CN111965338A - 一种水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝土结构耐久性监测技术领域，涉及一种水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置及方法，装置的主体结构包括上连杆、混凝土构件、横向密封箱、纵向密封箱、移动导杆、探针发射箱、多通道数据采集器、调频发射机、计算机、辅助轮、下连杆和无线温度传感器，方法的工艺过程包括发射探针、采集数据、计算弹性模量和评估冻融损伤共四个步骤；其结构简单，操作方便，能够重复利用，采用同极的高强磁铁通过非接触传力的方式为探针的发射提供动力，解决了密封问题，通过探针获取的加速度数据来计算混凝土构件的弹性模量，进而得到弹性模量的损失量，对水下混凝土构件的冻融损伤进行实时的原位监测。

Description

一种水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置及方法

技术领域：

本发明属于混凝土结构耐久性监测技术领域，涉及一种水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置及方法，通过监测水下混凝土构件的弹性模量，对水下混凝土构件的冻融损伤进行原位评估。

背景技术：

在寒冷地区或冻融环境中，混凝土构件内部孔隙中的水分由于结冰产生冻胀应力，导致混凝土构件产生不同程度的损伤，对安全性和耐久性产生不良影响。现有技术中，现场测试混凝土构件弹性模量的装置及方法主要适用于陆地上的混凝土构件，例如：中国专利201710222638.3公开的一种带水准混凝土弹性模量测定装置，包括上环和下环，所述上环和下环上下布置，且上环和下环都设置有固定被测混凝土的紧固装置；所述上环上还设置有圆水准器，在上环和下环之间固定有定位板，所述定位板用于固定上环与下环之间的距离；在上环上设置有千分表支架，在下环上设置有接触杆，千分表支架与接触杆之间用于放置千分表；其通过固定架间的微变形量计算出混凝土的弹性模量值。中国专利201810780463.2公开的一种移动终端控制的便携式动弹性模量测定仪，包括：主机、发射器和接收器，所述主机包括广播模块、设备连接模块、处理器和锂离子电池，所述主机是长方体，主机内部安装广播模块、设备连接模块、处理器、和锂离子电池，发射器和接收器在主机外部，发射器和接收器与主机通过线缆连接，移动终端与该装置的设备连接模块进行一对一的连接并通过广播模块进行双向无线通信。所述设备连接模块用于在广播模块广播之前，将该装置标识信息发送至目标移动终端，使移动终端准确、快速的控制该装置。所述广播模块用于将移动终端与该装置的信息传递。所述处理器用于控制发射器和接收器的开关及调节，同时将广播模块接收的信息进行数字信号转换，将信号传送给发射器，接收器将检测的信号传送给处理器，处理器将信号进行转换，经由广播模块发送给移动终端。所述移动终端，用于将控制该装置、计算数据并显示结果，其中计算数据并显示结果指的是移动终端经过自身的处理器将接收的数据进行傅里叶变换等一系列计算得到共振频率，显示实时发生频率、当前频率下的频谱图和当前幅值频率，扫描结束后，自动显示共振频率计算动弹性模量。所述移动终端可以通过下载社交客户端或者离线app进行对该装置的控制；其通过测得试件的频率及振幅经过傅里叶变换等一系列计算得到共振频率，利用共振频率计算动弹性模量。中国专利201810188114.1公开的一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，包括如下步骤：步骤S1：将预设的激励信号向粘贴在待测混凝土的表面的PZT激励器发送；步骤S2：使用PZT传感器阵列接收所述PZT激励器产生的测速信号，根据所述接收的测速信号得到瑞利波波速CR，其中所述测速信号为所述PZT激励器受到所述预设的激励信号激励产生的应力波；步骤S3：通过所述瑞利波波速CR得到混凝土弹性模量E；其通过粘贴在混凝土表面的PZT激励器和PZT传感器列阵进行瑞利波波速测量，并根据瑞利波波速得到混凝土的弹性模量。但是，水下混凝土构件长期处于低温度及大压强的环境中，相较于陆地上的混凝土构件更容易遭受到冻融破坏，并且水下的特殊环境使得目前的弹性模量测试装置无法发挥作用，所以现阶段对水下混凝土构件力学性能的测试多通过潜水人员水下取芯，陆地上进行弹性模量的方式实现，其不仅会对水下作业人员带来一定的生命危险，而且，获得的弹性模量测试结果受限于季节、温度、时间及经济条件等因素，不具有连续性及代表性，无法精确评估混凝土构件冻融损伤的程度。因此，对已建水下混凝土构件进行原位弹性模量测试，以评估其冻融损伤程度，具有十分重要的意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的无法实时、连续原位监测水下混凝土构件冻融损伤的缺点，寻求设计一种基于弹性模量的水下混凝土构件冻融损伤的原位监测装置及方法。

