CN210862784U - 一种内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物，包括基于无线射频技术的无源式监测装置以及钢筋混凝土结构物本体，所述无源式监测装置在钢筋混凝土结构物本体生产过程中被预埋在钢筋混凝土结构物本体内部，通过与钢筋混凝土结构物本体内部的钢筋笼绑扎固定，随着混凝土浇筑与钢筋混凝土结构物本体成为一体。本实用新型提供的内嵌无源监测装置的钢筋混凝土结构物，是一种真正意义上具备状态自诊断的混凝土结构物，能够实时、主动对温度、湿度、压力、应变、气体含量进行检测并通过无线射频技术传输给巡检仪器的一种混凝土结构物。

Description

一种内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物

技术领域

本实用新型涉及一种混凝土结构物状态监测装置，尤其是涉及一种内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物。

背景技术

随着国家基础设施建设的不断加速，包括房屋、桥梁、隧道等混凝土结构物越来越多融入人们的生活。混凝土结构物是建筑物的安全屏障，承担着抵抗载荷的重要作用。受施工工艺、运营荷载及所处环境的影响.混凝土结构物可能出现空洞、裂缝、破损、等病害，降低结构的承载能力，缩短其使用寿命，甚至导致重大人员或财产损失。

现有的成型混凝土结构物的监测方式多为人工测量和自动化监测两种。其中人工测量是由工人携带便携式采集仪定期对结构物数据进行采集，将记录的数据与设置的安全值进行比对以实现对混凝土结构物安全的监控，该方案数据实时性差，容易带来对安全判断的严重滞后。自动化监测是通过在混凝土结构物上布置传感器，利用传输电缆或光缆，将传感器信息采集处理后传输至控制中心的服务器，对收集到的数据进行存储和分析判断，监测传感器包括分布式光栅光纤传感器、柔性土压力计等。该方案虽然能一定程度上实现对混凝土结构物参数的自动化监测，但只能在结构物建成后进行铺设，且后期为了维护数据采集的可靠性，需要大量的人力物力和时间对传感器采集系统进行定期维护。

实用新型内容

本实用新型提供了一种内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物，致力于解决混凝土结构物状态检测困难、检测参数单一、数据实时性差、检测系统铺设及后期维护成本高等一系列问题。通过在混凝土结构物生产阶段预埋基于无线射频技术的无源式监测装置，能够在混凝土结构物运营后的全生命周期进行健康诊断。

其技术方案如下所述：

一种内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物，包括基于无线射频技术的无源式监测装置以及钢筋混凝土结构物本体，所述无源式监测装置在钢筋混凝土结构物本体生产过程中被预埋在钢筋混凝土结构物本体内部，通过与钢筋混凝土结构物本体内部的钢筋笼绑扎固定，随着混凝土浇筑与钢筋混凝土结构物本体成为一体。

所述无源式监测装置被固定在钢筋混凝土结构物本体的内部圆弧面的中心位置，靠近钢筋混凝土结构物本体的内表面。

所述无源式监测装置被设在整个钢筋混凝土结构物本体拼装形成隧道最终衬砌结构的对周边围岩的受力区旁边。

无源式监测装置包括主板、无线射频单元、射频天线、能量存储单元和检测单元；射频天线通过和外置巡检仪器感应获取能量，并依靠无线射频单元完成与外置巡检仪器数据交互，获取的能量被存储在能量存储单元中；能量存储单元、检测单元集成在主板上，检测单元通过能量存储单元进行供电，完成相应数据采集。

所述检测单元包括温度检测单元、湿度检测单元、压力检测单元、气体检测单元、应变检测单元。

所述温度检测单元采用温度传感器；湿度检测单元采用湿度传感器；压力检测单元采用压力传感器；气体检测单元采用气体传感器；应变检测单元采用应力传感器。

本实用新型提供的内嵌无源监测装置的钢筋混凝土结构物，是一种真正意义上具备状态自诊断的混凝土结构物，能够实时、主动对温度、湿度、压力、应变、气体含量进行检测并通过无线射频技术传输给巡检仪器的一种混凝土结构物。

