CN111487142A - 一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，包括冲击单元、红外成像仪、冲击信号采集单元、温控单元、温度开裂剪滞建模单元；所述冲击单元固定在混凝土多孔砖墙体上，并连接所述冲击信号采集单元；所述红外成像仪拍摄得到混凝土多孔砖墙体红外图像；温控单元对混凝土多孔砖墙体进行温度控制；所述红外成像仪、所述冲击信号采集单元、所述温控单元均与所述温度开裂剪滞建模单元连接，并向所述温度开裂剪滞建模单元发送检测数据进行数据处理。不仅实现了对混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度检测，同时能够进行温度开裂剪滞建模，操作更方便，且有助于实时预警，满足实际测试的需求。

Description

一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统
技术领域
本发明涉及凝土材料性能测试领域，特别涉及一种混凝土多孔砖墙体的 动态断裂韧度的检测系统。
背景技术
混凝土多孔砖墙体的安全评估以其抗断能力为主。现有的方法测定混凝 土多孔砖墙体的断裂韧度多进行的为静态断裂力学的安全评估，实际中大量 的失效事故多在动载荷下发生，因此混凝土的动态断裂力学的安全评估更加 可靠。但是，在进行混凝土多孔砖墙体的断裂韧性静态评估过程中往往需要 用巨型试件和庞大的实验设备，有时甚至无法实现。本发明将断裂力学相关 理论结合动态检测系统应用于混凝土多孔砖墙体这样的压缩断裂材料中，运 用修正的剪滞理论，建立混凝土多孔砖墙体的剪滞分析模型，确定确定混凝 土多孔砖墙体的等效断裂韧度。
因此，提供一种能够自动完成混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度检测过 程的系统是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧 度的检测系统，不仅实现了对混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度检测，同时 能够进行温度开裂剪滞建模，操作更方便，且有助于实时预警，满足实际测 试的需求。为实现上述目的其具体方案如下：
一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，包括冲击单元、红 外成像仪、冲击信号采集单元、温控单元、温度开裂剪滞建模单元；
所述冲击单元固定在混凝土多孔砖墙体上，并连接所述冲击信号采集单 元；所述红外成像仪拍摄得到混凝土多孔砖墙体红外图像；温控单元对混凝 土多孔砖墙体进行温度控制；所述红外成像仪、所述冲击信号采集单元、所 述温控单元均与所述温度开裂剪滞建模单元连接，并向所述温度开裂剪滞建 模单元发送检测数据进行数据处理。
优选的，所述冲击单元包括固定支座和滑动支座；所述固定支座固定在 混凝土多孔砖墙体上，所述滑动支座安装在所述固定支座上，且与所述混凝 土多孔砖强体相垂直；所述滑动支座上设置有丝杠，以及安装在丝杠上的滑 锤，所述丝杠的一端连接有电机，所述电机控制所述丝杠的转动速度。
优选的，所述冲击信号采集单元包括载荷传感器，用于检测滑锤施加到 混凝土多孔砖强体的动态载荷数据，并将数据发送至所述温度开裂剪滞建模 单元。
优选的，所述温控单元包括主控机、温度控制器、温度传感器；所述主 控机连接所述温度控制器，所述温度控制器对混凝土多孔砖墙体进行升温、 降温、恒温控制，所述温度传感器实时采集混凝土多孔砖墙体的温度值，并 发送至所述温度开裂剪滞建模单元。
优选的，所述红外成像仪设置有N个，且沿混凝土多孔砖墙体裂纹处等 间距排列。
优选的，还包括，远程在线预警系统，所述温度开裂剪滞建模单元与所 述远程在线预警系统有线/无线连接。
优选的，所述温度开裂剪滞建模单元的建模过程如下：
S1、建立墙体温度开裂的剪滞分析模型；
S2、建立剪滞平衡方程；
S3、确定墙体等效断裂韧度；
S4、将墙体等效断裂韧度与冲击力、当前温度值一一对应保存；
S5、根据当前温度值检索预存的相应等效断裂韧度阈值，并进行比较判 断，输出判断结果。
优选的，所述远程在线预警系统的预警过程如下：
S1、当墙体等效断裂韧度低于当前温度值相应的等效断裂韧度阈值时， 对数据进行记录，并保存至数据库；
S2、当墙体等效断裂韧度高于或等于当前温度值相应的等效断裂韧度阈 值时，则向工程管理平台和人员发出报警信息，即通知施工单位采取应急措 施。
