CN113959935A

CN113959935A - 一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置

Info

Publication number: CN113959935A
Application number: CN202111286303.0A
Authority: CN
Inventors: 张燕君; 王宗泽; 杨刘震; 王华杰; 付兴虎
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2041-11-02
Also published as: CN113959935B

Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置，涉及光纤光栅技术领域，包括盖板式基座、传感触头、两支除中心波长外其余参数完全相同的光纤Bragg光栅、弹片、楔形固定螺母、弹片固定压板、混凝土铸件。同时通过两根光栅之间进行温度互补偿，装置通过传感器触头和弹片配合将混凝土铸件和钢筋传递的厚度变化转化为传感光栅中心波长的变化，通过分析铸件和钢筋厚度的变化与传感光栅中心波长的变化关系进行腐蚀监测。装置不仅能监测混凝土铸件的开裂程度，在腐蚀初期钢筋结构的裂纹也可以通过传感器触头实时捕捉，降低了工艺的成本，可以做到实时预警，且监测点与试验环境一致，监测数据可靠。

Description

一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置

技术领域

本发明涉及光纤光栅技术领域，尤其是一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置，属于光纤传感技术。

背景技术

钢筋混凝土作为建筑结构的重要支撑，其腐蚀开裂造成的危害之大无法估计，据美国国家标准局统计，每年由于腐蚀带来的经济损失近700亿美元，随着物质需求的增长，这个数字将不断的增加，但其中有很大一部分可以通过运用现有的技术手段避免，腐蚀检测技术正适合运用于这种领域。通过实时的腐蚀监测，有利于更好的评价腐蚀状态，获得建筑结构的腐蚀信息，做到有效预警的同时，减少不必要的检查和维护，有利于成本的节约。钢筋的腐蚀造成的混凝土开裂一旦发生便是难以估计的灾害，但是由于混凝土的包裹，钢筋结构的腐蚀监测变得异常艰难，因此有必要探索和开发出适合钢筋混凝土结构的实时腐蚀监测技术。光纤光栅传感器测量灵敏度高，可以捕捉细小的裂纹产生，且其质量轻、抗干扰能力强、耐腐蚀，可以运用在多种复杂的环境中，而现有的基于光学设计腐蚀监测传感器，大多监测范围小，或者监测灵敏度低，基于电学设计的腐蚀监测传感器抗干扰能力差，或者只能监测均匀腐蚀等一系列问题，因此，设计一种有效监测钢筋混凝土结构的腐蚀监测传感器是十分必要的。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是长期实时可靠准确地监测混凝土中钢筋的腐蚀状态，不仅能实时监测混凝土中钢筋的腐蚀状态，同时也能够监测混凝土铸件的开裂，在腐蚀初期钢筋结构的裂纹也可以通过传感器触头实时捕捉，降低了工艺的成本，可以做到实时预警，且监测点与试验环境一致，监测数据可靠。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置，其特征在于：包括内部设置有连接块的盖板式基座、设置在盖板式基座内部的内嵌于连接块的传感触头、与传感触头相切的固定连接在盖板式基座上的弹片、对称粘接在弹片的两侧中心位置的两支光纤Bragg光栅、在盖板式基座的侧壁面上设置有穿透盖板式基座的侧壁面的光纤通孔，光纤设置在光纤通孔内。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述盖板式基座为长方体结构，盖板式基座的顶部盖设置有保护盖板，不含盖板的基座部分通过模具浇筑于钢筋上，使其与钢筋成为一个整体，在靠近光纤通孔一侧的盖板式基座内部结构中设置有一凸起长方体，还包括两个标准螺丝、两个楔形固定螺母和弹片固定压板，标准螺丝、楔形固定螺母和弹片固定压板将弹片固定在盖板式基座内部的长方体上。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述楔形固定螺母底侧设置有弹簧的矩形卡口，弹片固定压板中间设置有与光纤Bragg光栅相配合的凹槽。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述弹片为水平横截面为等腰三角形的等强度梁结构。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述两支光纤Bragg光栅的形状尺寸相同，二者的中心波长不同相同。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述基座的去盖板部分的材质为细颗粒混凝土；弹片的材质为经过淬火处理的铍青铜弹片或钛合金弹片；传感触头、基座盖板和弹片固定压板的材质为电木、双相钢、氧化锆、镍基合金或钛合金中的一种。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明实现对钢筋进行全寿命周期腐蚀监测，由于装置是与钢筋一起浇筑于混凝土内部，在装置埋入到失效一直处于工作状态，装置各部件都比较耐腐蚀，所以能实现全周期监测。

