建筑工程结构裂纹状态监测方法及应用该方法的监测系统

摘要

本发明涉及建筑工程结构裂纹状态监测方法及监测系统，方法步骤如下：首先将由两侧端部分别带有连接引线的双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料片构成的探头贴附在被检测的建筑工程结构的表面，直接感受应力信号，并转换为荷电信号，经放大成为探头电压信号，经低通滤波去除噪音再进行A/D转换，最终存入计算机系统的数据库中，经对数据分析，输出反映探头的力-电转换特性的应变-频率关系曲线，判断建筑工程结构内部的裂纹状态。监测系统包括探头、荷电放大器、低通滤波器、数据采集卡以及计算机系统。本发明的优点是：探头综合力学性能高，检测范围增大，实现连续动态跟踪检测，系统的结构简单且成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑工程结构裂纹状态检测技术领域，尤其涉及一种建筑工 程结构裂纹状态监测方法及应用该方法的监测系统。

背景技术

对于建筑工程结构来说，特别是大型建筑工程结构，应该采用何种有效 的手段去监测其运营中内部的裂纹状态，以评估其是否安全运营，是一个世 界性的科技难题，也是一个迫切要求解决的现实问题。

目前国际上发展的涡流仪、磁测试、X射线法试验、声发射、磁分子和磁 漏、冲击反射和回弹锤、微波吸收以及中子射线照相等技术，属于有源检测 技术，检测时，系统本身发射测试信号，信号作用于被测结构并在结构中传 输，当遇到裂纹等被测结构内部缺陷时发生反射，通过分析这种反射信号判 断被测结构内部的裂纹状态。但由于信号受到被测结构介质的吸收和散射的 影响，强度衰减，传输距离受到影响，因而上述技术只能检测发生在接近检测点 附近的结构的裂纹状况，一般在以检测点为中心半径0.2m，厚0.1m的范围 内；且现有的检测为静态检测，即在某特定时刻的一次性检测，而不是连续跟 踪的动态检测，即监测，不能达到安全防护的效果。采用光纤测试技术，可 用于动态监测，而且测试范围大，但由于组成光纤的材料一般脆性大，在测 试中不能进行大应变的测量，同时光纤测试系统结构复杂，系统成本高，因 此光纤测试技术的实际应用也受到很大的限制。

近年，铁电陶瓷，如锆钛酸铅Pb(Ti_xZr_1-x)O₃(记作PZT)作为传感材料由于 具有结构简单、响应速度快、频响范围宽、优良的近似线性的本构关系以及 成本较低的特点而受到重视。但因其自身存在质地脆，应变量小，易损坏的 力学问题不宜在工程中应用。目前，已研制出将NiTi形状记忆合金(记作NiTi  SMA)以薄膜的形式沉积在PZT基体上下表面而制备出双面沉积NiTiSMA薄膜 的PZT复合材料，这种复合材料具有较好的综合力学性能，而且保持了PZT的 优越的力-电传感特性，如能将双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料用于无 源检测装置，应用到建筑工程结构裂纹状态检测，将会成为克服现有有源、无源 检测装置缺陷的较理想的力-电转换信号探头。

发明内容

本发明的目的是提供出一种结构简单、成本低的建筑工程结构裂纹状态 监测方法及应用该方法的监测系统，提高探头材料综合力学性能，实现在较 大检测范围对建筑工程结构的裂纹状态连续动态跟踪监测，提高对建筑工程 结构安全防护的效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种建筑工程结构裂纹状态监测方法，其特征在于操作步骤如下：

(1).首先将由两侧端部分别带有连接引线的双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT 复合材料片构成的探头固定贴附在被检测的建筑工程结构的表面，直接感受 建筑工程结构内部在环境载荷力作用下由裂纹状态变化产生的应力信号，并 通过自身的力-电转换特性转换为荷电信号；然后，将荷电信号放大并转换为 探头电压信号，经低通滤波去除环境噪音再进行A/D转换，最终数据存入计算 机系统的数据库中，经执行应变-频率关系曲线绘制程序，计算机系统对存储 的数据进行分析，进而输出反映所述探头的力-电转换特性的应变-频率关系 曲线；

(2).以用步骤(1)的探头和方法测得的建筑工程结构无裂纹状态的应变- 频率关系曲线为基准曲线，将随时由步骤(1)中获得的所述应变-频率关系曲 线与基准曲线进行比较，根据应变-频率关系曲线特征峰结构特征的相对变 化，判断建筑工程结构内部的裂纹状态：若特征峰位置移动且数量增多，说 明建筑工程结构内部存在裂纹；如果特征峰位置、数量无变化，则说明在建筑 结构内部无裂纹。

