基于压电材料的钢管混凝土构件质量阻抗法监测施工工法

摘要

本发明公开了一种基于压电材料的钢管混凝土构件质量阻抗法监测施工工法，依据PZT基片工作原理，对智能骨料和PZT反应器进行多截面、多层次布置。本发明施工工法解决了目前钢管混凝土构件质量检测方法停留于试验阶段，实用性差的问题，有利于数据的采集及对比分析；实现一次施工同时检测多种混凝土构件质量指标，如混凝土填充密实度和管壁混凝土界面粘结质量；且利用阻抗法对结果进行验证，操作简单且检测准确度高；物料可再次回收，利用率高；检测可与工程同步进行，不会影响上部主体结构的施工，减少工期成本的投入，可实时进行在线监测；特别适用于评定钢管混凝土构件的混凝土浇筑质量和界面粘结质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢管混凝土构件质量监测施工工法，特别涉及一种基于压电材料、能一次施工同时检测钢管混凝土构件的混凝土填充密实度以及钢管界面的粘结质量、可在线应用的施工工法。

背景技术

我国超高层建筑建设正处于快速发展期。钢管混凝土柱以其优良的结构性能在超高层建筑中的应用日益广泛，且钢管混凝土构件的截面越来越大。这类大截面钢管混凝土柱的钢管内壁往往会布置一定数量的原有隔板和竖向加劲肋，原有隔板与钢管交接部位以下的混凝土无法直接有效振捣，混凝土终凝后是否会出现不密实现象，甚至空洞或者脱空成为普遍担忧的问题。再者，钢管内大体积混凝土产生的水化热大，核心混凝土的收缩是否会导致核心混凝土与钢管壁之间界面剥离，有外包的钢筋混凝土结构与钢管外壁之间界面是否剥离，成为另一个需要关注的问题。

基于压电材料的检测原理可以简单的概括为，通过信号源产生一定频率和幅值的信号来驱动埋设在混凝土内部一定位置的封装好的智能骨料以及钢管混凝土构件或钢管外表面一定位置的PZT基片，通过PZT的反压电效应在结构构件中产生应力波，应力波将在结构混凝土内部以及各界面传播，通过埋设在混凝土内部一定位置的封装好的智能骨料以及钢管混凝土构件或钢管外表面一定位置的PZT基片来测量该位置的应力波，由于应力波在混凝土中传播时，如果存在微裂缝或者混凝土的非密实区域或者空洞或者界面剥离等缺陷时，会造成应力波能量传播的损失，通过分析该应力波的特性的变化，可以实现对混凝土质量的检测以及混凝土性能随时间的变化情况以及混凝土与钢管粘结界面的长期监测。

利用压电材料的反压电效应，将PZT基片用水泥包裹，做成智能材料，预埋在钢管混凝土构件内部，在信号的驱动下作为激发器；利用压电材料的正压电效应，将PZT基片粘贴在钢管混凝土构件外表面或钢管外壁上，作为接收信号的传感器。检测内部核心区混凝土浇筑质量时，采用智能骨料发射信号，另一个智能骨料接收信号的方法；检测钢管内壁与内部核心混凝土界面粘结质量时，采用智能骨料发射信号，粘结在钢管外壁上的PZT基片接收信号的方法；检测钢管外壁与外包钢筋混凝土界面粘结质量时，采用粘贴在钢管外壁上的PZT基片发射信号，贴置在钢管混凝土构件外表面的PZT基片接收信号的方法。采用基于小波包信号分析的方法对接收到的信号进行分析，评定内部混凝土浇筑质量和界面粘结质量。PZT的检测技术可以对混凝土的水化反应过程以及混凝土缺陷以及钢管混凝土结构中混凝土与钢管的界面结合性能或者剥离进行有效检测。

目前对于钢管混凝土构件质量监测施工工法停留于试验阶段，实际应用中实用性比较差；简单的预埋PCT传感器和智能骨料，检测准确度低；一般是针对单一指标的检测方法，在实施其他检测方法的时候需拆除原施工PCT部件并重新进行施工，物料回收率低，浪费严重，利用率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电材料的钢管混凝土构件质量阻抗法监测施工工法，解决目前钢管混凝土构件检测停留于试验阶段、实际应用中实用性差的问题，同时解决现有监测方法只针对单一指标、若检测其他指标需重新布置施工、物料回收率低、利用率低的问题；还解决现有技术只用一种方法进行监测准确率低的问题和不能应用于在线监测的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:

