CN111006798A - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111006798A CN111006798A CN201911000082.9A CN201911000082A CN111006798A CN 111006798 A CN111006798 A CN 111006798A CN 201911000082 A CN201911000082 A CN 201911000082A CN 111006798 A CN111006798 A CN 111006798A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- frp
- piezoelectric film
- concrete column
- force
- hoop
- 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
- 229920002430 Fibre-reinforced plastic Polymers 0.000 title claims abstract description 75
- 239000011151 fibre-reinforced plastic Substances 0.000 title claims abstract description 75
- 239000004567 concrete Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 238000010998 test method Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 238000012669 compression test Methods 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 3
- 239000011210 fiber-reinforced concrete Substances 0.000 abstract description 3
- 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
- 239000010408 film Substances 0.000 description 37
- 239000011150 reinforced concrete Substances 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Architecture (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
本发明公开一种采用压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法。本发明将厚度仅为28μm的压电薄膜粘贴在FRP约束混凝土柱的核心混凝土侧壁，在离贴面位置2d～10d从FRP纤维丝间隙引出与压电薄膜连接的导线以输出压电信号，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套箍力测量不准确。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FRP与混凝土之间的相互作用力。本发明装置不会破坏FRP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
本发明涉及压电材料技术领域，特别涉及一种采用压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法。
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，而压电薄膜质轻、膜薄、耐用易安装，且可以无源工作，目前被广泛应用于医用传感器，但在FRP约束混凝土的套箍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FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法。
为实现上述目的，本发明提供的采用压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法，其特征在于：该方法利用压电薄膜的压电效应，即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，从而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FRP约束混凝土柱的主动和被动套箍力；包括如下步骤：
(1)在FRP约束核心混凝土之前，将厚度仅为28μm，尺寸为0.6cm×3cm，有效面积为1.2cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜粘贴核心混凝土的侧壁，在离贴面位置2d～10d处从FRP纤维丝间隙引出导线以输出压电信号，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)通过自锁式预应力装置张拉FRP，给FRP施加一已知的预应力，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，即检测出此时FRP约束混凝土柱受到的主动套箍力；
(4)对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FRP约束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，记录压电薄膜的电信号变化；
(5)再次利用公式(1)，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，即实时检测出此时FRP约束混凝土柱受到的被动套箍力；在FRP约束混凝土柱受荷前期，FRP提供的主动套箍力发挥主要作用；后期荷载较大时，被动套箍力发挥主要作用。
本发明的工作原理如下：
本发明通过自锁式预应力装置张拉FRP，给FRP施加一已知的预应力，在FRP约束混凝土柱受荷前期，FRP提供的主动套箍力发挥主要作用，后期荷载较大时，被动套箍力发挥主要作用。本发明根据FRP约束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FRP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FRP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为本发明压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力方法对应的FRP预应力张拉控制示意图；
图2为本发明采用压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力对应的检测装置的结构示意图。
图中：1、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、压电薄膜，6、导线，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。具体步骤如下：
(1)待测结构柱为一直径150mm，长度为500mm的混凝土柱，混凝土抗压强度为C30；在FRP约束混凝土柱1之前，将厚度仅为28μm、尺寸为0.6cm×3cm，有效面积为1.2cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜5粘贴核心混凝土的侧壁，在离贴面位置2d～10d处从FRP纤维丝间隙引出导线6以输出压电信号；
(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施加一大小为5kN的预应力，记录压电薄膜5的电信号变化；
(3)计算机分析处理压电薄膜5的变化的电信号：根据压电薄膜的压电效应，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。通过测定外接电路的电荷量的变化，利用公式(1)，得出压电薄膜5的上下表面受到的压力为4.63kN，即检测出此时FRP约束混凝土柱受到的主动套箍力为4.63kN；该值小于预应力的原因可能是干扰信号带来的误差，可以看出该误差相对较小，可忽略。
(4)对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FRP约束混凝土柱1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，记录压电薄膜5的电信号变化；