所述探头的厚度为0.1-0.3mm、底面积为10-100mm²。

应用所述建筑工程结构裂纹状态监测方法的监测系统，其特征在于包括 由两侧端部分别带有连接引线的双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料片构 成的探头、用于荷电信号放大并转换为探头电压信号的荷电放大器、滤除环 境噪音的低通滤波器、完成探头电压信号A/D转换的数据采集卡以及由内置 应变-频率关系曲线绘制程序、数据库的计算机及其外部设备构成的计算机 系统，所述探头的引线连至荷电放大器的信号输入端，荷电放大器的信号输出 端连接低通滤波器的信号输入端，低通滤波器的信号输出端连接数据采集卡 的数据输入端，数据采集卡的数据输出端连接计算机的数据输入端。

所述外部设备包括显示器、键盘及打印机。

本发明的有益效果是：应用本发明提供的的建筑工程结构裂纹状态监测 方法及应用该方法的监测系统，直接将双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材 料片用作探头，根据对反映双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料的力-电转 换特性的应变-频率关系曲线特征峰结构特征的分析，动态地评判建筑结构 内部的裂纹状态，一方面双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料通过NiTiSMA 和PZT的优势互补，不仅具有优越的综合力学性能，而且更有利于发挥PZT 的力-电转换特性；可以克服环境信号的干扰，而且信号分析简单明确；用 于无源检测装置，无须发射测试信号，避免了因信号衰减影响测试范围。使用 时，只须将由双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料片贴附在建筑工程结构 表面，引线连至监测系统，即可实现较大区域范围的大型建筑工程结构的裂 纹状态的连续动态跟踪监测，监测范围可达到以探头底面中心为原点直径2m， 厚0.4m的区域范围，显著高于现有技术中的以探头底面中心为原点直径0.2m， 厚0.1m的区域范围，提高对建筑工程结构安全防护的效果。监测系统结构 相比光纤系统简单，且成本低，宜于推广。

附图说明

图1是建筑工程结构裂纹状态监测方法的流程图。

图2是应用建筑工程结构裂纹状态监测方法的监测系统结构框图。

图3是双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料片探头在工程建筑结构上 粘接示意图。

图4a是实施例1建筑钢筋混凝土梁无裂纹状态测得的应变-频率关系曲 线。

图4b是实施例1探头工作第70天时的反映其力-电转换特性的应变-频 率关系曲线。

图5a是实施例2建筑钢筋混凝土梁无裂纹状态测得的应变-频率关系曲 线。

图5b是实施例2探头工作第130天时的反映其力-电转换特性的应变- 频率关系曲线。

图中：1探头，11 NiTiSMA薄膜，12PZT基体，2荷电放大器，3低通滤波 器，4数据采集卡，5计算机系统，51显示器，52键盘，53打印机，54计算机， 61梁面，62支柱。

以下结合附图和实施例对本发明详细说明。

具体实施方式

实施例1

本发明提供出一种建筑工程结构裂纹状态监测方法及应用该方法的监测 系统。图2示出了上述监测系统的结构示意图；其特征在于包括由两侧端部 分别带有连接引线13的双面沉积NiTiSMA薄膜11的PZT复合材料片构成的 探头1、用于荷电信号放大并转换为探头电压信号的荷电放大器2、滤除环境 噪音的低通滤波器3、完成探头电压信号A/D转换的数据采集卡4、以及由内 置应变-频率关系曲线绘制程序、数据库的计算机54及其外部设备构成的计 算机系统5，外部设备包括显示器51、键盘52及打印机53。

上述探头1的引线13连至荷电放大器2的信号输入端，荷电放大器2的 信号输出端连接低通滤波器3的信号输入端，低通滤波器3的信号输出端连 接数据采集卡4的数据输入端，数据采集卡4的数据输出端连接计算机54的 数据输入端。上述荷电放大器采用了市售SD-15B型电荷放大器；低通滤波器 采用切比雪夫低通滤波器，其通带最大衰减2db，阻带最大衰减为60dB；数据 采集卡采用了AMPCI-9110数据采集卡，计算机采用了联想启天W730E计算机， 应变-频率关系曲线绘制程序是采用Visual B6.0编制的常规分析绘图软件。

下面，结合本发明提供的建筑工程结构裂纹状态监测方法及应用该方法的 上述监测系统具体阐述该监测方法的操作过程。本实施例中，由两支柱62支 撑梁面61构成的建筑钢筋混凝土梁，梁面61尺寸为：长2.6m，宽2.1m，厚0.8m。 如图2所示，本例中探头1采用一长方形的双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材 料片，该复合材料是在PZT基体12上下表面以薄膜形式沉积NiTi形状记忆合金 (NiTiSMA)而制备出双面沉积NiTiSMA薄膜11的PZT复合材料，其尺寸为：底 面积＝长10mm×宽5mm＝50mm²、厚度0.3mm。在实际应用中，探头1的形状可为方 形、圆形、椭圆形或其他任何规则或不规则的多边形。

