CN207198096U - 一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统，通过在待检测混凝土梁内部设置作为压电陶瓷驱动器的智能骨料，以及在智能骨料相应位置处的加固钢板外侧粘贴作为压电陶瓷传感器的压电陶瓷片，通过外加激励信号驱动压电陶瓷驱动器，同时记录下压电陶瓷传感器的接收信号，加固钢板与混凝土之间的剥离都可能给这个接收信号带来变化，通过峰值信号与信号函数发生器发射信号初始值进行对比从而得到待检测混凝土梁的内部情况，本实用新型具有传感灵敏、安全可靠、测量范围大的优点；同时实现了水平和竖直双向激励和采集信号的功能，实现了对加固钢板的剥离情况的主动监测，从而实现真正意义上的全寿命健康监测。

Description

一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统

技术领域

本实用新型属于土木工程结构健康检测领域，具体一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统。

背景技术

混凝土梁桥结构在桥梁结构占有重要地位，但是，由于使用荷载和各种突发性因素的共同影响，从服役开始就面临着结构损伤的问题，如混凝土梁跨中的竖向裂缝以及不同剪跨比的混凝土梁在剪弯区产生的各种斜裂缝，当损伤累积到一定程度会造成结构抗力的衰减，严重地降低结构的安全性、适用性和耐久性，极端情况下还会导致整个结构的破坏。

此外，对于出现损伤的梁桥结构，采取适当的加固处理措施，可使结构一定程度上恢复原有可靠度，并延长使用寿命，这样做无疑具有重大的社会效益和经济效益。从实际工程来看，加固梁的破坏由加固钢板与混凝土梁发生剥离，而导致加固梁的早期破坏，这类破坏具有脆性材料的破坏特点，破坏发生很突然，破坏前没有先兆，并且由于混凝土结构隐藏在粘贴钢板内部，所以当内部混凝土与粘贴钢板之间出现剥离等问题时是很难直接观察到的。

目前对加固钢板混凝土剥离检测的方法有光纤法和超声波法。然而光纤抗剪能力差，传感测试系统价格昂贵，而超声波检测需要耦合介质使声能透入被测物，对操作人员的技术水平有较高要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统，包括置于待检测混凝土梁内部智能骨料以及固定在待检测混凝土梁底部的加固钢板，加固钢板两端通过U型箍板固定在待检测混凝土梁上，加固钢板下端设有压电陶瓷传感器，压电陶瓷传感器位于待检测混凝土梁内的智能骨料正下方，压电陶瓷传感器连接有信号采集模块，信号采集模块连接有信号处理模块，智能骨料通过高压信号放大器连接有信号函数发生器；信号函数发生器用于检测信号的发射，高压信号放大器用于检测信号的放大，信号采集模块用于通过压电陶瓷传感器进行信号采集，信号处理模块用于对信号采集模块采集的信号进行处理并将处理结果保存与公示。

