一種利用壓電陶瓷傳感器的鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性監測方法
【專利摘要】本發明提供了一種利用壓電陶瓷傳感器的鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性監測方法，屬于土木工程結構健康監測領域。通過支架將壓電陶瓷圓環傳感器布設于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管中央；將多個壓電陶瓷片傳感器粘貼于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管外壁，對粘貼壓電陶瓷片傳感器處的鋼管做絕緣處理；使用時將壓電陶瓷圓環傳感器作為激勵端，發射信號；將壓電陶瓷片傳感器作為信號接收端，接收信號；本發明原理簡單，傳感器布設方便，成本低廉、不會影響原結構性能，操作便捷，能夠實現施工過程中鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性的監測，還可以應用于服役過程中內部混凝土和鋼管之間剝離情況的監測，具有很好地工程應用前景。
【專利說明】
一種利用壓電陶瓷傳感器的鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性監測方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種利用壓電陶瓷傳感器的鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性監測方法，適用于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性的監測，屬于土木工程結構健康監測領域。【背景技術】
[0002]鋼管混凝土拱橋屬于鋼一一混凝土組合結構中的一種。鋼管混凝土拱橋是將鋼管內填充混凝土，由于鋼管的徑向約束而限制受壓混凝土的膨脹，使混凝土處于三向受壓狀態，從而顯著提高混凝土的抗壓強度。鋼管混凝土結構具有承載力高、延性好，抗震性能優越，耐火性好，抗腐蝕能力強等優點。鋼管兼有縱向主筋和橫向套箍的作用，同時可作為施工模板，方便混凝土澆筑，施工過程中，鋼管可作為勁性承重骨架，其焊接工作簡單，吊裝重量輕，從而能簡化施工工藝，縮短施工工期。由于鋼管混凝土結構具有普通鋼筋混凝土結構無法比擬的優點，使得鋼管混凝土拱橋在橋梁工程中得到越來越廣泛的應用。在實際工程中，最大的鋼管混凝土拱橋單孔跨徑已達500米以上。鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管中混凝土的灌注多采用頂升法工藝，拱肋鋼管內混凝土頂升至一定高度后混凝土與鋼管壁的夾角會小于空氣臨界逃逸角，當混凝土自由表面離鋼管內頂面很近時，空氣容易被混凝土自由表面波浪或涌浪封住而形成氣腔，造成鋼管混凝土內部的空腔。在實際調查過程中灌漿不密實經常發生在拱頂部位，且灌漿飽滿度一般大于50%。當鋼管混凝土內部有空腔缺陷時，會造成鋼管混凝土結構承載能力和剛度的下降，并且由于鋼管混凝土空腔界面形狀的不規則容易造成結構的偏心受壓，降低結構的穩定性，所以在實際工程中對于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性的監測很重要。
[0003]目前對鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注密實性監測的主要方法有:人工敲擊法、 沖擊回波法、超聲探測法。
[0004]由于壓電陶瓷材料具有正壓電效應和逆壓電效應，既可作為傳感器又可作為作動器，所以在結構健康監測領域得到廣泛應用。本發明充分利用壓電陶瓷材料的正壓電效應和逆壓電效應，通過合理的布置壓電陶瓷傳感器，并結合波動理論可以實現鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性的監測。
【發明內容】
[0005]為了使壓電陶瓷材料能夠更好地適應鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管的結構形式，本發明采用壓電陶瓷圓環傳感器和壓電陶瓷片傳感器，能夠實現鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土不同灌漿程度的監測，具有很好地工程應用前景。
[0006]本發明的技術方案:
[0007]—種利用壓電陶瓷傳感器的鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性監測方法，步驟如下:通過支架將壓電陶瓷圓環傳感器布設于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管中央;將壓電陶瓷片傳感器粘貼于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管外壁，對粘貼壓電陶瓷片傳感器處的鋼管做絕緣處理;使用時將壓電陶瓷圓環傳感器作為激勵端，發射信號;將壓電陶瓷片傳感器作為信號接收端，接收信號;監測設備包括計算機、數據采集卡和功率放大器；