参见图1～图3，具体操作步骤如下：

(1).首先将由两侧端部分别带有连接引线13的双面沉积NiTiSMA薄膜11 的PZT复合材料片构成的探头1固定贴附在被检测的建筑钢筋混凝土梁梁面 61的下表面中心，通过粘接贴附即可，使其直接感受建筑结构内部在环境载荷 力作用下由裂纹状态变化产生的应力信号，并通过自身的力-电转换特性转换 为荷电信号。双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料属于自发电式和机电转 换式的传感材料，该材料受力后，通过自身的力-电转换特性转换为荷电信号， 然后，将荷电信号传输到荷电放大器2，荷电放大器的功能是将输入的荷电信 号转换为可处理的成比例输出电压信号，用作分析系统的输入变量，此时荷 电信号经放大并转换为探头电压信号，再输入到低通滤波器3，经低通滤波将 频率≥1000Hz的环境噪音去除，再将探头电压信号输入到数据采集卡4，数 据采集卡的作用是将探头电压模拟信号转换为数字信号，即完成A/D转换， 最终将信号数据存入计算机系统的数据库中，通过执行应变-频率关系曲线 绘制程序，对存储的数据进行分析并绘制出对应某一时间的反映探头的力-电 转换特性的应变-频率关系曲线，同时通过显示器51显示或通过打印机53 打印输出。该关系曲线直接反映出建筑结构内部的裂纹状态变化情况。

(2).以用步骤(1)的探头和方法测得的建筑工程结构在完好无裂纹状态的 应变-频率关系曲线为基准曲线，将随时由步骤(1)中获得的所述应变-频率 关系曲线与基准曲线进行比较，根据应变-频率关系曲线特征峰结构特征的 相对变化，判断建筑工程结构内部的裂纹状态：若特征峰位置移动且数量增 多，说明建筑工程结构内部存在裂纹；如果特征峰位置、数量无变化，则说明 在建筑结构内无裂纹。

图4a是对建筑钢筋混凝土梁在刚投入使用结构完好无裂纹状态测得的应 变-频率关系曲线，图中，在频率2.42566Hz、11.98652Hz位置分别有特征 峰，特征峰为表征建筑钢筋混凝土梁内部结构裂纹状态的曲线峰。当梁结构 中出现裂纹时，应变-频率关系曲线上的特征峰存在状态(数量与位置)对 应产生变化。图4b示出，在探头工作70天时，对建筑钢筋混凝土梁梁面测 得的应变-频率关系曲线。由此图可以看出，应变-频率关系曲线上的特征 峰的数量与位置相对于图4a产生了变化：在频率2.42566Hz、11.98652Hz位 置不存在特征峰，而在其他位置则出现多个特征峰，如3.74874Hz、12.19128 Hz及22.05141Hz位置，即应变-频率关系曲线的特征峰的位置发生移动，且数 量增加，曲线结构明显有别于无裂纹状态的曲线结构。分析结论：图4b表示 建筑钢筋混凝土梁内有裂纹。

经对梁体结构采用超声波法测试并结合实际勘察，在梁面61以探头底面 中心为原点的直径1.8-2m、厚0.32-0.4m区域的2个位置出现裂纹。

实施例2

本实施例与实施例1的监测方法、设备、工作原理均相同.不同点在于： 建筑钢筋混凝土梁梁面61的尺寸为长2.8m，宽2.2m，厚0.8m。探头1采用的长方 形双面沉积NiTiSMA薄膜的PZT复合材料片的尺寸为：底面积＝长10mm×宽 10mm＝100mm²、厚度0.1mm。

图5a是对建筑钢筋混凝土梁在刚投入使用结构完好无裂纹状态测得的 应变-频率关系曲线，图中，在频率1.44909Hz、5.04032Hz、11.75025Hz、 12.38029Hz位置分别有特征峰。图5b示出了在探头工作130天时对建筑钢 筋混凝土梁梁面测得的应变-频率关系曲线，由此图可以看出，应变-频率 关系曲线上的特征峰的数量与位置相对于图5a产生了变化：在频率1.44909 Hz、5.04032Hz、11.75025Hz、12.38029Hz位置不存在特征峰，而在其他位置 出现多个特征峰，如在频率3.29196Hz、5.76487Hz、12.64806Hz、13.38836 Hz、28.58808Hz位置，即应变-频率关系曲线的特征峰的位置发生移动，且数 量增加，曲线结构明显有别于无裂纹状态的曲线结构。分析结论：图5b表示 建筑钢筋混凝土梁内有裂纹。

经对梁体结构采用超声波法测试并结合实际勘察，在梁面61以探头底面 中心为原点的直径1.7-1.9m、厚0.2-0.3m区域的1个位置，及以探头底面中 心为原点的直径1.2-1.4m、厚0.35-0.39m区域的2个位置出现裂纹。

综上所述，应用本发明提供的的建筑工程结构裂纹状态监测方法及应用 该方法的监测系统，可实现较大区域范围的大型建筑工程结构的裂纹状态的 连续动态跟踪监测，监测范围可达到以探头底面中心为原点直径2m，厚0.4m的 区域范围，显著高于现有技术中的以探头底面中心为原点直径0.2m，厚0.1m 的区域范围，提高对建筑工程结构安全防护的效果。监测系统结构相比现有光 纤系统简单，且成本低，宜于推广。

以上内容并非对本发明的方法、系统结构及其构件形状及材料作任何形 式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。