一种基于压电材料的钢管混凝土构件质量阻抗法监测施工工法，包括如下步骤：

步骤一、制定检测方案，确定需要检测的质量指标和相应的检测方法；

步骤二、选择检测截面：确定要检测的钢管混凝土构件及部位，沿钢管的长向方向，间隔相同距离选取原有隔板处或结构变换处的横截面作为检测截面；

步骤三、钢管预处理：预先在距所检测截面1m处的管壁上预留30mm的排气孔，在钢管的内壁焊接用于固定智能骨料的焊接钢板，使原有隔板和焊接钢板在钢管截面上平行排列且均匀环绕检测截面一周，且以检测截面的中心点形成一一对应；将检测截面处钢管外壁的油漆打磨掉，用磨砂纸磨平；

步骤四、选择PZT基片：依据待测量钢管的规格、原有隔板和焊接钢板的排布密度大小选择PZT基片面积；

步骤五、制作PZT反应器：用无水酒精擦干PZT基片，待干燥后，在PZT基片表面涂硅胶防水层做防水处理，将PZT基片一端与屏蔽导线焊接连接，屏蔽导线的另一端连接BNC接头，即为PZT反应器；

步骤六、制作智能骨料：用混凝土制作包埋体，所述包埋体为圆柱形或方形水泥块，将步骤五制作的PZT反应器的基体部分封存于包埋体中，屏蔽导线及BNC接头露在包埋体外面，即做成智能骨料；

步骤七、布置PZT反应器和智能骨料：在步骤二选好的检测截面上，用AB胶将智能骨料固定于原有隔板或焊接的焊接钢板上并绑扎牢固，在钢管外侧一一对应布置PZT反应器，钢管内的屏蔽导线从钢管壁上预留的排气孔导出，并贴紧内壁固定，钢管外的屏蔽导线按各检测截面分别归类绑扎并牢固固定于钢管外壁上，最后将所有智能骨料、PZT反应器以及屏蔽导线进行编号；

步骤八、连接外部检测设备：依据检测指标的不同对安装布置完成的PZT反应器和智能骨料进行分类，分类方式如下：

1）阻抗法检测钢管混凝土构件内的混凝土填充密实度时，选择钢管内间隔的智能骨料作为激发器连接波动，与之在截面内中心对称的其他智能骨料作为传感器连接高频信号采集系统，采集数据；

2）阻抗法检测钢管混凝土构件混凝土钢管内界面的粘结质量时，将内部全部智能骨料作为激发器连接波动，对应钢管外壁的PZT反应器作为传感器连接高频信号采集系统，采集数据；

将作为激发器的PZT反应器或智能骨料的BNC接头与波动连接，作为传感器的PZT反应器或智能骨料的BNC接头与高频信号采集系统相连接，高频信号采集系统经过高压放大器后与电脑分析终端相连接；

步骤九、混凝土灌注施工：向钢管内灌注混凝土；

步骤十、数据采集：启动阻抗分析仪、高频信号采集系统、高压放大器和电脑分析终端，进行常规预热、系统自检并进行参数设置后，选择发生器信号函数类型，通过波动对激发器进行信号刺激，通过高频信号采集系统收集数据，并在不同采集日期进行多次数据采集，选择频段为100KHz-400KHz和10000KHz-12000KHz多次扫频，采集不同传感器7在不同频段的阻抗图形，并在不同采集日期进行多次数据采集；

步骤十一、数据分析：结合现有技术，分析所得阻抗图形的吻合度，以及在不同频段的均方根偏差值，通过比较相同截面不同频段的阻抗图形和均方根误差值，可以得到同一截面测点的阻抗信号在不同频段变化趋势，判断钢管混凝土柱界面粘结状况；

  步骤十二、利用波动法对结果进行验证：将检测系统中的阻抗分析仪改为任意函数发生器，采集数据并结合已有技术分析结果，与之前阻抗法结果进行比较，对原结果进行验证，所述任意函数发生器为扫频信号发生器和正弦信号发生器，分别采集数据。