[0008]所述的壓電陶瓷圓環傳感器包括壓電陶瓷圓環、防水防電涂層、電磁屏蔽涂層、水泥砂漿保護層和導線，在壓電陶瓷圓環的正負極焊接導線，在焊接有導線的壓電陶瓷圓環表面涂敷一層防水防電涂層，在防水防電涂層外表面涂敷電磁屏蔽涂層，在電磁屏蔽涂層外澆筑水泥砂漿保護層即形成壓電陶瓷圓環傳感器。
[0009]在鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管上布設四個壓電陶瓷片傳感器，分別在鋼管頂部、底部和兩側中上部;對鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管進行混凝土灌漿時，同時對壓電陶瓷圓環傳感器進行激勵，由壓電陶瓷片傳感器接收信號，計算接收信號的能量;當未向鋼管灌注混凝土時由于壓電陶瓷圓環傳感器與壓電陶瓷片傳感器之間無介質傳遞應力波，壓電陶瓷片傳感器接收信號的能量為零；當灌漿至達到鋼管截面一半時，壓電陶瓷圓環傳感器與底部的壓電陶瓷片傳感器之間充滿混凝土介質，由壓電陶瓷圓環傳感器激勵產生的應力波信號通過混凝土介質被底部的壓電陶瓷片傳感器接收，此時底部的壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量突然呈現劇烈增加，反映灌漿至達到鋼管截面一半；當灌漿繼續進行，混凝土充滿壓電陶瓷圓環傳感器與中上部壓電陶瓷片傳感器之間時，此時中上部壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量會突然呈現劇烈增加，從而反映灌漿達到壓電陶瓷片傳感器所在的位置；當灌漿繼續進行，混凝土充滿整個鋼管時，此時頂部壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量會突然呈現劇烈增加，從而反映灌漿已經飽滿。此外通過改變中上部壓電陶瓷片傳感器的位置或者合理增加壓電陶瓷片傳感器的布設數量可以實現灌漿50%到灌漿飽滿的任意程度監測。
[0010]本發明的有益效果:
[0011](1)壓電陶瓷傳感器布置形式簡單，安裝方便，可以快速布設。[〇〇12](2)與普通壓電陶瓷傳感器相比，壓電陶瓷圓環傳感器發射信號的功率大，能夠使應力波傳播的更遠，更適合鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管尺寸大、鋼管厚度大的特點，并且與混凝土材料相容性好，不影響原結構性能。
[0013](3)本發明采用的壓電陶瓷傳感器及布設方法克服了傳統壓電陶瓷傳感器只能沿單一方向激勵和采集信號的缺點；對比傳統方式可以減少內部傳感器的布設數量，增強實用性。
[0014](4)既可用于施工過程中鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性的監測，也可用于服役過程中混凝土與鋼管之間剝離脫空情況的監測。
[0015](5)成本低、響應快、操作簡單、便于批量化應用。【附圖說明】
[0016]圖1是本發明的壓電陶瓷傳感器布設方式圖。
[0017]圖2(a)-圖2(d)是本發明的在拱肋鋼管不同灌漿程度時監測原理圖。
[0018]圖中:1頂部的壓電陶瓷片傳感器;2中上部的壓電陶瓷片傳感器;3底部的壓電陶瓷片傳感器;4拱肋鋼管;5壓電陶瓷圓環傳感器;6支架;7混凝土。【具體實施方式】
[0019]以下結合附圖和技術方案，進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0020]本發明提供了一種利用壓電陶瓷傳感器的鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性監測方法，具體實施方案如下:
[0021]根據實際工程需要選取不同尺寸、規格的壓電陶瓷圓環傳感器和壓電陶瓷片傳感器，在壓電陶瓷圓環傳感器的正負極焊接導線，對其做好保護之后通過支架布設于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管中央;將壓電陶瓷片傳感器合理粘貼于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管外壁， 并做好與鋼管的絕緣措施。使用時將壓電陶瓷圓環傳感器作為激勵端，發射信號;將鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管外壁壓電陶瓷片傳感器作為信號接收端，接收信號。監測設備包括:電腦、數據采集卡和功率放大器。[〇〇22] 監測流程如下:[〇〇23]在鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管關鍵位置，如拱頂，按圖1方式布設壓電陶瓷傳感器； 對拱肋鋼管進行混凝土灌漿操作，同時對壓電陶瓷圓環傳感器進行激勵，由拱肋鋼管外壁壓電陶瓷片傳感器接收信號，計算接收到的信號能量。