CN113640217B - 一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统，包括加固感知子系统、数据分析子系统、通信子系统与管养可视化终端；加固感知子系统利用压电感应获取加固件与混凝土表面的粘接界面的粘接状态的监测，并将监测采集到的原始信号发送至数据分析子系统中；数据分析子系统用于读取加固感知子系统发送的原始信号，对原始信号进行去噪信号预处理，并定量评估加固件与混凝土表面的粘接界面的粘接状态；数据分析子系统与通信子系统信号连接；通信子系统用于将定量评估加固件与混凝土表面的粘接界面的粘接状态传输至管养可视化终端中；管养可视化终端用于实施远程的获取粘接界面的粘接状态的信息，并进行数字或者图像的可视化输出。

Description

一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统
技术领域
本发明涉及结构加固及健康监测领域技术领域，尤其涉及一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统。
背景技术
粘钢板加固法，是在钢筋混凝土受弯构件承载力不足的区段表面粘贴钢板，以提高结构承载力的一种加固方法。该方法施工便捷，且加工之后对结构的外观及净空影响较小。但是该方法的缺点使对粘贴工艺要求较高，当环境温度和相对湿度高于一定程度时，钢板与混凝土层容易出现胶层剥离现象。为了有效防止剥离，通常需要在粘贴位置进行大面积贴合加固。在无损情况下对加强件与混凝土的结合强度或者剥离状态进行长期健康是非常必要的。压电陶瓷元件具有响应快、适用频率宽的优点，利用压电陶瓷元件搭建智能感知的损失识别、粘结状态检测系统，是非常有必要的，必然能为工程养护人员提供主动性预防提供精准数据支撑。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种使用方便可靠、无需破坏混凝土结构、响应快的粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统，包括加固感知子系统（100）、数据分析子系统（200）、通信子系统（300）与管养可视化终端（400）；
加固感知子系统（100），利用压电感应进行加固件（1）与混凝土表面的粘接界面的粘接状态的监测，并将监测采集到的原始信号发送至数据分析子系统（200）中；
数据分析子系统（200），用于读取加固感知子系统（100）发送的原始信号，对原始信号进行去噪信号预处理，并定量评估加固件（1）与混凝土表面的粘接界面的粘接状态；数据分析子系统（200）与通信子系统（300）信号连接；
通信子系统（300），用于将定量评估加固件（1）与混凝土表面的粘接界面的粘接状态传输至管养可视化终端（400）中；
管养可视化终端（400），用于实施远程的获取粘接界面的粘接状态的信息，并进行数字或者图像的可视化输出。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述加固感知子系统（100）还包括信号驱动单元（3）、压电陶瓷检测单元（4）、无线数据传输端（12）以及无线接收端（13）；加固件（1）粘接包覆在混凝土的表面上，信号驱动单元（3）与压电陶瓷检测单元（4）分别与加固件（1）的不相邻的端面固定连接，压电陶瓷检测单元（4）与无线数据传输端（12）无线连接，无线数据传输端（12）与无线接收端（13）信号连接；信号驱动单元（3）向加固件（1）与混凝土表面的粘接界面施加应力波，该应力波经混凝土传输至压电陶瓷检测单元（4），压电陶瓷检测单元（4）接收应力波后转换为电信号，并将该电信号发送给与其相连的无线数据传输端（12），无线数据传输端（12）将该电信号采样并转换为数字信号后无线发送至无线接收端（13），无线接收端（13）将数字信号发送给数据分析子系统（200）。
进一步优选的，所述加固件（1）包括连接部和两安装部；两安装部相对且间隔设置，连接部设置在两安装部之间且分别与两安装部固定连接；信号驱动单元（3）的输出端设置在一安装部上，压电陶瓷检测单元（4）正对的设置在另一安装部上。
