CN114577593B - 基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，包括弯曲加载装置、预应力混凝土试件、力传感器、应变片、声发射传感器和数据采集设备，按照预定位置安装好后，对预应力混凝土试件进行弯曲试验，记录载荷数据、声发射数据和应力‑应变数据；得到累计声发射能量/累计振铃计数时间曲线和载荷时间曲线，找到累计声发射能量/累计振铃计数时间曲线和载荷时间曲线斜率第一次突变的点，该点即为起拉载荷，所对应的弯矩即为预应力混凝土试件的消压弯矩。该方法采用弹性波和消压弯矩的特点，对预应力构件的消压弯矩进行评估，实现无损检测，且实验过程简单高效。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土结构无损检测领域，具体的说，涉及了一种基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，以及装置。
背景技术
预应力混凝土结构常因施工质量及后期运营期间的超载等不确定性因素，出现预应力损失。预应力混凝土梁的消压弯矩是指在截面现存有效预应力作用下，使该截面预压区混凝土最外缘纤维现存有效预压应力抵消为零时所需施加的弯矩。开裂弯矩需要克服下缘混凝土的极限拉应变，而消压弯矩则不需要考虑极限拉应变。所以，消压弯矩一般都比开裂弯矩小一些，其差别可反映混凝土极限拉应变的大小并可用来推算混凝土的抗拉强度。
预应力混凝土消压弯矩的确定是预应力混凝土破坏模式识别中的重要内容，对正确评价预应力混凝土的抗弯性能及预应力大小的判断起着至关重要的作用。
目前，还没有合适的方法能够通过试验直接得到消压弯矩。
周正茂等提出通过先加载将跨中截面下缘拉裂，然后卸载再重新加载的方法推求消压弯矩。由于该方法采用的是传统的试验弯矩--受拉区纤维应力增量的方法，期间进行了近似推倒，不够精确。
韩之江等人提出的凿除钢筋保护层后，在纵向钢筋表面布置应变计的方法可以实验测出消压弯矩，但凿除钢筋表面混凝土的方法在实际结构中并不适用。
因此需要一种新的无损检测技术解决上述问题。
发明内容
本发明借助结构内部发出的弹性波来判断材料或者结构内部的受力状态变化，可以在不损伤试件结构的情况下对试件的消压弯矩进行评估，实现无损检测；实验中借助消压弯矩发生在声发射数据的第一次突变点所对应的时刻的特点，同步检测应变数据和载荷数据，利用载荷数据和应变数据在同一时刻的数值和试件的尺寸，计算出消压弯矩的具体数值。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，包括弯曲加载装置、预应力混凝土试件、力传感器、应变片、声发射传感器和数据采集设备，并通过以下步骤实施：
步骤1)安装：将预应力混凝土试件放置在弯曲加载装置上，将力传感器安装在预应力混凝土试件的施加载荷位置，声发射传感器安装于预应力混凝土试件底部和侧面的跨中位置，应变片粘贴在预应力混凝土试件的弯曲部；
步骤2)测量：操作弯曲加载装置，对预应力混凝土试件进行弯曲试验，采用数据采集设备采集并记录力传感器的载荷数据、采集并记录声发射传感器的声发射数据和应变片的应力-应变数据；
步骤3)数据处理：将声发射数据和载荷数据进行处理和分析，得到累计声发射能量/累计振铃计数时间曲线和载荷时间曲线，从累计声发射能量/累计振铃计数时间曲线中找到斜率第一次突变的点，该点即为预应力混凝土试件所受载荷FP与预应力混凝土试件底部所受预压应力的相互抵消点；
步骤4)计算：根据预应力混凝土试件的截面尺寸和预应力混凝土试件底部所受预压应力与所受荷载Fp的平衡点，即可计预应力混凝土试件的消压弯矩。
基上所述，所述的预应力混凝土试件预先按照实验规定的要求进行制作和养护，在试验前，养护龄期不小于28天。