为了实现上述目的，本发明涉及的水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置的主体结构包括上连杆、混凝土构件、横向密封箱、纵向密封箱、移动导杆、探针发射箱、多通道数据采集器、调频发射机、计算机、辅助轮、下连杆和无线温度传感器；上连杆的一端与混凝土构件连接，另一端与横向密封箱连接，横向密封箱分别与纵向密封箱和移动导杆连接，纵向密封箱通过纵向密封箱内设置的次滑轮与探针发射箱连接，探针发射箱与多通道数据采集器连接，多通道数据采集器通过调频发射机与计算机连接，移动导杆穿过探针发射箱上设置的两列辅助轮与下连杆的一端连接，下连杆的另一端与混凝土构件连接，下连杆上设置有无线温度传感器；计算机分别与横向密封箱、探针发射箱和无线温度传感器连接。

本发明涉及的横向密封箱内设置有一号防水电源和潜水电机，一号防水电源和潜水电机通过一号无线开关连接，潜水电机上设置有主滑轮、卷筒和导向轮。

本发明涉及的传动链条经过导向轮依次与主滑轮、卷筒和次滑轮连接。

本发明涉及的探针发射箱的内部设置有二号防水电源和弹簧组，二号防水电源通过二号无线开关与电磁铁连接，弹簧组与钢板框连接，钢板框的左端设置有铁块，钢板框的右端设置有一号磁铁，探针发射箱的端部设置有内空式结构的导管，导管的内端设置有二号磁铁，导管的外端设置有滑轮，导管中设置有发射导杆，导管与发射导杆之间设置有密封橡胶圈，发射导杆的端部设置有探针。

本发明涉及的上连杆与混凝土构件和横向密封箱、下连杆与混凝土构件和移动导杆以及探针发射箱与辅助轮均通过防松螺母连接，横向密封箱和探针发射箱与防松螺母之间以及探针发射箱与次滑轮之间均做密封处理，具有良好的防水效果；横向密封箱、纵向密封箱和探针发射箱是由厚度为5mm的不锈钢制作的电气密封箱；上连杆和下连杆选用外径为15mm，内径为8mm的无缝钢管，以保证上连杆和下连杆的受力均匀并且能够减轻自重；多通道数据采集器与探针电连接；调频发射机为双向调频发射机；一号防水电源和二号防水电源均为锂电池；无线温度传感器能够实时监测水温以反映混凝土构件是否处于冻融状态；潜水电机为充油式潜水电机；一号磁铁和二号磁铁均为N极强力磁铁；探针为加速度式探针。

本发明涉及的计算机中存储有混凝土构件的弹性模量计算公式：

其中，E₂为混凝土构件的弹性模量，单位为MPa，m为探针的质量，单位kg，E₁为探针的弹性模量，单位为MPa，μ₂为混凝土构件的泊松比，纲量为1，R为探针的等效半径，单位为m，v_c为探针撞击混凝土构件时的速度，单位为m/s，τ为探针的撞击持续时间，单位为s，μ₁为探针的泊松比，纲量为1；探针的等效半径R、探针的泊松比μ₁、探针的弹性模量E₁和探针的质量m是已知的。

本发明涉及的水下混凝土构件冻融损伤原位监测方法的工艺过程包括发射探针、采集数据、计算弹性模量和评估冻融损伤共四个步骤：

一、发射探针：当无线温度传感器测得混凝土构件附近的水温高于0℃时，将水温上传至计算机，计算机打开二号无线开关，电磁铁通电并产生磁性，铁块被吸到电磁铁处，钢板框左移，弹簧组被压缩，计算机关闭二号无线开关，电磁铁的磁性消失，铁块被释放，弹簧组恢复原状的过程中带动钢板框右移，一号磁铁与二号磁铁之间产生排斥力，排斥力将发射导杆推出，探针撞击混凝土构件；