更进一步优选的，所述信号驱动单元（3）包括信号发生器（10）和压电陶瓷驱动器（3a），信号发生器（10）与压电陶瓷驱动器（3a）电性连接；信号发生器（10）产生正弦扫频激励信号，传输至压电陶瓷驱动器（3a）后，由压电陶瓷驱动器（3a）产生应力波；正弦扫频激励信号的频率范围为100Hz—250kHz，幅值为1V；压电陶瓷检测单元（4）的采样时间为0.01s，采样频率为1MHz。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述通信子系统（300）定量评估加固件（1）与混凝土表面的粘接界面的粘接状态，是令加固件（1）与混凝土粘接健康状态的参考信号为S1（n），通过压电陶瓷检测单元（4）实测的信号为S2（n），则两者的误差信号为v（n）=S1（n）—S2（n）；令加固件（1）与混凝土粘接健康状态的参考信号的能量为E1, 压电陶瓷检测单元（4）实测的信号的能量值为E2，加固件（1）与混凝土粘接健康状态的参考信号同加固件（1）与混凝土表面损伤信号的相关性程度为Ev，根据相关性程度Ev判断加固件（1）与混凝土表面是否处于脱粘状态的关系式为：；如果Ev的值超过脱粘阈值E0，则表示加固件（1）与混凝土表面已处于脱粘状态；如果Ev的值不超过脱粘阈值E0，则表示加固件（1）与混凝土表面维持粘接状态。
更进一步优选的，所述脱粘阈值E0的值为10。
再进一步优选的，当判断加固件（1）与混凝土表面已处于脱粘状态后，进一步定量判断加固件（1）与混凝土表面的剥离程度的第一指标或者第二指标：当第一指标或者第二指标判定加固件（1）与混凝土表面脱粘程度严重时，管养可视化终端（400）向用户发出告警。
更进一步优选的，所述第一指标的计算方法为：令多尺度排列熵衍生指标为第一指标DI1， 是通过压电陶瓷驱动器（3a）实测的信号在尺度下的排列熵数值；n为分析尺度的大小，n为正整数，尺度的取值为正整数；通过公式
Figure 576567DEST_PATH_IMAGE001
计算多尺度排列熵衍生指标；计算获得的DI1的值越大，表示加固件（1）与混凝土表面脱粘程度越严重。
更进一步优选的，所述第二指标的计算方法为：令当前压电陶瓷检测单元（4）接收到的信号的第i小波包节点系数为ri，令表示加固件（1）与混凝土表面粘结状态良好状态下的压电陶瓷检测单元（4）接收到的信号的第i小波包节点系数；N表示小波包节点系数的个数，则第二指标DI2的计算公式为：
Figure 82766DEST_PATH_IMAGE002
；计算获得的DI2值越大，表示加固件（1）与混凝土表面脱粘程度越严重。
本发明提供的一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统，相对于现有技术具有以下有益效果：
（1）本发明通过在加固件的基础上配置加固感知子系统，并与数据分析子系统构成加固件与混凝土之间的长期在线监测和识别，并进一步通过通信子系统与管养可视化终端，实现远程通信，便于用户及时查看结构变化情况，预先进行维护，防止粘接强度劣化；
（2）通过预设的加固状态良好的参考信号，与当前的实测信号之间进行对比，根据当前信号能量损耗程度，判断相关性来确定是否发生剥离现象；
（3）在确定发生加固件剥离现象后，进一步采用多指标同时表征加固件与混凝土剥离状态的严重程度，当两个指标任一个超标时，可判定加固件剥离状态严重，需要立即采集维护措施；
（4）管养可视化终端可配置与移动终端如手机上，通过数字、图像等形式更加直观的获取加固件的粘接状态或者剥离趋势。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统的结构框图；
图2为本发明一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统的信号传输示意图；
图3为本发明一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统的加固感知子系统的一种结构立体图；
图4为本发明一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统的加固感知子系统与混凝土的结合状态立体图；