基上所述，所述声发射传感器与预应力混凝土试件粘贴处涂凡士林做耦合剂。
基上所述，声发射传感器在试验前做“断铅”标定。
基上所述，所述弯曲试验为三点弯曲实验或四点弯曲实验，三点弯曲实验所对应的消压弯矩计算公式为四点弯曲实验所对应的消压弯矩计算公式为/>
一种基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，包括弯曲加载装置、预应力混凝土试件、力传感器、应变片、声发射传感器和数据采集设备，并通过以下步骤实施：
步骤1)安装：将预应力混凝土试件放置在弯曲加载装置上，将力传感器安装在预应力混凝土试件的施加载荷位置，声发射传感器安装于预应力混凝土试件底部和侧面的跨中位置，应变片粘贴在预应力混凝土试件的弯曲部；
步骤2)测量：操作弯曲加载装置，对预应力混凝土试件进行弯曲试验，采用数据采集设备采集并记录力传感器的载荷数据、采集并记录声发射传感器的声发射数据和应变片的应力-应变数据；
步骤3)数据处理：将声发射数据和应力-应变数据进行处理和分析，得到累计声发射能量/累计振铃计数时间曲线和应变时间曲线，从累计声发射能量/累计振铃计数时间曲线中找到斜率第一次突变的点，该点所对应的弯矩即为预应力混凝土试件的消压弯矩；
步骤4)计算：根据预应力混凝土试件的应变数据和预应力混凝土试件的尺寸，即可计预应力混凝土试件的消压弯矩公式中：E为弹性模量，ξ为测点应变，Iz为试件的截面惯性矩，y为试件形心到测点截面的距离。
基上所述，所述的预应力混凝土试件预先按照实验规定的要求进行制作和养护，在试验前，养护龄期不小于28天。
基上所述，所述声发射传感器与预应力混凝土试件粘贴处涂凡士林做耦合剂。
基上所述，声发射传感器在试验前做“断铅”标定。
一种基于声发射技术的预应力混凝土梁消压弯矩的装置，包括弯曲加载装置、力传感器、应变片、声发射传感器和数据采集设备，所述弯曲加载装置为三点弯曲实验装置或四点弯曲实验装置，所述力传感器用于安装在弯曲加载装置相对试件的施加载荷位置，所述声发射传感器用于安装于试件的底部和侧面的跨中位置，所述应变片用于粘贴在试件的弯曲部。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明利用消压弯矩一般比开裂弯矩小一些，且消压弯矩不需要考虑极限拉应变(开裂弯矩需要考虑极限拉应变)的特点，结合声发射传感器应用于混凝土构件中可以通过弹性波来判断材料或者结构内部的受力状态变化的特点，对预应力混凝土试件进行弯曲实验，找到声发射数据中累计声发射能量相对时间的曲线斜率首次突变的点，该时间下也就是预应力混凝土试件所受载荷与预应力混凝土底部所受预压力的平衡点，进而可以进行消压弯矩的计算。
其中，载荷时间曲线若在现场试验时无法直接测量，可以用应变时间曲线进行代替；
声发射数据的累积能量时间曲线也可以采用累计振铃计数时间曲线进行代替。
附图说明
图1是本发明中基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法的流程图。
图2是本发明中基于声发射技术的预应力混凝土梁消压弯矩的试验布置图。
图3是本发明中的累计声发射能量时间曲线图。
图4是本发明中的载荷时间曲线图。
图中：1.弯曲加载装置；2.预应力混凝土试件；3.力传感器；4.应变片；5.声发射传感器。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
一种基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，包括弯曲加载装置1、预应力混凝土试件2、力传感器3、应变片4、声发射传感器5和数据采集设备，并通过以下步骤实施：