基座的去盖板部分通过是通过制作模具以细颗粒混凝土浇筑而成，混凝土铸件下部与钢筋弧度相一致，以便使混凝土铸件与钢筋紧密接触，传感触头内嵌于混凝土铸件中，在钢筋未腐蚀时，触头顶部与固定于基座内的弹片接触但无挤压，弹片采用等强度梁结构，在光栅粘贴于弹片表面时，不会因为受力不均而出现啁啾现象，并且对光栅的粘贴位置的要求进一步降低，进一步提高了装置的可靠性与稳定性。由于弹片在与触头刚接触时不受力，在忽略温度影响下，黏贴于弹片两侧的布拉格光栅的中心波长不发生漂移，当钢筋发生腐蚀时，腐蚀产物的体积远大于发生腐蚀的钢筋的体积，此时腐蚀产物挤压混凝土铸件，并通过传感触头作用于弹片，使弹片产生一定的挠度，布拉格光栅的中心波长变化量的差值与弹片的挠度成正比，而弹片的挠度又与钢筋腐蚀有关，通过布拉格光栅的中心波长变化量的差值与腐蚀程度之间的关系，通过双光栅通过差分补偿的方式消除了温度的影响，既可以实现腐蚀监测的目地。

装置在现场使用时，只需要将浇筑有此监测装置的钢筋直接用于施工即可，注意事项是钢筋使用时将监测装置盖板朝上安装即可。便于安装，成活率高，装置在现场使用时，只需要将浇筑有此监测装置的钢筋直接用于施工即可，注意事项是钢筋使用时将监测装置盖板朝上安装即可，所以安装方便，由于装置提前浇筑于钢筋表面，重要部件又在浇筑件内，成活率自然很高。

由于装置直接通过模具浇筑于钢筋表面，在钢筋使用时将装置盖板朝上安装即可，布设简单，装置的成活率大大提高。

灵敏度高，由于钢筋腐蚀时的腐蚀产物体积比发生腐蚀的钢筋的体积要大得多，布拉格光纤光栅本身灵敏度高，这也使装置的灵敏性很高。

监测结果准确可靠，由于装置是通过混凝土浇筑件来传递钢筋的腐蚀信息的，那么监测位置和非监测位置材料是一致的，监测结果更加准确可靠。

灵敏度可调，装置的灵敏度可以通过改变弹片的厚度来进行调节，厚度越小灵敏度越高。

本发明的装置成本低，基座的非盖板部分和连接块通过使用模具由混凝土浇筑制成，原材料便宜。

所述弹片固定压板中间设置有凹槽，便于将光纤光栅通向装置外。

附图说明

图1是本发明的装配体结构示意图；

图2是本发明的内部结构图；

图3是本发明的盖板式基座结构示意图；

图4是本发明的传感触头结构示意图；

图5是本发明的楔形固定螺母结构示意图；

图6是本发明的弹片结构示意图；

图7是本发明的弹片固定压板结构示意图；

图8是本发明的混凝土铸件结构示意图；

其中，1、盖板式基座，2、基座盖板，3、试验钢筋，4、传感触头，5、钢筋过孔，6、楔形固定螺母，7、弹片，8、光纤Bragg光栅，10、弹片固定压板，11、混凝土铸件，12、固定标准螺丝，13、光纤光栅通孔，14、螺母矩形卡口。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1、2所示，一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置，包括盖板式基座1、基座盖板2、传感触头4、楔形固定螺母6、弹片7、两支光纤Bragg光栅8、弹片固定压板10，混凝土铸件11。所述盖板式基座1的右侧开有一个光纤通孔13，在其中间开有梯形平台，平台右侧有一突起长方体底座，在其上有两个螺丝孔，在两个螺丝孔底部开有两个矩形槽，用来放置楔形固定螺母6，盖板式基座1的左侧与通孔相通，用来放置混凝土铸件11，在靠近其底部的位置有一贯穿的通孔，就是钢筋过孔5，用来放置待测钢筋，将试验钢筋放置于基座的模具中，进行整体的浇筑，获得贴合紧密的钢筋混凝土结构。所述监测装置的矩形基座可根据监测金属表面的不同，设计与其相配合的结构，以方便安装。

基座的去盖板部分通过是通过制作模具以细颗粒混凝土浇筑而成，混凝土铸件下部与钢筋弧度相一致，以便使混凝土铸件与钢筋紧密接触，传感触头内嵌于混凝土铸件中，在钢筋未腐蚀时，触头顶部与固定于基座内的弹片接触但无挤压，弹片采用等强度梁结构，在光栅粘贴于弹片表面时，不会因为受力不均而出现啁啾现象，并且对光栅的粘贴位置的要求进一步降低，进一步提高了装置的可靠性与稳定性。由于弹片在与触头刚接触时不受力，在忽略温度影响下，黏贴于弹片两侧的布拉格光栅的中心波长不发生漂移，当钢筋发生腐蚀时，腐蚀产物的体积远大于发生腐蚀的钢筋的体积，此时腐蚀产物挤压混凝土铸件，并通过传感触头作用于弹片，使弹片产生一定的挠度，布拉格光栅的中心波长变化量的差值与弹片的挠度成正比，而弹片的挠度又与钢筋腐蚀有关，通过布拉格光栅的中心波长变化量的差值与腐蚀程度之间的关系，既可以实现腐蚀监测的目地（双光栅通过差分补偿的方式消除了温度的影响）。

