波接收装置通过超声耦合剂与待测FRP约束混凝土柱中截面对应的FRP外表面良好接触；测试时超声波发射传感器向待测FRP约束混凝土柱发射超声波，超声波接收装置接收透射穿过待测FRP约束混凝土柱的超声波，同时记录该透射的超声波对应的波束曲线；
(4)对待测FRP约束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，当混凝土柱进入屈服阶段后，每级荷载为极限荷载的1/20，每级持荷时间为2～3min，待压力机表盘指针稳定后再次进行超声测试；
(5)计算机分析处理超声波接收装置接收到的超声波测试信号，利用小波分析对所接收的声波信号进行处理，利用公式(1)计算加权频域谱面积参数：
Figure BDA0002240824070000031
式中：Sj为第2j尺度下的小波分量的频域谱面积的变化幅度值；进而根据分析处理后的超声波声-应力敏感参数与应力的相关性测算出套箍约束力。
作为优选方案，所述步骤(1)中超声波发射传感器预埋在所述混凝土柱核心结构中所需量测截面的中心位置，所述超声波接收装置置于所述混凝土柱核心结构同一横截面的FRP外表面。
进一步地，所述步骤(3)中超声测试为利用超声波应力测试技术，进行超声测试时将所述超声波接收装置通过超声耦合剂与FRP外表面良好接触；可直接检测出FRP约束混凝土柱的被动约束力和主动约束力。
本发明的工作原理如下：
FRP约束可分为被动约束和主动约束，被动约束是由被约束混凝土的膨胀引起的，主动约束是在稍大于被约束柱的FRP壳内注入膨胀砂浆或压力灌注环氧树脂实现的。FRP约束混凝土柱受压时，FRP对受压混凝土施加侧向约束，使其处于三向受压的应力状态，提高混凝土的强度、密实性和延性，并延缓其纵向微裂缝的产生和发展。超声波透射过混凝土在微裂缝界面发生反射、折射和散射后导致能量衰减，根据各声波参数的变化能灵敏地反映受压混凝土柱内部不同的应力状态。FRP约束混凝土柱轴心受压时，FRP对核心混凝土的套箍约束力沿柱横截面均匀分布，因此利用一对超声波发射器和接收器即可检测出套箍约束力。该方法基于超声波应力测试技术，采用超声波穿透法，以FRP约束圆混凝土柱本身作为敏感元件，利用超声波发射传感器向FRP约束圆混凝土柱发射超声波，超声波接收装置接收透过FRP约束圆混凝土柱的声波测试信号，根据接收到的超声波声-应力敏感性参数与套箍约束力之间的关系，精确检测出FRP约束圆混凝土柱轴心受压时FRP对核心混凝土的套箍约束力。
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：本发明的检测FRP约束混凝土柱套箍约束力的方法基于超声波应力测试技术构建声-应力敏感参数与FRP约束对核心混凝土的套箍约束力之间的关系，可以在不破坏试件的条件下，只需测试透射过FRP约束混凝土柱的声波参数，即可直接检测出FRP对核心混凝土的主动和被动约束力，该方法操作简单，测量结果直观，测试装置简单，无需损坏被量测构件，灵敏度高，可实现对FRP约束混凝土柱受力全过程中被动约束力或主动约束力的实测，为深入进行FRP约束混凝土柱的理论方面的研究提供可靠的实验基础，实现在FRP约束混凝土柱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为本发明基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱的主动和被动约束力方法对应的FRP预应力张拉控制示意图；
图2为本发明基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱的主动和被动约束力方法对应的检测结构横截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱的主动和被动约束力方法对应的检测装置的结构示意图。
图中：1、待测FRP约束混凝土柱，2、自锁式预应力张拉装置锚头，3、自锁式预应力张拉装置螺母，4、自锁式预应力张拉装置螺杆，5、超声波发射传感器，6、超声波接收装置，7、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。
如图所示，本发明实施例提供的基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱的主动和被动约束力方法对应的检测装置。该检测装置包括待测FRP约束混凝土柱1、超声波发射传感器5、信号放大装置、超声波接收装置6和计算机7。其中，该超声波发射传感器5在核心混凝土浇筑前埋置于柱中所需量测截面的中心位置，该超声波接收装置6紧贴于待测FRP约束混凝土柱1中截面FRP外表面，优选地，该超声波发射传感器5与该超声波接收装置6为同步工作状态；进一步，该超声波接收装置6还连接有信号放大装置和一计算机7，信号放大装置用于放大信号，计算机7用于对该超声波接收装置6接收到的超声波测试信号进行分析处理，进而根据分析处理后的超声波声-应力敏感参数与应力的相关性测算出套箍约束力。