试件要求：按照混凝土试件成型和养护方法的有关规定对试件进行制作和养护，混凝土四点弯曲梁进行声发射测试时其养护龄期不小于28天；
试验前，将预应力混凝土梁清理干净，并将粘贴应变片和声发射传感器的位置打磨干净，连接好声发射仪和应变荷载采集系统。
步骤1)安装：将预应力混凝土试件2放置在弯曲加载装置1上，将力传感器3安装在预应力混凝土试件2的施加载荷位置，声发射传感器5安装于预应力混凝土2试件底部和侧面的跨中位置，应变片4粘贴在预应力混凝土试件2的弯曲部，其中，按照规范要求粘贴混凝土应变片，在声发射传感器粘贴位置处涂上凡士林做耦合剂，并将声发射传感器粘贴到试件表面，且保证声发射传感器和混凝土试件表面紧密贴合；
进行声发射传感器“断铅”标定，确保声发射传感器可以采集到信号，设定门槛值滤除实验室噪音；弯曲加载装置可以是三点弯曲或四点弯曲加载装置，区别仅在于计算消压弯矩时的公式不同。
步骤2)测量：操作弯曲加载装置1，对预应力混凝土试件2进行弯曲试验，采用数据采集设备采集并记录力传感器3的载荷数据、采集并记录声发射传感器5的声发射数据和应变片4的应力-应变数据。
步骤3)数据处理：将声发射数据和载荷数据进行处理和分析，得到累计声发射能量时间曲线和载荷时间曲线，从累计声发射能量时间曲线中找到斜率第一次突变的点，该点即为预应力混凝土试件所受载荷FP与预应力混凝土试件底部所受预压应力的相互抵消点，而预应力混凝土梁的消压弯矩是指在截面现存有效预应力作用下，使该截面预压区混凝土最外缘纤维现存有效预压应力抵消为零时所需施加的弯矩，因此，可以基于此刻的载荷数据，进行消压弯矩的计算。
步骤4)计算：根据预应力混凝土试件的截面尺寸和预应力混凝土试件底部所受预压应力与所受荷载Fp的平衡点，即可计预应力混凝土试件的消压弯矩，三点弯曲实验所对应的消压弯矩计算公式为四点弯曲实验所对应的消压弯矩计算公式为
本实施例中，根据消压弯矩相对开裂弯矩小，且能够引起结构内部的弹性波产生显著变化的特点，采用声传感器检测发生首次显著变化的时机，即累计声发射能量时间曲线上的第一次曲线斜率突变的时机，再结合载荷时间曲线，得到对应时间点的载荷数值，进而计算出消压弯矩。
本实施例属于无损检测，且整个过程简单高效，操作方便。
实施例2
一种基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，包括弯曲加载装置1、预应力混凝土试件2、力传感器3、应变片4、声发射传感器5和数据采集设备，并通过以下步骤实施：
试件要求：按照混凝土试件成型和养护方法的有关规定对试件进行制作和养护，混凝土四点弯曲梁进行声发射测试时其养护龄期不小于28天；
试验前，将预应力混凝土梁清理干净，并将粘贴应变片和声发射传感器的位置打磨干净，连接好声发射仪和应变，荷载采集系统。
步骤1)安装：将预应力混凝土试件2放置在弯曲加载装置1上，将力传感器3安装在预应力混凝土试件2的施加载荷位置，声发射传感器5安装于预应力混凝土2试件底部和侧面的跨中位置，应变片4粘贴在预应力混凝土试件2的弯曲部，其中，按照规范要求粘贴混凝土应变片，在声发射传感器粘贴位置处涂上凡士林做耦合剂，并将声发射传感器粘贴到试件表面，且保证声发射传感器和混凝土试件表面紧密贴合；
进行声发射传感器“断铅”标定，确保声发射传感器可以采集到信号，设定门槛值滤除实验室噪音；弯曲加载装置可以是三点弯曲或四点弯曲加载装置，区别仅在于计算消压弯矩时的公式不同。
步骤2)测量：操作弯曲加载装置1，对预应力混凝土试件2进行弯曲试验，用数据采集设备采集并记录力传感器3的载荷数据、采集并记录声发射传感器5的声发射数据和应变片4的应力-应变数据。