附图说明

图1是内嵌无源监测装置在管片径向安装位置的示意图；

图2是内嵌无源检测装置在管片轴向安装位置的示意图；

图3是内嵌无源检测装置的结构示意图。

具体实施方式

在工程中混凝土结构物因排列特性也可称为管片，多组管片依序进行排列，如图1所示，所述内嵌无源检测装置的弯曲形状的管片，包括基于无线射频技术的无源式监测装置11，以及管片本体10。所述无源式监测装置11基于无线射频技术对内置的检测单元进行供电，完成传感器信息的集采和数据传输。

本实用新型适用于绝大部分混凝土结构物，在安装之前需要用计算机仿真方法对该混凝土结构物做受力分析，以便决定传感器的安装位置。

结合图2所示，内嵌式的无源式监测装置11在管片本体10生产过程中被预埋在管片本体10内部，通过与管片本体10内部的钢筋笼绑扎固定，随着混凝土浇筑与管片本体10成为一体，伴随管片本体10的全生命周期进行状态检测。无源式监测装置11被固定在管片本体10内部圆弧面靠近中心位置(也可设在整个管片本体10拼装形成隧道最终衬砌结构的对周边围岩的受力区附近)，且尽可能靠近管片本体10的内表面，由此避免因为钢筋笼的金属屏蔽效应产生对无线射频传输的影响。

圆弧形管片经计算机仿真受力分析，压力最大部分集中在内部弧面靠近中心位置，因此安装位置在管片内部弧面能达到最大灵敏度。另外考虑到混凝土表层保护层厚度因素，一般安装深度为25mm。

在隧道管片的全生命周期中，特别是隧道建成运营后，通过外置巡检仪器来获取管片内部的检测数据。首先由外置巡检仪器对管片内置的无源式监测装置11进行唤醒操作，在唤醒无源式监测装置11的同时，也向无源式监测装置11进行供电。无源式监测装置11在被唤醒的过程中，一方面完成传感器数据采集及无线射频数据回传，另一方面将获得的多余电量进行存储，用于休眠状态下的超低功耗检测单元持续采集数据。

如图3所示，无源式监测装置11包括主板1、无线射频单元2、射频天线3、能量存储单元4和检测单元，所述检测单元包括温度检测单元5、湿度检测单元6、压力检测单元7、气体检测单元8、应变检测单元9。射频天线3通过和外置巡检仪器感应获取能量，并依靠无线射频单元2完成与外置巡检仪器数据交互，获取的能量被存储在能量存储单元4中。能量存储单元4、温度检测单元5、湿度检测单元6、压力检测单元7、气体检测单元8、应变检测单元9均集成在主板1上，各检测单元通过能量存储单元4进行供电，完成相应数据采集及存储(所述无线射频单元2内置有数据存储单元，能量存储单元4)。

数据存储单元是芯片内部的EEROM电路，芯片生产阶段经过高温烘烤等措施可以生产出合格的长达50年保存数据的存储单元。当一级能源管控单元持续工作时，可以设定每隔约1小时将自动启动传感器数据采集，并把数据暂时存储在EEROM，数据存储遵循先进先出原则，当外部通讯条件达到时，(例如有阅读器，或者远距离无线自组网信号启动时)，数据将被传输至外部设备并回传至后台系统中。

超低功耗检测单元包括温度检测单元、湿度检测单元、压力检测单元等，以下是对管片的检测功能进行描述：

温度检测功能：管片内嵌检测装置中的温度检测单元5，通过温度传感器可完成隧道运营过程中管片温度的实时监测。检测管片温度的意义在于记录了混凝土结构的环境温度，温度的变化会影响混凝土表层的风化速度和损坏速度，另外连在一起的数量众多的管片环环相扣，如果管片之间温度梯度的变化会影响管片连接处的应力状况，产生温度梯度应力，这种应力是由热胀冷缩引起的，一般数量级较大，极易引起温度裂缝。