當未向鋼管灌注混凝土時由于壓電陶瓷圓環傳感器與壓電陶瓷片傳感器之間無介質傳遞應力波，所以壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量為零;當灌漿繼續進行，灌漿達到一半時，壓電陶瓷圓環傳感器與底部壓電陶瓷片傳感器之間充滿混凝土介質，由壓電陶瓷圓環傳感器激勵產生的應力波信號可以通過混凝土介質被底部壓電陶瓷片傳感器接收，此時底部壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量會突然呈現劇烈增加，從而反映灌漿達到一半；當灌漿繼續進行，混凝土充滿壓電陶瓷圓環傳感器與中上部壓電陶瓷片傳感器之間時，此時中上部壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量會突然呈現劇烈增加，從而反映灌漿達到壓電陶瓷片傳感器所在的位置；當灌漿繼續進行，混凝土充滿整個鋼管時，此時頂部壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量會突然呈現劇烈增加，從而反映灌漿已經飽滿。此外通過改變中上部壓電陶瓷片傳感器的位置或者合理增加壓電陶瓷片傳感器的布設數量可以實現灌漿50%到灌漿飽滿的任意程度監測。綜上所述，當鋼管外壁壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量呈現劇烈增加時，即可認為灌注混凝土到達該壓電陶瓷片傳感器的布設位置。因此，通過合理布設壓電陶瓷傳感器，本方法可以實現對鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿50 %到灌漿飽滿的任意程度監測。
[0024]本發明與現有技術相比有如下優點:傳感器布置簡單、發射信號功率大、與混凝土結構相容性好，操作方便，既可用于施工過程灌漿密實性監測又可用于使用過程中混凝土與鋼管剝離脫空情況監測。此外，針對具體工程實際，可以選取不同尺寸、不同規格、不同數量的壓電陶瓷傳感器通過合理的布設方式，實現鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌漿密實性的監測，以適應工程需要。
【主權項】
1.一種利用壓電陶瓷傳感器的鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性監測方法， 其特征在于，步驟如下:通過支架將壓電陶瓷圓環傳感器布設于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管 中央;將若干個壓電陶瓷片傳感器粘貼于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管外壁，對粘貼壓電陶瓷 片傳感器處的鋼管做絕緣處理;使用時將壓電陶瓷圓環傳感器作為激勵端，發射信號;將壓 電陶瓷片傳感器作為信號接收端，接收信號;監測設備包括計算機、數據采集卡和功率放大 器；所述的壓電陶瓷圓環傳感器包括壓電陶瓷圓環、防水防電涂層、電磁屏蔽涂層、水泥砂 漿保護層和導線，在壓電陶瓷圓環的正負極焊接導線，在焊接有導線的壓電陶瓷圓環表面 涂敷一層防水防電涂層，在防水防電涂層外表面涂敷電磁屏蔽涂層，在電磁屏蔽涂層外澆 筑水泥砂漿保護層即形成壓電陶瓷圓環傳感器。2.根據權利要求1所述的鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性監測方法，其特 征在于，在鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管外壁布設四個壓電陶瓷片傳感器，分別在鋼管頂部、底 部和兩側中上部;對鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管進行混凝土灌漿時，同時對壓電陶瓷圓環傳 感器進行激勵，由壓電陶瓷片傳感器接收信號，計算接收信號的能量;當未向鋼管灌注混凝 土時由于壓電陶瓷圓環傳感器與壓電陶瓷片傳感器之間無介質傳遞應力波，壓電陶瓷片傳 感器接收信號的能量為零；當灌漿至達到鋼管截面一半時，壓電陶瓷圓環傳感器與底部的 壓電陶瓷片傳感器之間充滿混凝土介質，由壓電陶瓷圓環傳感器激勵產生的應力波信號通 過混凝土介質被底部的壓電陶瓷片傳感器接收，此時底部的壓電陶瓷片傳感器接收到的信 號能量突然呈現劇烈增加，反映灌漿至達到鋼管截面一半；當灌漿繼續進行，混凝土充滿壓 電陶瓷圓環傳感器與中上部壓電陶瓷片傳感器之間時，此時中上部的壓電陶瓷片傳感器接 收到的信號能量突然呈現劇烈增加，反映灌漿達到壓電陶瓷片傳感器所在的位置；當灌漿 繼續進行，混凝土充滿整個鋼管時，此時頂部的壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量突然 呈現劇烈增加，反映灌漿已經飽滿。
【文檔編號】E01D4/00GK106087696SQ201610429053
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】田振, 李宏男, 宋鋼兵, 霍林生
【申請人】大連理工大學