本发明公开的一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，无需 借助巨型试件和庞大的实验设备，即能进行混凝土多孔砖墙体断裂韧度方法 准确算，且能够对混凝土多孔砖墙体实施动态冲击加载，利用红外成像仪采 集断后混凝土多孔砖墙体的形貌图像信号，由冲击信号采集单元采集动态冲 击力，以及电机的运转周期，由温控单元完成对断后混凝土多孔砖墙体的温 度控制，由温度开裂剪滞建模单元完成数据处理及断裂韧度分析，结果准确 完整。结果实时通过远程在线预警系统进行存储，并对高危情况进行预警， 更加安全可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统的原理 框图；
图2为本发明基于竖向灰缝扩展的有限子层剪滞模型。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
该实施例提供的一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，包 括冲击单元1、红外成像仪2、冲击信号采集单元3、温控单元4、温度开裂 剪滞建模单元5；冲击单元1固定在混凝土多孔砖墙体上，并连接冲击信号采 集单元3；红外成像仪2拍摄得到混凝土多孔砖墙体红外图像；温控单元4对 混凝土多孔砖墙体进行温度控制；红外成像仪2、冲击信号采集单元3、温控 单元4均与温度开裂剪滞建模单元5连接，并向温度开裂剪滞建模单元5发 送检测数据进行数据处理。
本发明能自动完成对混凝土多孔砖墙体在特定冲击速度和特定的实验温 度下的动态断裂韧度检测工作。记录混凝土多孔砖墙体在特定条件下的冲击 吸收功，以及动态断裂韧度随温度或速度的变化规律，完成全套的动态断裂 力学分析功能。
冲击单元1包括固定支座和滑动支座；固定支座固定在混凝土多孔砖墙 体上，滑动支座安装在固定支座上，且与混凝土多孔砖强体相垂直；滑动支 座上设置有丝杠，以及安装在丝杠上的滑锤，丝杠的一端连接有电机，电机 控制丝杠的转动速度。
冲击信号采集单元3包括载荷传感器，用于检测滑锤施加到混凝土多孔 砖强体的动态载荷数据，并将数据发送至温度开裂剪滞建模单元5。
温控单元4包括主控机、温度控制器、温度传感器；主控机连接温度控 制器，温度控制器对混凝土多孔砖墙体进行升温、降温、恒温控制，温度传 感器实时采集混凝土多孔砖墙体的温度值，并发送至温度开裂剪滞建模单元 5。
红外成像仪2设置有N个，且沿混凝土多孔砖墙体裂纹处等间距排列。
温度开裂剪滞建模单元5的建模过程如下：
S1、建立墙体温度开裂的剪滞分析模型；
S2、建立剪滞平衡方程；
S3、确定墙体等效断裂韧度；
S4、将墙体等效断裂韧度与冲击力、当前温度值一一对应保存；
S5、根据当前温度值检索预存的相应等效断裂韧度阈值，并进行比较判 断，输出判断结果。
具体的，墙体温度开裂的剪滞分析模型：
剪滞理论可以更好的解释复杂的物理现象，通过剪滞理论可以更为简单 的分析墙体材料的断裂性能。下面以混凝土多孔砖墙体为例，利用修正的剪 滞理论来研究墙体等效断裂参数的实用解析方法。
1模型建立：
墙体试件厚度为t，高度为h，含有长度为a0的裂缝。多孔砖弹性模量为 E，线膨胀系数为α，当温度升高ΔT后，温度应力为：σ＝E*α*ΔT，为 了研究其应力重分布问题，建立如图2所示的分层剪滞模型。此模型把高度 为h的墙体试件划分为n个子层，每个子层厚度为d(d＝h/n)。每个子层中无 温度裂缝砖区、无温度裂缝砂浆区、温度裂缝区的子层数分别为q、r和n-q-r 层。为了使得计算更加简便，在无温度裂缝砖区的第一层、无温度裂缝砂浆区和初始温度裂缝区的第n层分别设置变异层，其高度分别为d1、d2、d3。
2剪滞平衡方程的建立：
假定每一子层在垂直于y方向的截面上仅有正应力，上下表面仅有切应 力，据此可知子层的位移ui仅为x的函数。令第i子层的水平位移为ui(x)， 竖向位移为vi(x)。假定墙体的应力-应变关系为线性关系，列出所有子 层微段的剪滞平衡方程，由于：
u″i(x)＝(1/μ2)v″i(x)，
据此，列出第1至q子层微段的剪滞平衡方程组为：
(EbA1/μb 2)v″(x)+(-1/μbd1)(Gbt/d1)(v2-v1)＝0
(EbA/μb 2)v″(x)+(-1/μbd)[2Gbt/(d1+d)](v1-v2)+(-1/μbd)(Gbt/d)(v3-v2)＝0
(EbA/μb 2)v″(x)+(-1/μbd)(Gbt/d)(vi+1-2vi+vi-1)＝0，i＝3，…，q-1
(EbA/μb 2)v″(x)+(-1/μbd)(Gbt/d)(vq-1-vq)+[-2t1/d(d2+d)][(Gm/μm)vq+1-(Gt/μt)vq]＝0
其中，A1＝td1；
列出第q+1至q+r子层微段的剪滞平衡方程组为：
[-2t1/d2(d2+d)][(Gb/μb)vq-(Gm/μm)vq+1]+(-1/μmd2)(Gmt/d)(vq+2-vq+1)+ (EmA2/μm 2)v″q+1(x)＝0