二、采集数据：探针撞击混凝土构件后获取探针撞击混凝土构件的速度和碰撞持续时间的数据，并将数据发送至多通道数据采集器，数据经由调频发射机发送至计算机；计算机打开一号无线开关，潜水电机驱动主滑轮转动，卷筒收集主滑轮传递的传动链条，同时，传动链条通过次滑轮带动探针发射箱向上移动，重复步骤一，使探针撞击混凝土构件的不同位置，并将探针获取的数据发送至计算机；

卷筒释放传动链条时，次滑轮带动探针发射箱向下移动，探针发射箱上下移动的过程中，移动导杆在两列辅助轮之间移动，对探针发射箱上下移动进行导向和维稳；

三、计算弹性模量：计算机根据调频发射机发送的数据和弹性模量计算公式实时计算混凝土构件的弹性模量，并通过Matlab(矩阵实验室)和Origin(函数绘图软件)实时绘制混凝土构件的弹性模量变化曲线，分析弹性模量随时间变化的规律；

四、评估冻融损伤：根据步骤三得到混凝土构件的弹性模量、弹性模量变化曲线和弹性模量随时间变化的规律对混凝土构件的冻融损伤进行评估，当弹性模量损失率达到60％时认为混凝土构件已经被冻融破坏。

本发明与现有技术相比，探针将测得的加速度数据传递至多通道数据采集器后通过调频信号发射机实时传输给计算机，计算机根据探针撞击混凝土构件过程中加速度随时间的变化关系，经由计算公式得到混凝土构件的弹性模量，并实时绘制混凝土构件的弹性模量变化曲线，能够上下移动的探针，便于监测混凝土构件不同部位的弹性模量，实现了简单、快速、准确、连续地测量水下混凝土构件的弹性模量；其结构简单，操作方便，能够重复利用，采用同极的高强磁铁通过非接触传力的方式为探针的发射提供动力，解决了密封问题，通过探针获取的加速度数据来计算混凝土构件的弹性模量，进而得到弹性模量的损失量，对水下混凝土构件的冻融损伤进行实时的原位监测，解决了水下混凝土构件冻融损伤监测成本大、危险系数高、数据不连续等问题，避免了人为读数引起的误差。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明的局部结构原理是意图。

图3为本发明涉及的探针发射箱的内部结构原理示意图。

图4为本发明的数据传输原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置的主体结构包括上连杆1、混凝土构件2、横向密封箱3、纵向密封箱4、移动导杆5、探针发射箱6、多通道数据采集器7、调频发射机8、计算机9、辅助轮10、下连杆11、无线温度传感器12、传动链条13、防松螺母14、一号防水电源31、潜水电机32、一号无线开关33、主滑轮34、卷筒35、导向轮36、次滑轮41、二号防水电源601、弹簧组602、二号无线开关603、电磁铁604、钢板框605、铁块606、一号磁铁607、导管608、二号磁铁609、滑轮610、发射导杆611、密封橡胶圈612和探针613；内空式管状结构的上连杆1的一端与水下构筑物的混凝土构件2连接，另一端与长方体结构的横向密封箱3连接，横向密封箱3分别与长方体结构的纵向密封箱4和内空式结构的移动导杆5连接，横向密封箱3内设置有一号防水电源31和潜水电机32，一号防水电源31和潜水电机32通过一号无线开关33连接，潜水电机32上设置有圆形结构的主滑轮34、卷筒35和导向轮36，纵向密封箱4内设置有圆形结构的次滑轮41，传动链条13经过导向轮36依次与主滑轮34、卷筒35和次滑轮41连接成闭环，纵向密封箱4与长方体结构的探针发射箱6连接，探针发射箱6的内部设置有二号防水电源601和由四个弹簧组成的弹簧组602，二号防水电源601通过二号无线开关603与电磁铁604连接，弹簧组602套设在钢板框605的内部，钢板框605的左端设置有铁块606，钢板框605的右端设置有一号磁铁607，探针发射箱6的端部设置有内空式结构的导管608，导管608的内端设置有二号磁铁609，导管608的外端设置有滑轮610，导管608中设置有发射导杆611，导管608与发射导杆611之间设置有密封橡胶圈612，发射导杆611的端部设置有探针613，探针发射箱6与多通道数据采集器7连接，多通道数据采集器7通过调频发射机8与计算机9连接，移动导杆5穿过探针发射箱6上设置的两列辅助轮10与下连杆11的一端连接，下连杆11的另一端与混凝土构件2连接，下连杆11上设置有无线温度传感器12，计算机9分别与横向密封箱3、探针发射箱6和无线温度传感器12连接；上连杆1与混凝土构件2和横向密封箱3、下连杆11与混凝土构件2和移动导杆5以及探针发射箱6与辅助轮10均通过防松螺母14连接；多通道数据采集器7与探针613电连接。