步骤3)数据处理：将声发射数据和载荷数据进行处理和分析，得到累计振铃计数时间曲线和载荷时间曲线，从累计振铃计数时间曲线中找到斜率第一次突变的点，该点即为预应力混凝土试件所受载荷FP与预应力混凝土试件底部所受预压应力的相互抵消点，而预应力混凝土梁的消压弯矩是指在截面现存有效预应力作用下，使该截面预压区混凝土最外缘纤维现存有效预压应力抵消为零时所需施加的弯矩，因此，可以基于此刻的载荷数据，进行消压弯矩的计算。
步骤4)计算：根据预应力混凝土试件的截面尺寸中的预应力混凝土试件的长度L和预应力混凝土试件底部所受预压应力的平衡点处所受载荷FP，即可计预应力混凝土试件的消压弯矩，三点弯曲实验所对应的消压弯矩计算公式为四点弯曲实验所对应的消压弯矩计算公式为/>其中，L为预应力混凝土试件的长度。
本实施例中，改用累计振铃计数时间曲线来代替累计声发射能量时间曲线，来作为判断消压弯矩的时机，其它部分与实施例1相同。
实施例3
一种基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，包括弯曲加载装置1、预应力混凝土试件2、力传感器3、应变片4、声发射传感器5和数据采集设备，并通过以下步骤实施：
试件要求：按照混凝土试件成型和养护方法的有关规定对试件进行制作和养护，混凝土四点弯曲梁进行声发射测试时其养护龄期不小于28天；
试验前，将预应力混凝土梁清理干净，并将粘贴应变片和声发射传感器的位置打磨干净，连接好声发射仪和应变，荷载采集系统。
步骤1)安装：将预应力混凝土试件2放置在弯曲加载装置1上，将力传感器3安装在预应力混凝土试件2的施加载荷位置，声发射传感器5安装于预应力混凝土2试件底部和侧面的跨中位置，应变片4粘贴在预应力混凝土试件2的弯曲部，其中，按照规范要求粘贴混凝土应变片，在声发射传感器粘贴位置处涂上凡士林做耦合剂，并将声发射传感器粘贴到试件表面，且保证声发射传感器和混凝土试件表面紧密贴合；
进行声发射传感器“断铅”标定，确保声发射传感器可以采集到信号，设定门槛值滤除实验室噪音；弯曲加载装置可以是三点弯曲或四点弯曲加载装置，区别仅在于计算消压弯矩时的公式不同。
步骤2)测量：操作弯曲加载装置，对预应力混凝土试件进行弯曲试验，采用数据采集设备采集并记录力传感器的载荷数据、采集并记录声发射传感器的声发射数据和应变片的应力-应变数据；
步骤3)数据处理：将声发射数据和应力-应变数据进行处理和分析，得到累计声发射能量时间曲线和应变时间曲线，从累计声发射能量时间曲线中找到斜率第一次突变的点，该点所对应的弯矩即为预应力混凝土试件的消压弯矩；
步骤4)计算：根据预应力混凝土试件的应变数据和预应力混凝土试件的尺寸，即可计预应力混凝土试件的消压弯矩公式中：E为弹性模量，ξ为测点应变，Iz为试件的截面惯性矩，y为试件形心到测点截面的距离。其中，h为预应力混凝土试件的高度。
本实施例中，采用应变时间曲线代替载荷时间曲线，解决载荷时间曲线在现场试验中无法直接测量的问题，同时改变了计算公式。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，其特征在于：包括弯曲加载装置、预应力混凝土试件、力传感器、应变片、声发射传感器和数据采集设备，并通过以下步骤实施：
步骤1)安装：将预应力混凝土试件放置在弯曲加载装置上，将力传感器安装在预应力混凝土试件的施加载荷位置，声发射传感器安装于预应力混凝土试件底部和侧面的跨中位置，应变片粘贴在预应力混凝土试件的弯曲部；
步骤2)测量：操作弯曲加载装置，对预应力混凝土试件进行弯曲试验，采用数据采集设备采集并记录力传感器的载荷数据、采集并记录声发射传感器的声发射数据和应变片的应力-应变数据；
步骤3)数据处理：将声发射数据和载荷数据进行处理和分析，得到累计声发射能量/累计振铃计数时间曲线和载荷时间曲线，从累计声发射能量/累计振铃计数时间曲线中找到斜率第一次突变的点，该点即为预应力混凝土试件所受载荷FP与预应力混凝土试件底部所受预压应力的相互抵消点；