图5为图3的半剖前视图；
图6为本发明一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统的判断流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，图示展示了一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统，包括加固感知子系统100、数据分析子系统200、通信子系统300与管养可视化终端400；
加固感知子系统100，利用压电感应进行加固件1与混凝土表面的粘接界面的粘接状态的监测，并将监测采集到的原始信号发送至数据分析子系统200中；
数据分析子系统200，用于读取加固感知子系统100发送的原始信号，对原始信号进行去噪信号预处理，并定量评估加固件1与混凝土表面的粘接界面的粘接状态；数据分析子系统200与通信子系统300信号连接；
通信子系统300，用于将定量评估加固件1与混凝土表面的粘接界面的粘接状态传输至管养可视化终端400中；
管养可视化终端400，用于实施远程的获取粘接界面的粘接状态的信息，并进行数字或者图像的可视化输出。上述监测系统可以实现信号激发、信号传输、信号接收、信号分析等功能，并实现分析结果的远程传输，供管养可视化终端400直观的获取当前加固件1与混凝土界面粘结状态的现状，便于管理人员提前干预。
如图2结合图3、图4所示，加固感知子系统100还包括信号驱动单元3、压电陶瓷检测单元4、无线数据传输端12以及无线接收端13；加固件1粘接包覆在混凝土的表面上，信号驱动单元3与压电陶瓷检测单元4分别与加固件1的不相邻的端面固定连接，压电陶瓷检测单元4与无线数据传输端12无线连接，无线数据传输端12与无线接收端13信号连接；信号驱动单元3向加固件1与混凝土表面的粘接界面施加应力波，该应力波经混凝土传输至压电陶瓷检测单元4，压电陶瓷检测单元4接收应力波后转换为电信号，并将该电信号发送给与其相连的无线数据传输端12，无线数据传输端12将该电信号采样并转换为数字信号后无线发送至无线接收端13，无线接收端13将数字信号发送给数据分析子系统200。
如图2—5所示，加固件1具体包括连接部和两安装部；两安装部相对且间隔设置，连接部设置在两安装部之间且分别与两安装部固定连接；信号驱动单元3的输出端设置在一安装部上，压电陶瓷检测单元4正对的设置在另一安装部上。为便于描述，此处的混凝土是T型的混凝土梁7结构，其区具有向外凸出的表面。加固件1的各表面分别与混凝土梁伸出的表面相贴合，两安装部可以通过化学锚栓2与混凝土进行固定，两安装部之间的间距与混凝土梁7的宽度相适应。连接部靠近混凝土梁7的端面与混凝土之间还设置有预制钢板6，两安装部与混凝土梁7的相邻表面以及预制钢板6与混凝土梁7和连接部相邻的表面均设置有粘接固定用的结构粘贴胶8来粘接固定。
信号驱动单元3包括信号发生器10和压电陶瓷驱动器3a；压电陶瓷驱动器3a设置在一安装板上，该安装板上设置有凹槽，压电陶瓷驱动器3a放置在该凹槽内，环氧树脂5与该安装部进行固定，凹槽上还预留有供导线穿过的通孔3b，压电陶瓷驱动器3a通过BNC线缆与信号发生器10电性连接。信号发生器10产生正弦扫频激励信号，传输至压电陶瓷驱动器3a后，由压电陶瓷驱动器3a产生应力波，应力波经混凝土传输，并被压电陶瓷检测单元4接收。
压电陶瓷检测单元4包括压电陶瓷传感器4a和信号采集卡11，另一安装部上也对应的设置有凹槽，压电陶瓷传感器4a设置在该凹槽内，并通过环氧树脂5与该安装部进行固定，该安装部上也对应设置有供线缆穿过的通孔4b，压电陶瓷传感器4a通过BNC线缆9与信号采集卡11电性连接，信号采集卡11可采用美国国家仪器公司的NI系列产品，集成无线通信功能和信号处理能力，可对压电陶瓷传感器4a输出的电信号进行滤波和模数转换后得到数字信号，并通过自身集成的无线通信功能，经无线数据传输端12与无线接收端13信号连接。无线接收端13可以集成在数据分析子系统200中，如具有无线通信功能的PC、分析终端或者手机。本发明中，正弦扫频激励信号的频率范围为100Hz—250kHz，幅值为1V；压电陶瓷检测单元4的采样时间为0.01s，采样频率为1MHz。