进一步的，待检测混凝土梁与加固钢板之间通过环氧树脂胶层粘结。

进一步的，U型箍板通过预埋在混凝土梁内的胶锚螺栓组固于混凝土梁上，胶锚螺栓组与U型箍板之间垫钢压条，胶锚螺栓组包括预埋在待检测混凝土梁内的螺栓和锁紧螺母。

进一步的，每个智能骨料正下方设有两个压电陶瓷传感器，两个压电陶瓷传感器分别与对应其正上方的智能骨料各组成一套监测系统。

进一步的，智能骨料包括L型压电陶瓷片，L型压电陶瓷片表面依次设有硅胶防水层和水泥砂浆层，L型压电陶瓷片外侧包覆有硅胶防水层，L型压电陶瓷片连接有屏蔽导线。

进一步的，信号发生器发射频率为100Hz-1MHz的高斯脉冲扫频信号，产生信号为扫频正弦波，扫频模式为线性扫频。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统，通过在待检测混凝土梁内部设置作为压电陶瓷驱动器的智能骨料，以及在智能骨料相应位置处的加固钢板外侧粘贴作为压电陶瓷传感器的压电陶瓷片，通过外加激励信号驱动压电陶瓷驱动器，同时记录下压电陶瓷传感器的接收信号，加固钢板与混凝土之间的剥离都可能给这个接收信号带来变化，通过峰值信号与信号函数发生器发射信号初始值进行对比从而得到待检测混凝土梁的内部情况，本实用新型具有传感灵敏、安全可靠、测量范围大的优点；本实用新型结构形式简单，功率大，可以适用于监测不同剪跨比的混凝土梁中产生的各种斜向裂缝和跨中裂缝，同时实现了水平和竖直双向激励和采集信号的功能，实现了对加固钢板的剥离情况的主动监测，从而实现真正意义上的全寿命健康监测。

进一步的，加固钢板下端正对待检测混凝土梁内的智能骨料设有两个压电陶瓷传感器，两个压电陶瓷传感器分别与同一个智能骨料配套组成监测系统，对于损伤较大，需要进行加固的混凝土梁，在加固钢板外侧粘贴多个压电陶瓷传感器，并在加固钢板与传感器之间设有绝缘层，充分利用L型压电陶瓷同时具有水平和竖直双向激励和采集信号的功能，通过高频信号激励智能骨料,由高频信号采集系统采集加固钢板上传感器的输出信号并将该信号数据传至计算机分析系统，再次采用基于时间反演的信号分析方法，经损伤识别系统对加固钢板各个传感器所在位置的剥离状态进行评估。

附图说明

图1为本实用新型装置连接结构示意图。

图2为图1左视图。

图3为本实用新型剥离加固钢板结构示意图。

图4为本实用新型系统流程结构示意图。

其中，1、待检测混凝土梁；2、智能骨料；3、加固钢板；4、环氧树脂胶层；5、U型箍板；6、胶锚螺栓组；7、压电陶瓷传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

如图1、图2所示，一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统，包括置于待检测混凝土梁1内部作为压电陶瓷驱动器的智能骨料2以及固定在待检测混凝土梁底部的加固钢板3，待检测混凝土梁1与加固钢板3之间通过环氧树脂胶层4粘结，环氧树脂胶具有强度高、粘结力强、耐老化、线膨胀系数小又具有一定的弹性的特点，有强力的粘结性，加固钢板3两端通过U型箍板5固定在待检测混凝土梁1上，U型箍板5通过预埋在混凝土梁内的胶锚螺栓组6固于混凝土梁上，胶锚螺栓组6与U型箍板5之间垫钢压条8，胶锚螺栓组6包括预埋在待检测混凝土梁1内的螺栓和锁紧螺母，加固钢板3下端正对待检测混凝土梁1内的智能骨料2设有两个压电陶瓷传感器7，两个压电陶瓷传感器7分别与同一个智能骨料2配套组成监测系统，压电陶瓷传感器连接有信号采集模块，信号采集模块连接有信号处理模块，智能骨料作为压电陶瓷驱动器通过高压信号放大器连接有信号函数发生器；信号采集模块通过屏蔽导线与压电陶瓷传感器连接，信号采集模块连接于信号处理模块，信号函数发生器经高压信号放大器与压电陶瓷驱动器连接，信号函数发生器用于检测信号的发射，高压信号放大器用于检测信号的放大，信号采集模块用于通过压电陶瓷传感器进行信号采集，信号处理模块用于对信号采集模块采集的信号进行处理并将处理结果保存与公示；

智能骨料包括L型压电陶瓷片，L型压电陶瓷片表面依次设有硅胶防水层和水泥砂浆层，L型压电陶瓷片外侧包覆有硅胶防水层，L型压电陶瓷片连接有屏蔽导线；

如图3、图4所示，一种用于混凝土梁加固钢板剥离的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，将智能骨料预埋入待检测混凝土梁内，安装好加固钢板后，在对应待检测混凝土梁内的智能骨料的加固钢板下方贴设两个压电陶瓷传感器，