步骤4)计算：根据预应力混凝土试件的截面尺寸和预应力混凝土试件底部所受预压应力与所受荷载Fp的平衡点，即可计预应力混凝土试件的消压弯矩；所述弯曲试验为三点弯曲实验或四点弯曲实验，三点弯曲实验所对应的消压弯矩计算公式为四点弯曲实验所对应的消压弯矩计算公式为/>
2.根据权利要求1所述的基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，其特征在于：所述的预应力混凝土试件预先按照实验规定的要求进行制作和养护，在试验前，养护龄期不小于28天。
3.根据权利要求1或2所述的基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，其特征在于：所述声发射传感器与预应力混凝土试件粘贴处涂凡士林做耦合剂。
4.根据权利要求3所述的基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，其特征在于：声发射传感器在试验前做“断铅”标定。
5.一种基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，其特征在于：包括弯曲加载装置、预应力混凝土试件、力传感器、应变片、声发射传感器和数据采集设备，并通过以下步骤实施：
步骤1)安装：将预应力混凝土试件放置在弯曲加载装置上，将力传感器安装在预应力混凝土试件的施加载荷位置，声发射传感器安装于预应力混凝土试件底部和侧面的跨中位置，应变片粘贴在预应力混凝土试件的弯曲部；
步骤2)测量：操作弯曲加载装置，对预应力混凝土试件进行弯曲试验，采用数据采集设备采集并记录力传感器的载荷数据、采集并记录声发射传感器的声发射数据和应变片的应力-应变数据；
步骤3)数据处理：将声发射数据和应力-应变数据进行处理和分析，得到累计声发射能量/累计振铃计数时间曲线和应变时间曲线，从累计声发射能量/累计振铃计数时间曲线中找到斜率第一次突变的点，该点所对应的弯矩即为预应力混凝土试件的消压弯矩；
步骤4)计算：根据预应力混凝土试件的应变数据和预应力混凝土试件的尺寸，即可计预应力混凝土试件的消压弯矩公式中：E为弹性模量，ξ为测点应变，Iz为试件的截面惯性矩，y为试件形心到测点截面的距离。
6.根据权利要求5所述的基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，其特征在于：所述的预应力混凝土试件预先按照实验规定的要求进行制作和养护，在试验前，养护龄期不小于28天。
7.根据权利要求5或6所述的基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，其特征在于：所述声发射传感器与预应力混凝土试件粘贴处涂凡士林做耦合剂。
8.根据权利要求7所述的基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，其特征在于：声发射传感器在试验前做“断铅”标定。
9.一种基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定装置，其特征在于：用于实施权利要求1-8任一项所述的基于声发射的预应力混凝土梁消压弯矩的确定方法，包括弯曲加载装置、力传感器、应变片、声发射传感器和数据采集设备，所述弯曲加载装置为三点弯曲实验装置或四点弯曲实验装置，所述力传感器用于安装在弯曲加载装置相对试件的施加载荷位置，所述声发射传感器用于安装于试件的底部和侧面的跨中位置，所述应变片用于粘贴在试件的弯曲部。
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