如图6所示，图示展示了本发明定量评估加固件1粘结状态的流程图，其中，通信子系统300定量评估加固件1与混凝土表面的粘接界面的粘接状态，是令加固件1与混凝土粘接健康状态的参考信号为S1（n），通过压电陶瓷检测单元4实测的信号为S2（n），则两者的误差信号为v（n）=S1（n）—S2（n）；令加固件1与混凝土粘接健康状态的参考信号的能量为E1,压电陶瓷检测单元4实测的信号的能量值为E2，加固件1与混凝土粘接健康状态的参考信号同加固件1与混凝土表面损伤信号的相关性程度为Ev，根据相关性程度Ev判断加固件1与混凝土表面是否处于脱粘状态的关系式为：；如果Ev的值超过脱粘阈值E0，则表示加固件1与混凝土表面已处于脱粘状态；如果Ev的值不超过脱粘阈值E0，则表示加固件1与混凝土表面维持粘接状态。
作为一种优选方式，本发明可以将脱粘阈值E0的值设为10。脱粘阈值E0超过10的，表示加固件1与混凝土表面已处于脱粘状态，否则处于粘接状态。
进一步如图6所示，判断加固件1与混凝土表面已处于脱粘状态后，还可以进一步定量判断加固件1与混凝土表面的剥离程度；通过单独设置第一指标与第二指标进行综合评价，当第一指标或者第二指标判定加固件1与混凝土表面脱粘程度严重时，管养可视化终端400向用户发出告警。如果第一指标判定结果为负值，则采用第二指标来进一步评价加固件1与混凝土表面的剥离程度，如第一指标与第二指标结果均极小，则表明加固件1与混凝土表面的剥离程度不太严重。
上述第一指标的计算方法为：令多尺度排列熵衍生指标为第一指标DI1， 是通过压电陶瓷驱动器3a实测的信号在尺度下的排列熵数值；n为分析尺度的大小，n为正整数，尺度的取值为正整数；通过公式
Figure 941000DEST_PATH_IMAGE001
计算多尺度排列熵衍生指标；计算获得的DI1的值越大，表示加固件1与混凝土表面脱粘程度越严重。多尺度排列熵MPE的计算是本领域技术人员容易获取的开源算法，在此不再赘述。
具体的，上述第二指标的计算方法为：令当前压电陶瓷检测单元4接收到的信号的第i小波包节点系数为ri，令表示加固件1与混凝土表面粘结状态良好状态下的压电陶瓷检测单元4接收到的信号的第i小波包节点系数；N表示小波包节点系数的个数，则第二指标DI2的计算公式为：
Figure 756509DEST_PATH_IMAGE002
；计算获得的DI2值越大，表示加固件1与混凝土表面脱粘程度越严重。
本发明的工作原理是：基于压电陶瓷材料的压电效应，将压电陶瓷驱动器3a和压电陶瓷传感器4a分别放在加固件1的不同位置，通过信号发生器10向压电陶瓷驱动器3a输入激励信号，由压电陶瓷驱动器3a产生应力波并在混凝土中传播，加固件1与混凝土梁的粘结强度越大，应力波在传播过程中被耗散或者被吸收的越少，则在压电陶瓷传感器4a处接收到的信号能量越大，通过压电陶瓷检测单元4实测的信号与参考信号之间的能量的差异，判断加固件1与混凝土粘接健康状态的参考信号同加固件1与混凝土表面损伤信号的相关性程度的大小是否超过阈值，初步判断加固件1与混凝土的粘接情况；然后在判断加固件1与混凝土表面已处于脱粘状态后，进一步通过第一指标定量分析，获取第一指标的变化趋势，如第一指标取值小于0，则进一步采用第二指标定量分析；通过二次识别来进一步判断加固件1与混凝土表面脱粘程度，脱粘程度越严重，则需要尽快维护。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统，其特征在于：包括加固感知子系统（100）、数据分析子系统（200）、通信子系统（300）与管养可视化终端（400）；
加固感知子系统（100），利用压电感应获取加固件（1）与混凝土表面的粘接界面的粘接状态的监测，并将监测采集到的原始信号发送至数据分析子系统（200）中；
数据分析子系统（200），用于读取加固感知子系统（100）发送的原始信号，对原始信号进行去噪信号预处理，并定量评估加固件（1）与混凝土表面的粘接界面的粘接状态；数据分析子系统（200）与通信子系统（300）信号连接；
通信子系统（300），用于将定量评估加固件（1）与混凝土表面的粘接界面的粘接状态传输至管养可视化终端（400）中；