步骤2，利用信号函数发生器产生的信号经由高压放大器对压电陶瓷驱动器进行激励，由压电陶瓷传感器接收；

步骤3，通过与压电陶瓷传感器连接的信号处理模块将收集到的信号进行分析得到峰值信号，与信号函数发生器发射信号初始值作对比，如果得到的峰值信号小于信号函数发生器发射信号初始值，说明待检测混凝土梁1处于失效状态，如果得到的峰值信号等于信号函数发生器发射信号初始值，说明待检测混凝土梁处于健康状态。

步骤2中，通过TRM分析方法进行信号函数处理，

首先由信号函数发生器发出一个高斯脉冲x(t)到压电陶瓷驱动器，根据压电效应发出应力波，传至压电陶瓷传感器，

定义损伤识别检测系统的系统响应函数为h(t)，压电陶瓷传感器接收到的输入信号为y(t)，则其可以表示为：

其中为卷积运算符，t为时间；

将接收到的信号进行时间反演，其信号变为：

然后将经反演后的信号作为发射源，由压电陶瓷传感器传回压电陶瓷驱动器，由于压电陶瓷片的正逆压电效应，压电陶瓷传感器和压电陶瓷驱动器的功能可以进行互换，在时域上对所接受到的信号进行逆序操作，将目标声波或电磁波信号进行反转再发送，则得到其聚焦信号y_f(t)，其表达式为：

式中，为系统响应的自相关函数，也成为时间反演算子；

由卷积与相关性原理可知，y_f(t)也可以表达如下：

式中⊙表示相关运算(同或运算符)，

因为脉冲信号通常是以时间轴对称的，因此x(t)＝x(-t)，所以y_f(t)也可以被写为：

从上式可以看出，经时间反演处理的h(t)⊙h(t)是自相关偶函数，可定义：

τ为随时变化的信号值，当t＝0时可变换为：

由上式可以看出，当t＝0时，函数达到其最大值，其最大值为信号的能量，且只和系统本身有关，因此其峰值具有良好的抗噪性。

步骤3中，采用信号峰值能量峰值来定义表征结构损伤程度的损伤指数，采用信号峰值能量作为特征参量表征结构损伤程度可以提高损伤识别的灵敏度，采用“健康状态”作为压电智能混凝土结构主动健康检测的状态检测，“健康状态”是损伤进一步评判的基础。

结构的相对健康程度定义为：

式中，E_h为健康状态下的能量作为基准信号，E_i为结构处于某一损伤状态下的信号能量，X_i(n)和X_h(n)分别为结构健康状态和损伤状态下传感器采集到的离散信号；

H_i的取值范围在0～1之间。当H_i＝1，表示待检测混凝土梁处于健康状态，当H_i＝0，表示待检测混凝土梁处于功能完全失效状态。利用H_i定义结构损伤指数D_i，D_i数值越高，说明待检测混凝土梁损伤越严重。

信号发生器发射频率为100Hz-1MHz的高斯脉冲扫频信号，产生信号为扫频正弦波，扫频模式为线性扫频。

智能骨料同时具有水平和竖直双向激励和采集信号的功能，既可作为压电陶瓷驱动器，又可作为压电陶瓷传感器；既可实现对混凝土梁跨中裂缝的检测，又可实现对各种剪跨比的混凝土梁的剪弯区的斜裂缝的检测。

实施例

混凝土梁的截面尺寸为0.2m×0.4m，长度为3m，将事先预制好的智能骨料SA1、SA2、SA3、SA4、SA5、SA6埋入混凝土梁中，压电陶瓷传感器通过屏蔽导线与信号采集系统连接，该信号采集系统连接计算机分析系统，信号函数发生器经高压信号放大器与压电陶瓷驱动器连接。

为检验方法有效性，在浇筑混凝土前，在裂缝区域内粘贴一块薄泡沫板用以模拟损伤区域。

在智能骨料相应位置处的加固钢板外侧粘贴作为压电陶瓷传感器的压电陶瓷片，每个智能骨料相对应两个压电陶瓷片，在所述压电陶瓷片的粘贴位置预先涂有绝缘层，所述绝缘层为一层均匀的环氧树脂绝缘层。