作为上述权利要求的解释或补充，所述步骤三中的钢管为圆柱形或方形，所述圆柱形钢管在每个检测截面上的原有隔板和焊接钢板共6个，所述方形钢管每个检测截面上的原有隔板和焊接钢板每条边上2个，共8个。

作为上述权利要求的解释或补充，所述步骤七中在布置钢管外壁的PZT反应器时，用沾有酒精的棉花将待安装位置的钢管外壁擦拭干净，然后抹上一层薄薄的环氧树脂，然后再粘贴安装PZT反应器。

作为上述权利要求的解释或补充，所述步骤七中在布置PZT反应器时，所述钢管混凝土构件是外包钢筋混凝土结构，除钢管壁上的PZT反应器和钢管内部的智能骨料外，在每个检测截面的最外表面上的对应位置也安装PZT反应器，用于检测钢管外壁的界面粘结质量，外表面的PZT反应器、钢管壁上的PZT反应器和钢管内部对应的智能骨料三者连成一条通过该横截面中心的直线。

作为上述权利要求的解释或补充，所述步骤八中，所述钢管混凝土构件是外包钢筋混凝土结构，阻抗法检测外包钢筋混凝土结构的钢管外界面的粘结质量时对PZT反应器和智能骨料进行分类的方法是，把钢管外壁的PZT反应器作为激发器连接波动，对应贴置在钢管混凝土构件外表面的PZT反应器作为传感器连接高频信号采集系统。

作为上述权利要求的解释或补充，所述步骤十中数据采集时，阻抗法检测设置波动为扫频信号发生器和正弦信号发生器，分别采集数据。

与已有技术相比，本发明的技术优势在于：本发明提供了一种基于压电材料的钢管混凝土构件质量阻抗法监测施工工法，解决了目前钢管混凝土构件质量检测方法停留于试验阶段，实用性差的问题，有利于数据的采集及对比分析；实现一次施工同时检测多种混凝土构件质量指标，如混凝土填充密实度和管壁混凝土界面粘结质量；且利用波动法对结果进行验证，操作简单且检测准确度高；物料可再次回收，利用率高；检测可与工程同步进行，不会影响上部主体结构的施工，减少工期成本的投入，可实时进行在线监测；特别适用于评定钢管混凝土构件的混凝土浇筑质量和界面粘结质量。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：

图１是本发明钢管混凝土构件质量阻抗法监测施工工法的工艺流程图；

图2是本发明钢管混凝土构件质量阻抗法监测施工工法的设备连接原理图；

图3是本发明实施例1圆柱形钢管内部智能骨料5的布置示意图；

图4是本发明实施例1圆柱形钢管内部布置的智能骨料5的 A-A剖面示意图；

图5是本发明实施例1圆柱形钢管外PZT反应器4的布置示意图；

图6是本发明实施例1圆柱形钢管外壁上布置的PZT反应器4的 B-B剖面示意图；

图7是本发明实施例2方形的外包钢筋混凝土钢管结构13中的智能骨料5和PZT反应器4的布置示意图。

附图标记：1－钢管、2－原有隔板、3－焊接钢板、4－PZT反应器、5－智能骨料、6-激发器、7-传感器、8-波动、9-高频信号采集系统、10-高压放大器、11-电脑分析终端、12-钢筋混凝土结构、13-外包钢筋混凝土结构、14-检测截面。

具体实施方式

如图3～6，实施例1选取了2根18米高分三段吊装的钢管混凝土结构柱作为检测对象。分别检测钢管内部混凝土的填充密度及钢管内壁的界面粘结质量； 在此柱上选取三个检测截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，每个截面沿环向方向布置6个PZT智能骨料5，在钢管壁外对应位置粘贴6个PZT片。