本实施例涉及的水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置使用时，电磁铁604通电后，吸引铁块606，钢板框605压缩弹簧组602，电磁铁604断电后，磁力消失，弹簧组602恢复原状，带动钢板框605快速右移，使得一号磁铁607与二号磁铁609相互排斥，排斥力通过发射导杆611将探针613发射至混凝土构件2处，产生撞击。

本实施例涉及的上连杆1和下连杆11与混凝土构件2无损连接，保证了混凝土构件2的完整性；潜水电机32上的主滑轮34与探针发射箱6上的次滑轮41连接，移动导杆5与探针发射箱6上的辅助轮10接触，使得探针613能够平稳的上下移动；探针613与多通道数据采集器7连接，多通道数据采集器7与调频发射机8连接，调频发射机8与计算机9连接，使得探针613获取的数据能够快速的发送至计算机9。

实施例2：

本实施例涉及的水下混凝土构件冻融损伤原位监测方法用于监测某一水下混凝土构件2，当无线温度传感器12显示水下温度高于0℃时，将水温上传至计算机9，计算机9打开一号无线开关33，潜水电机32驱动主滑轮34转动，卷筒35收集主滑轮34传递的传动链条13，传动链条13通过次滑轮41带动探针发射箱6向上移动，使探针613位于混凝土构件2的上端，同时，计算机9打开二号无线开关603，电磁铁604通电并产生磁性，铁块606被吸到电磁铁604处，钢板框605左移，弹簧组602被压缩，计算机9关闭二号无线开关603，电磁铁604的磁性消失，铁块606被释放，弹簧组602恢复原状的过程中带动钢板框605右移，一号磁铁607与二号磁铁609之间产生排斥力，排斥力将发射导杆611推出，探针613撞击混凝土构件2；每间隔20cm对混凝土构件2进行一次上述监测，多通道采集器7将采集到的探针613撞击混凝土构件2的速度和碰撞持续时间的数据通过调频发射器8将信号发射至计算机9，计算机9通过Matlab(矩阵试验室)和Origin(函数绘图软件)实时绘制混凝土构件2的弹性模量变化曲线，分析弹性模量随时间变化的规律，根据弹性模量损失率是否达到60％的原则判定混凝土构件2是否受到冻融破坏。

Claims (6)

1.一种水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置，其特征在于主体结构包括上连杆、混凝土构件、横向密封箱、纵向密封箱、移动导杆、探针发射箱、多通道数据采集器、调频发射机、计算机、辅助轮、下连杆和无线温度传感器；上连杆的一端与混凝土构件连接，另一端与横向密封箱连接，横向密封箱分别与纵向密封箱和移动导杆连接，纵向密封箱通过纵向密封箱内设置的次滑轮与探针发射箱连接，探针发射箱与多通道数据采集器连接，多通道数据采集器通过调频发射机与计算机连接，移动导杆穿过探针发射箱上设置的两列辅助轮与下连杆的一端连接，下连杆的另一端与混凝土构件连接，下连杆上设置有无线温度传感器；计算机分别与横向密封箱、探针发射箱和无线温度传感器连接；计算机中存储有混凝土构件的弹性模量计算公式：