信号函数发生器产生信号为扫频正弦波，信号的频率变化范围从100Hz至10kHz，扫频模式为线性扫频，由信号函数发生器激励智能骨料中的压电陶瓷驱动器，利用信号采集系统采集并记录各个压电陶瓷传感器的信号，可认为构件加载前的状态为健康状态，这时候采集的信号为健康基准信号。

待混凝土梁养护完成后，利用500KN手动液压千斤顶及横梁立柱反力架施加荷载，采用压力传感器控制加载的大小，记录下各个压电陶瓷传感器的信号能量，利用下式计算各位置处结构的损伤程度，

式中，E_h为健康状态下的能量作为基准信号，E_i为结构处于某一损伤状态下的信号能量，X_i(n)和X_h(n)分别为结构健康状态和损伤状态下传感器采集到的离散信号；H_i的取值范围在0～1之间，当H_i＝1，表示待监测混凝土梁处于健康状态，当H_i＝0，表示待监测混凝土梁处于功能完全失效状态。

利用H_i定义结构损伤指数D_i，D_i的意义与H_i相反，可以用它来表征结构损伤程度的量，

D_i数值越高，说明待监测混凝土梁损伤越严重。

在出现较大损伤的混凝土梁底用环氧树脂胶粘贴4mm厚的Q235钢板，宽度为120mm，长度为2.5m，同时在加固钢板靠近端部处套有U型箍板，待加固完成后，利用500KN手动液压千斤顶及横梁立柱反力架施加荷载，采用压力传感器控制加载的大小，记录下各个压电陶瓷传感器的信号能量，采用基于时间反演的信号分析方法，对加固钢板各位置处的剥离情况进行分析。

本实用新型通过在智能骨料相应位置处的加固钢板外侧，粘贴作为压电陶瓷传感器的压电陶瓷片，通过外加激励信号驱动压电陶瓷驱动器，同时记录下压电陶瓷传感器的接收信号，加固钢板与混凝土之间的剥离都可能给这个接收信号带来变化，实现了对加固钢板的剥离情况的主动检测，从而实现真正意义上的全寿命健康检测。

Claims (6)

1.一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统，其特征在于，包括置于待检测混凝土梁(1)内部智能骨料(2)以及固定在待检测混凝土梁底部的加固钢板(3)，加固钢板(3)两端通过U型箍板(5)固定在待检测混凝土梁(1)上，加固钢板(3)下端设有压电陶瓷传感器(7)，压电陶瓷传感器(7)位于待检测混凝土梁(1)内的智能骨料(2)正下方，压电陶瓷传感器(7)连接有信号采集模块，信号采集模块连接有信号处理模块，智能骨料(2)通过高压信号放大器连接有信号函数发生器；信号函数发生器用于检测信号的发射，高压信号放大器用于检测信号的放大，信号采集模块用于通过压电陶瓷传感器进行信号采集，信号处理模块用于对信号采集模块采集的信号进行处理并将处理结果保存与公示。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统，其特征在于，待检测混凝土梁(1)与加固钢板(3)之间通过环氧树脂胶层(4)粘结。

3.根据权利要求1所述的一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统，其特征在于，U型箍板(5)通过预埋在混凝土梁内的胶锚螺栓组(6)固于混凝土梁上，胶锚螺栓组(6)与U型箍板(5)之间垫钢压条(8)，胶锚螺栓组(6)包括预埋在待检测混凝土梁(1)内的螺栓和锁紧螺母。

4.根据权利要求1所述的一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统，其特征在于，每个智能骨料(2)正下方设有两个压电陶瓷传感器(7)，两个压电陶瓷传感器(7)分别与对应其正上方的智能骨料(2)各组成一套监测系统。

5.根据权利要求1所述的一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统，其特征在于，智能骨料包括L型压电陶瓷片，L型压电陶瓷片表面依次设有硅胶防水层和水泥砂浆层，L型压电陶瓷片外侧包覆有硅胶防水层，L型压电陶瓷片连接有屏蔽导线。

6.根据权利要求1所述的一种混凝土梁加固钢板剥离检测系统，其特征在于，信号发生器发射频率为100Hz-1MHz的高斯脉冲扫频信号，产生信号为扫频正弦波，扫频模式为线性扫频。