通过两个固定标准螺丝12、两个楔形固定螺母6以及一个弹片固定压板10将弹片7固定在基座的梯形平台上、弹片7的两侧对称胶粘两支Bragg光栅8通过光纤光栅通孔13与外界相连、楔形固定螺母6通过其矩形卡口14固定在基座1梯形平台的凹槽中、混凝土铸件11放置在梯形平台旁的通孔内与试验钢筋3接合、试验钢筋3通过钢筋过孔5放置于基座1之中。

如图2所示，两支光纤Bragg光栅8除中心波长外其余参数完全相同。将其对称粘接在弹片7的两侧，用两支光栅的目的是进行温度补偿，两支光纤Bragg光栅8通过光纤通孔13通向装置外侧，并连接解调仪。

如图1、2、3所示，盖板式基座1、2右侧开有一个光纤通孔13，在其中间开有梯形平台，平台右侧有一突起长方体底座，在其上有两个螺丝孔，在两个螺丝孔底部开有两个矩形槽，用来放置楔形固定螺母6，盖板式基座1、2左侧与通孔5相通，用来放置混凝土铸件11，在靠近其底部的位置有一贯穿的通孔5，用来放置待测钢筋3。

如图3、4、5、6、7所示，弹片7为等强度梁结构，弹片7的两侧对称粘贴两支光纤Bragg光栅8的作为传感光栅，弹片7上的两支光栅进行温度互补偿，用两个标准螺丝12、两个楔形固定螺母6和弹片固定压板10将弹片7固定在基座的梯形平台上，楔形固定螺母6底侧是装有弹簧的矩形卡口14，卡口14装配时卡进基座1底侧的凹槽中，起到便于安装固定的效果，弹片固定压板10开有凹槽，便于保护光纤光栅不受破坏。

如图1、2、4、6、8所示，混凝土铸件11通过模具制成与试验钢筋紧密贴合，插入到基座1中与试验钢筋3紧密贴合，铸件11上设置有柱型凹槽，传感触头4嵌入其中，提升弹片7传感监测的灵敏度。

弹片7和金属探头4的材质为经过淬火处理的铍青铜弹片或钛合金弹片；盖板式基座1、2、弹片固定压板10的材质选自电木、双相钢、光敏树脂、氧化锆、镍基合金或钛合金中的一种。

Claims

1.一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置，其特征在于：包括内部设置有连接块（11）的盖板式基座（1）、设置在盖板式基座（1）内部的内嵌于连接块（11）的传感触头（4）、与传感触头（4）相切的固定连接在盖板式基座（1）上的弹片（7）、对称粘接在弹片（7）的两侧中心位置的两支光纤Bragg光栅（8）、在盖板式基座（1）的侧壁面上设置有穿透盖板式基座（1）的侧壁面的光纤通孔（13），光纤设置在光纤通孔（13）内。

2.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置，其特征在于：所述盖板式基座（1）为长方体结构，盖板式基座（1）的顶部盖设置有保护盖板（2），不含盖板的基座部分通过模具浇筑于钢筋（3）上，使其与钢筋（3）成为一个整体，在靠近光纤通孔（13）一侧的盖板式基座（1）内部结构中设置有一凸起长方体，还包括两个标准螺丝（12）、两个楔形固定螺母（6）和弹片固定压板（10），标准螺丝（12）、楔形固定螺母（6）和弹片固定压板（10）将弹片（7）固定在盖板式基座（1）内部的长方体上。

3.根据权利要求2所述的一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置，其特征在于：所述楔形固定螺母（6）底侧设置有弹簧的矩形卡口（14），弹片固定压板（10）中间设置有与光纤Bragg光栅（8）相配合的凹槽。

4.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置，其特征在于：所述弹片（7）为水平横截面为等腰三角形的等强度梁结构。

5.根据权利要求1所述的一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置，其特征在于：所述两支光纤Bragg光栅（8）的形状尺寸相同，二者的中心波长不同相同。

6.根据权利要求2所述的一种钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测装置，其特征在于：所述基座（1）的去盖板部分的材质为细颗粒混凝土；弹片（7）的材质为经过淬火处理的铍青铜弹片或钛合金弹片；传感触头（4）、基座盖板（1）和弹片固定压板（10）的材质为电木、双相钢、氧化锆、镍基合金或钛合金中的一种。