湿度检测功能：管片内嵌检测装置中的湿度检测单元，通过湿度传感器可用来检测管片内部由于外部水土压力大导致的管片渗透。当地质层发生渗水时，会通过混凝土表层逐渐渗入，加快混凝土表层的损害，渗入内层后也易引起内层损害，同时当检测到水分含量过大时，往往表明管片所处的地质发生异常状况。

压力检测功能：管片内嵌检测装置中的压力检测单元，通过压力传感器可用来检测管片内部压力变化情况。由于隧道周边地质变化，如地质沉降等原因导致管片承受异常的压力情况下，管片发生形变，内部压力增大，当压力增大到一定程度后管片出现裂缝，导致管片失去承受压力能力。

气体检测功能：管片内嵌检测装置中的气体检测单元，需要在外置巡检仪器唤醒过程中完成管片内部异常气体的检测以及数据回传。当管片内部钢筋由于渗水或温度等原因开始生锈时，钢筋会发生氧化等一系列复杂化学反应，反应过程中会产生氨气等多种气体，当通过气体传感器检测到类似气体时，表明管片内部钢筋开始生锈，而钢筋是混凝土结构物的主要抗拉力作用，影响了管片的承受能力导致更容易产生裂缝。

应变检测功能：管片内嵌检测装置中的应变检测单元，是通过应力传感器直接检测管片变形的核心检测单元。管片外部由于地质沉降等带来的水土压力增高，以及隧道长时间运营管片老化等因素，都会带来管片的变形或开裂，导致管片内部应变发生变化。

通过五种检测参数的结合，可综合推断分析隧道管片的健康状态，对于绝大部分隧道运营过程中管片的常见病害可实现实时检测及预警。

本实用新型的有益效果：将基于无线射频技术的管片内置检测装置，在管片生产阶段预埋在管片中，可实现管片全生命周期，特别是隧道运营过程中管片的状态检测。本实用新型集成无线射频技术，实用新型超低功耗检测单元，相较于传统的管片状态检测系统，具有无需防护，无需电源，所监测存储的数据通过外置巡检仪器定期自动采集，实时性高，检测参数全面等优点。

Claims (6)

1.一种内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物，其特征在于：包括基于无线射频技术的无源式监测装置以及钢筋混凝土结构物本体，所述无源式监测装置在钢筋混凝土结构物本体生产过程中被预埋在钢筋混凝土结构物本体内部，通过与钢筋混凝土结构物本体内部的钢筋笼绑扎固定，随着混凝土浇筑与钢筋混凝土结构物本体成为一体。

2.根据权利要求1所述的内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物，其特征在于：所述无源式监测装置被固定在钢筋混凝土结构物本体的内部圆弧面的中心位置，靠近钢筋混凝土结构物本体的内表面。

3.根据权利要求1所述的内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物，其特征在于：所述无源式监测装置被设在整个钢筋混凝土结构物本体拼装形成隧道最终衬砌结构的对周边围岩的受力区旁边。

4.根据权利要求1所述的内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物，其特征在于：无源式监测装置包括主板、无线射频单元、射频天线、能量存储单元和检测单元；射频天线通过和外置巡检仪器感应获取能量，并依靠无线射频单元完成与外置巡检仪器数据交互，获取的能量被存储在能量存储单元中；能量存储单元、检测单元集成在主板上，检测单元通过能量存储单元进行供电，完成相应数据采集。

5.根据权利要求4所述的内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物，其特征在于：所述检测单元包括温度检测单元、湿度检测单元、压力检测单元、气体检测单元、应变检测单元。

6.根据权利要求5所述的内嵌无源检测装置的钢筋混凝土结构物，其特征在于：所述温度检测单元采用温度传感器；湿度检测单元采用湿度传感器；压力检测单元采用压力传感器；气体检测单元采用气体传感器；应变检测单元采用应力传感器。

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