(EmA/μm 2)v″i(x)+(-1/μmd)(Gmt/d)(vi+1-2vi+vi-1)＝0，i＝q+2，…，q+r-1
(EmA/μm 2)v″q+r(x)+[-2t1/d(d1+d)][(Gb/μb)vq+r+1-(Gm/μm)vq+r]+(-1/μmd) (Gmt/d)(vq+r-1-vq+r)＝0
其中，A2＝td2，
第q+r+1至n子层微段的剪滞平衡方程组为：
(EbA/μb 2)v″i(x)+(-1/μbd)(Gbt/d)(vi+1-2vi+vi-1)＝0，i＝q+r+2，…，n-1
(EbA/μb2)v″n(x)+[-2t1/d(d2+d)]((Gm/μm)vn+1-(Gb/μb)vn)+(-1/μbd)(Gbt/d)(vn-1-vn)＝0
其中，A0＝td3，
上述式中：Eb和Gb、Em和Gm分别为混凝土多孔砖和砂浆的弹性模量和 切变模量；A＝td为子层截面面积，其中d为标准子层厚度。
3剪滞方程的简化：
为便于求解，引入下述无量纲参数：(σ0：纵向远场的水平拉应力，由横 向远场的竖向压应力导出)；
Figure RE-GSB0000180788910000061
Figure RE-GSB0000180788910000062
Figure RE-GSB0000180788910000071
Figure RE-GSB0000180788910000072
Figure RE-GSB0000180788910000073
将上述无量纲参数代入到各子层微段的剪滞平衡方程组中，得无量纲剪 滞平衡方程组如下：
第1至q层子层微段
Figure BSA0000178516640000074
Figure BSA0000178516640000075
Figure BSA0000178516640000076
Figure BSA0000178516640000077
第q+1至q+r子层微段：
Figure BSA0000178516640000078
Figure BSA0000178516640000079
Figure RE-GSB00001807889100000710
第q+r+1至n子层微段：
Figure RE-GSB0000180788910000081
k＝q+r+2，…，n-1
Figure BSA0000178516640000082
4墙体等效断裂韧度的确定：
用有限子层模型来模拟裂缝扩展，假设a′为标准子层高度为裂缝扩展长 度，无裂缝区第p+q+1q+r层在x＝0处的正应力为σq+r(0)，则该混凝土 多孔砖墙应变能释放率(即裂缝扩展单位长度系统应变能的下降值)为：
Figure BSA0000178516640000083
由线弹性断裂力学可知，在平面应力条件下，
Figure BSA0000178516640000084
Figure BSA0000178516640000085
以上三个式子联立可以得到该混凝土多孔砖墙等效断裂韧度的解析表达 式如下：
Figure BSA0000178516640000086
E为材料弹性模量，Gc应变能释放率，σ0为纵向远场的水平拉应力， σc为临界应力。
以下为本发明进行动态断裂韧度的试验结果。
对不同墙体试件尺寸进行冲击检测，选择高低温箱作为墙体试件的温控 单元。启动电机，控制滑锤以6m/s的初速度冲向墙体试件。载荷传感器高速 采集载荷信号发送至温度开裂剪滞建模单元。红外成像仪采获得的裂纹形貌 图像信息，进行图像分析处理后发送至温度开裂剪滞建模单元。
每组墙体试件进行两次测试，得到动态断裂韧度试验结果，如下表
Figure BSA0000178516640000091
可以看出，当温度低于-30℃时为危险温度段，墙体试件中不可避免的存 在各种缺陷，而引发裂纹的生成，扩展和断裂。
作为其中一个实施例，温度开裂剪滞建模单元5与远程在线预警系统6 有线/无线连接，远程在线预警系统6的预警过程如下：
S1、当墙体等效断裂韧度低于当前温度值相应的等效断裂韧度阈值时， 对数据进行记录，并保存至数据库；
S2、当墙体等效断裂韧度高于或等于当前温度值相应的等效断裂韧度阈 值时，则向工程管理平台和人员发出报警信息，即通知施工单位采取应急措 施。
远程在线预警系统6中存储预设的符合标准的等效断裂韧度阈值与温度 的对应关系数据，当远程在线预警系统6接收到当前温度信息和墙体等效断 裂韧度信号时，远程在线预警系统6根据当前温度值遍历预存的对应关系数 据，找到等效断裂韧度阈值后与墙体等效断裂韧度进行比较，得出判断结果 并进行预警。