其中，E₂为混凝土构件的弹性模量，单位为MPa，m为探针的质量，单位kg，E₁为探针的弹性模量，单位为MPa，μ₂为混凝土构件的泊松比，纲量为1，R为探针的等效半径，单位为m，v_c为探针撞击混凝土构件时的速度，单位为m/s，τ为探针的撞击持续时间，单位为s，μ₁为探针的泊松比，纲量为1；探针的等效半径R、探针的泊松比μ₁、探针的弹性模量E₁和探针的质量m是已知的。

2.根据权利要求1所述的水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置，其特征在于横向密封箱内设置有一号防水电源和潜水电机，一号防水电源和潜水电机通过一号无线开关连接，潜水电机上设置有主滑轮、卷筒和导向轮。

3.根据权利要求2所述的水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置，其特征在于传动链条经过导向轮依次与主滑轮、卷筒和次滑轮连接。

4.根据权利要求3所述的水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置，其特征在于探针发射箱的内部设置有二号防水电源和弹簧组，二号防水电源通过二号无线开关与电磁铁连接，弹簧组与钢板框连接，钢板框的左端设置有铁块，钢板框的右端设置有一号磁铁，探针发射箱的端部设置有内空式结构的导管，导管的内端设置有二号磁铁，导管的外端设置有滑轮，导管中设置有发射导杆，导管与发射导杆之间设置有密封橡胶圈，发射导杆的端部设置有探针。

5.根据权利要求4所述的水下混凝土构件冻融损伤原位监测装置，其特征在于上连杆与混凝土构件和横向密封箱、下连杆与混凝土构件和移动导杆以及探针发射箱与辅助轮均通过防松螺母连接，横向密封箱和探针发射箱与防松螺母之间以及探针发射箱与次滑轮之间均做密封处理；横向密封箱、纵向密封箱和探针发射箱是由厚度为5mm的不锈钢制作的电气密封箱；上连杆和下连杆选用外径为15mm，内径为8mm的无缝钢管；多通道数据采集器与探针电连接；调频发射机为双向调频发射机；一号防水电源和二号防水电源均为锂电池；无线温度传感器能够实时监测水温以反映混凝土构件是否处于冻融状态；潜水电机为充油式潜水电机；一号磁铁和二号磁铁均为N极强力磁铁；探针为加速度式探针。

6.一种水下混凝土构件冻融损伤原位监测方法，其特征在于工艺过程包括发射探针、采集数据、计算弹性模量和评估冻融损伤共四个步骤：

一、发射探针：当无线水温传感器测得混凝土构件附近的水温高于0℃时，将水温上传至计算机，计算机打开二号无线开关，电磁铁通电并产生磁性，铁块被吸到电磁铁处，钢板框左移，弹簧组被压缩，计算机关闭二号无线开关，电磁铁的磁性消失，铁块被释放，弹簧组恢复原状的过程中带动钢板框右移，一号磁铁与二号磁铁之间产生排斥力，排斥力将发射导杆推出，探针撞击混凝土构件；

二、采集数据：探针撞击混凝土构件后获取探针撞击混凝土构件的速度和碰撞持续时间的数据，并将数据发送至多通道数据采集器，数据经由调频发射机发送至计算机；计算机打开一号无线开关，潜水电机驱动主滑轮转动，卷筒收集主滑轮传递的传动链条，同时，传动链条通过次滑轮带动探针发射箱向上移动，重复步骤一，使探针撞击混凝土构件的不同位置，并将探针获取的数据发送至计算机；

卷筒释放传动链条时，次滑轮带动探针发射箱向下移动，探针发射箱上下移动的过程中，移动导杆在两列辅助轮之间移动，对探针发射箱上下移动进行导向和维稳；

三、计算弹性模量：计算机根据调频发射机发送的数据和弹性模量计算公式实时计算混凝土构件的弹性模量，并通过Matlab和Origin实时绘制混凝土构件的弹性模量变化曲线，分析弹性模量随时间变化的规律；

四、评估冻融损伤：根据步骤三得到混凝土构件的弹性模量、弹性模量变化曲线和弹性模量随时间变化的规律对混凝土构件的冻融损伤进行评估，当弹性模量损失率达到60％时认为混凝土构件已经被冻融破坏。

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