(5)再次利用公式(1)，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5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5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2.53MPa，0.8Nu时约束力达到4.38MPa，0.8Nu时约束力达到6.92MPa，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FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法，其特征在于：该方法利用压电薄膜的压电效应，即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，从而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FRP约束混凝土柱的主动和被动套箍力；包括如下步骤：
(1)在FRP约束核心混凝土之前，将厚度仅为28μm，尺寸为0.6cm×3cm，有效面积为1.2cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜粘贴核心混凝土的侧壁，在离贴面位置2d～10d处从FRP纤维丝间隙引出导线以输出压电信号，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)通过自锁式预应力装置张拉FRP，给FRP施加一已知的预应力，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，即检测出此时FRP约束混凝土柱受到的主动套箍力；
(4)对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FRP约束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，记录压电薄膜的电信号变化；
(5)再次利用公式(1)，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，即实时检测出此时FRP约束混凝土柱受到的被动套箍力；在FRP约束混凝土柱受荷前期，FRP提供的主动套箍力发挥主要作用；后期荷载较大时，被动套箍力发挥主要作用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911000082.9A CN111006798B (zh) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911000082.9A CN111006798B (zh) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | 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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111006798A true CN111006798A (zh) | 2020-04-14 |
| CN111006798B CN111006798B (zh) | 2021-06-11 |
Family
ID=70110886
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911000082.9A Active CN111006798B (zh) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | 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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111006798B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112556891A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-03-26 | 中国水利水电科学研究院 | 基于膜式传感器的混凝土全生命期内部受力状态监测装置 |
| CN113624370A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-09 | 东莞市万科建筑技术研究有限公司 | 建筑外墙监测模块及建筑 |
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 CN201911000082.9A patent/CN111006798B/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 (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112556891A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-03-26 | 中国水利水电科学研究院 | 基于膜式传感器的混凝土全生命期内部受力状态监测装置 |
| CN113624370A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-09 | 东莞市万科建筑技术研究有限公司 | 建筑外墙监测模块及建筑 |
| CN113624370B (zh) * | 2021-07-28 | 2023-08-04 | 东莞市万科建筑技术研究有限公司 | 建筑外墙监测模块及建筑 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111006798B (zh) | 2021-06-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| 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 | |
| US7987728B2 (en) | Piezoceramic-based smart aggregate for unified performance monitoring of concrete structures | |
| CN102830029B (zh) | 微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置 | |
| CN103089018B (zh) | 一种精确建立张拉力的预应力钢结构张拉施工方法 | |
| CN102879266B (zh) | 无机结合料稳定材料单轴压缩弹性模量试验方法 | |
| CN103528720B (zh) | 体外预应力钢束应力精确检测装置及方法 | |
| CN111208207A (zh) | 一种螺栓应力检测方法 | |
| CN110987611B (zh) | 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 | |
| CN104198095B (zh) | 一种混凝土梁预应力值和预应力损失监测方法 | |
| CN104931175A (zh) | 一种通过螺栓轴向应变测量螺栓轴向紧固力的方法 | |
| CN105588759A (zh) | 一种间接测定复合材料多钉连接结构破坏历程中钉载分配比例的试验方法 | |
| 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 | |
| JP5865100B2 (ja) | 欠陥検査装置および検査方法 | |
| CN108152127B (zh) | 一种混凝土结构的工作应力监测装置和方法 | |
| CN116359014A (zh) | 一种检测幼龄期混凝土强度的系统及方法 | |
| CN206563625U (zh) | 一种内置式索力传感器 | |
| CN110988117B (zh) | 标定frp加固混凝土柱主动约束力与超声波的试验方法 | |
| Kim et al. | Application of nonlinear ultrasonic method for monitoring of stress state in concrete | |
| CN102966217A (zh) | 振弦式预应力用测力锚具 | |
| CN110441196B (zh) | 一种钢材超低周疲劳预测中测量损伤变量的装置及方法 | |
| Aulakh et al. | Non-bonded piezo sensor configuration for strain modal analysis based shm | |
| CN113176016A (zh) | 钢绞线应力的检测方法、检测装置及其使用方法 | |
| Liu et al. | Test method to assess bonding characteristics of membrane layers in wearing course on orthotropic steel bridge decks | |
| Qin et al. | Corrosion monitoring using embedded piezoelectric sensors | |
| Divsholi et al. | Application of reusable PZT sensors for monitoring initial hydration of concrete |
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 |