以上对本发明所提供的一种一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检 测系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式 进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思 想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方 式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本 发明的限制。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者 操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作 之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或 者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过 程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其 他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在 没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在 包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (8)

1.一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，其特征在于：包括冲击单元、红外成像仪、冲击信号采集单元、温控单元、温度开裂剪滞建模单元；
所述冲击单元固定在混凝土多孔砖墙体上，并连接所述冲击信号采集单元；所述红外成像仪拍摄得到混凝土多孔砖墙体红外图像；温控单元对混凝土多孔砖墙体进行温度控制；所述红外成像仪、所述冲击信号采集单元、所述温控单元均与所述温度开裂剪滞建模单元连接，并向所述温度开裂剪滞建模单元发送检测数据进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，其特征在于，所述冲击单元包括固定支座和滑动支座；所述固定支座固定在混凝土多孔砖墙体上，所述滑动支座安装在所述固定支座上，且与所述混凝土多孔砖强体相垂直；所述滑动支座上设置有丝杠，以及安装在丝杠上的滑锤，所述丝杠的一端连接有电机，所述电机控制所述丝杠的转动速度。
3.根据权利要求1所述的一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，其特征在于，所述冲击信号采集单元包括载荷传感器，用于检测滑锤施加到混凝土多孔砖强体的动态载荷数据，并将数据发送至所述温度开裂剪滞建模单元。
4.根据权利要求1所述的一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，其特征在于，所述温控单元包括主控机、温度控制器、温度传感器；所述主控机连接所述温度控制器，所述温度控制器对混凝土多孔砖墙体进行升温、降温、恒温控制，所述温度传感器实时采集混凝土多孔砖墙体的温度值，并发送至所述温度开裂剪滞建模单元。
5.根据权利要求1所述的一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，其特征在于，所述红外成像仪设置有N个，且沿混凝土多孔砖墙体裂纹处等间距排列。
6.根据权利要求1所述的一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，其特征在于，还包括，远程在线预警系统，所述温度开裂剪滞建模单元与所述远程在线预警系统有线/无线连接。
7.根据权利要求1所述的一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，其特征在于，所述温度开裂剪滞建模单元的建模过程如下：
S1、建立墙体温度开裂的剪滞分析模型；
S2、建立剪滞平衡方程；
S3、确定墙体等效断裂韧度；
S4、将墙体等效断裂韧度与冲击力、当前温度值一一对应保存；
S5、根据当前温度值检索预存的相应等效断裂韧度阈值，并进行比较判断，输出判断结果。
8.根据权利要求7所述的一种混凝土多孔砖墙体的动态断裂韧度的检测系统，其特征在于，所述远程在线预警系统的预警过程如下：
S1、当墙体等效断裂韧度低于当前温度值相应的等效断裂韧度阈值时，对数据进行记录，并保存至数据库；
S2、当墙体等效断裂韧度高于或等于当前温度值相应的等效断裂韧度阈值时，则向工程管理平台和人员发出报警信息，即通知施工单位采取应急措施。
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