具体而言，该方法包括如下步骤：
(1)预埋超声波发射传感器5，在核心混凝土浇筑前将超声波发射传感器5埋置于柱中所需量测截面的中心位置；
(2)通过自锁式预应力装置(包括自锁式预应力张拉装置锚头2、自锁式预应力张拉装置螺母3、自锁式预应力张拉装置螺杆4)张拉FRP，给FRP施加一已知的预应力，荷载稳定后进行超声测试；
(3)超声测试，将超声波接收装置6通过超声耦合剂与柱中截面FRP外表面良好接触。测试时超声波发射传感器5向待测FRP约束混凝土柱1发射超声波，超声波接收装置6接收透射穿过FRP约束混凝土柱1的超声波，同时记录该透射的超声波对应的波束曲线。
(4)对待测FRP约束混凝土柱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，当混凝土柱进入屈服阶段后，每级荷载为极限荷载的1/20，每级持荷时间约2～3min，待压力机表盘指针稳定后再次进行超声测试；
(5)利用小波分析对所接收的声波信号进行处理，利用公式(1)计算加权频域谱面积参数:
Figure BDA0002240824070000061
式中：Sj为第2j尺度下的小波分量的频域谱面积的变化幅度值。对某一直径为150mm的混凝土柱，采用弹性模量为245GPa的碳纤维布进行加固。从施加预应力到加载结束，测得的谱面积参数范围为1.127～1.442范围内。根据FRP约束混凝土柱谱面积参数与套箍约束力的相关关系标定结果推算可知，主动约束力在0～0.8MPa，被动约束力在0～8.4MPa。该结果与相关理论分析结果比较大致吻合。
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 (3)

1.一种基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱主动和被动约束力的方法，其特征在于：该方法以混凝土柱结构本身作为敏感元件，利用超声波发射传感器向所述混凝土柱结构发射超声波，超声波接收装置接收透过所述混凝土柱结构的声波测试信号，根据接收到的超声波声-应力敏感性参数与套箍约束力之间的关系，精确检测出所述混凝土柱结构受压时FRP约束对核心混凝土的主动和被动约束力；包含如下步骤：
(1)预埋超声波发射传感器，在核心混凝土浇筑前将超声波发射传感器埋置于混凝土柱中所需量测截面的中心位置；
(2)通过自锁式预应力装置张拉FRP，给FRP施加一已知的预应力，荷载稳定后进行超声测试；
(3)超声测试，将超声波接收装置通过超声耦合剂与待测FRP约束混凝土柱中截面FRP外表面良好接触；测试时超声波发射传感向待测FRP约束混凝土柱发射超声波，超声波接收装置接收透射穿过待测FRP约束混凝土柱的超声波，同时记录该透射的超声波对应的波束曲线；
(4)对待测FRP约束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，当混凝土柱进入屈服阶段后，每级荷载为极限荷载的1/20，每级持荷时间为2～3min，待压力机表盘指针稳定后再次进行超声测试；
(5)计算机分析处理超声波接收装置接收到的超声波测试信号，利用小波分析对所接受的声波信号进行处理，利用公式(1)计算加权频域谱面积参数：
Figure FDA0002240824060000021
式中：Sj为第2j尺度下的小波分量的频域谱面积的变化幅度值；进而根据分析处理后的超声波声-应力敏感参数与应力的相关性测算出套箍约束力。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱主动和被动约束力的方法，其特征在于：所述步骤(1)中超声波发射传感器预埋在所述混凝土柱核心结构中所需量测截面的中心位置，所述超声波接收装置置于所述混凝土柱核心结构同一横截面的FRP外表面。
3.根据权利要求1或2所述的基于超声波的无损测量FRP约束混凝土柱主动和被动约束力的方法，其特征在于：所述步骤(3)中超声测试为利用超声波应力测试技术，进行超声测试时将所述超声波接收装置通过超声耦合剂与FRP外表面良好接触；可直接检测出FRP约束混凝土柱的被动约束力和主动约束力。
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