管养可视化终端（400），用于实施远程的获取粘接界面的粘接状态的信息，并进行数字或者图像的可视化输出；
所述加固感知子系统（100）还包括信号驱动单元（3）、压电陶瓷检测单元（4）、无线数据传输端（12）以及无线接收端（13）；加固件（1）粘接包覆在混凝土的表面上，信号驱动单元（3）与压电陶瓷检测单元（4）分别与加固件（1）的不相邻的端面固定连接，压电陶瓷检测单元（4）与无线数据传输端（12）无线连接，无线数据传输端（12）与无线接收端（13）信号连接；信号驱动单元（3）向加固件（1）与混凝土表面的粘接界面施加应力波，该应力波经混凝土传输至压电陶瓷检测单元（4），压电陶瓷检测单元（4）接收应力波后转换为电信号，并将该电信号发送给与其相连的无线数据传输端（12），无线数据传输端（12）将该电信号采样并转换为数字信号后无线发送至无线接收端（13），无线接收端（13）将数字信号发送给数据分析子系统（200）；
所述通信子系统（300）定量评估加固件（1）与混凝土表面的粘接界面的粘接状态，是令加固件（1）与混凝土粘接健康状态的参考信号为S1（n），通过压电陶瓷检测单元（4）实测的信号为S2（n），则两者的误差信号为v（n）=S1（n）—S2（n）；令加固件（1）与混凝土粘接健康状态的参考信号的能量为E1, 压电陶瓷检测单元（4）实测的信号的能量值为E2，加固件（1）与混凝土粘接健康状态的参考信号同加固件（1）与混凝土表面损伤信号的相关性程度为Ev，根据相关性程度Ev判断加固件（1）与混凝土表面是否处于脱粘状态的关系式为：；如果Ev的值超过脱粘阈值E0，则表示加固件（1）与混凝土表面已处于脱粘状态；如果Ev的值不超过脱粘阈值E0，则表示加固件（1）与混凝土表面维持粘接状态；
所述脱粘阈值E0的值为10；
当判断加固件（1）与混凝土表面已处于脱粘状态后，进一步定量判断加固件（1）与混凝土表面的剥离程度的第一指标或者第二指标：当第一指标或者第二指标判定加固件（1）与混凝土表面脱粘程度严重时，管养可视化终端（400）向用户发出告警；如果第一指标判定结果为负值，则采用第二指标来进一步评价加固件（1）与混凝土表面的剥离程度，如第一指标与第二指标结果均极小，则表明加固件（1）与混凝土表面的剥离程度不太严重；
所述第一指标的计算方法为：令多尺度排列熵衍生指标为第一指标DI1， 是通过压电陶瓷驱动器（3a）实测的信号在尺度下的排列熵数值；n为分析尺度的大小，n为正整数，尺度的取值为正整数；通过公式
Figure 355285DEST_PATH_IMAGE001
；计算多尺度排列熵衍生指标；计算获得的DI1的值越大，表示加固件（1）与混凝土表面脱粘程度越严重；
所述第二指标的计算方法为：令当前压电陶瓷检测单元（4）接收到的信号的第i小波包节点系数为ri，令表示加固件（1）与混凝土表面粘结状态良好状态下的压电陶瓷检测单元（4）接收到的信号的第i小波包节点系数；N表示小波包节点系数的个数，则第二指标DI2的计算公式为：
Figure 265472DEST_PATH_IMAGE002
；计算获得的DI2值越大，表示加固件（1）与混凝土表面脱粘程度越严重。
2.根据权利要求1所述的一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统，其特征在于：所述加固件（1）包括连接部和两安装部；两安装部相对且间隔设置，连接部设置在两安装部之间且分别与两安装部固定连接；信号驱动单元（3）的输出端设置在一安装部上，压电陶瓷检测单元（4）正对的设置在另一安装部上。
3.根据权利要求2所述的一种粘钢法混凝土界面粘结状态监测系统，其特征在于：所述信号驱动单元（3）包括信号发生器（10）和压电陶瓷驱动器（3a），信号发生器（10）与压电陶瓷驱动器（3a）电性连接；信号发生器（10）产生正弦扫频激励信号，传输至压电陶瓷驱动器（3a）后，由压电陶瓷驱动器（3a）产生应力波；正弦扫频激励信号的频率范围为100Hz—250kHz，幅值为1V；压电陶瓷检测单元（4）的采样时间为0.01s，采样频率为1MHz。
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