如图1为本发明钢管混凝土构件质量阻抗法监测施工工法的工艺流程图,如图所示,一种基于压电材料的钢管混凝土构件质量阻抗法监测施工工法，包括如下步骤：

步骤一、制定检测方案，利用阻抗法检测钢管混凝土构件的混凝土填充密实度和钢管界面粘结质量；

步骤二、选择检测截面14：确定要检测的钢管1混凝土构件及部位，沿钢管高度方向，间隔相同距离选取与管壁垂直、原有隔板2处或结构变换处的截面作为检测截面14；本实施例用钢管混凝土构件吊装高度7m，管径为φ=1.0m，钢管壁厚度为t=20mm，该段钢构件上沿高度方向选取三个检测位置，分别命名为截面Ⅰ、截面Ⅱ、截面Ⅲ；

步骤三、钢管1预处理：预先在距所检测截面141m处的管壁上预留30mm的排气孔，在钢管1内壁焊接用于固定智能骨料5的焊接钢板3，所有原有隔板2和焊接钢板3在钢管截面上平行排列且均匀环绕截面一周，且以检测截面14几何形状中心点为中心形成一一对应，将检测截面14处钢管外壁的油漆打磨掉，用磨砂纸磨平；

步骤四、选择PZT基片：依据待测量钢管的规格、原有隔板和焊接钢板的排布密度大小选择PZT基片面积；

步骤五、制作PZT反应器4：据测量范围选择使用的PZT基片面积，选择使用的PZT基片面积，采用PZT-5A型10mm×10mm压电陶瓷片；用无水酒精擦干PZT基片，待干燥后，在PZT基片表面涂硅胶防水层做防水处理，将PZT基片一端与屏蔽导线焊接连接，屏蔽导线7的另一端连接BNC接头；

步骤六、制作智能骨料5：用混凝土制作包埋体，为圆柱形直径30mm，高30mm或方形20mm×20mm×40mm，将步骤四制作的PZT反应器45的基体部分封存于包埋体中，屏蔽导线及BNC接头露在包埋体外面；

步骤七、布置PZT反应器4和智能骨料5：在步骤二选好的检测截面14上，用AB胶将智能骨料5固定于原有隔板2或焊接的焊接钢板3上并绑扎牢固，在钢管外侧一一对应布置PZT反应器4，钢管内屏蔽导线从钢管壁上预留的排气孔导出，并贴紧内壁固定，钢管外的屏蔽导线按各检测截面14分别归类绑扎并牢固固定于外壁，将所有智能骨料5和PZT反应器4对应的屏蔽导线进行编号；参见图3～6，圆柱形钢管内原有隔板2和焊接钢板3共6个，在每个检测截面14沿环向方向均匀布置6个智能骨料5，且以检测截面14几何形状中心点为中心形成一一对应，共18个，在钢管内壁焊接80×20mm的焊接钢板3，智能骨料5固定于临时焊接的钢板或横隔板上，从上而下编号分别为S1-S6、S7-S12、S13-S18。在钢管外侧一一对应布置PZT反应器4，用沾有酒精的棉花将检测截面14上与内部智能骨料5对应的钢管外壁擦拭干净，然后抹上一层薄薄的环氧树脂，一方面可使PZT片与钢管壁保持绝缘，另外一方面可以保证PZT片与钢管壁的接触面光滑；待固定后在表面涂上一层环氧树脂胶，以防止潮湿环境的影响及剥落，每个检测截面14上布置6个PZT片作为传感器7用于检测钢管与核心混凝土之间的界面粘结情况，粘贴在钢管外壁作为传感器7的PZT片编号分别为P1-P6，P7-P12，P13-P18；

步骤八、连接外部检测设备：依据试验方案对安装布置完成的PZT结构进行分类，阻抗法检测钢管混凝土构件内的混凝土填充密实度时，选择钢管内间隔的智能骨料5作为激发器6连接波动8，与之在截面内中心对称的其他智能骨料5作为传感器7连接高频信号采集系统9；阻抗法检测钢管混凝土构件混凝土钢管内界面的粘结质量时，将内部全部智能骨料5作为激发器6连接波动8，对应钢管外壁的PZT反应器4作为传感器7连接高频信号采集系统9；分类完成后将作为激发器6的PZT结构的BNC接头与波动8连接，与作为传感器7的PZT结构的BNC接头与高频信号采集系统9相连接，高频信号采集系统9经过高压放大器10后与电脑分析终端11相连接，如图2所示； 

步骤九、钢管内灌注混凝土；

步骤十、数据采集：启动阻抗分析仪、高频信号采集系统、高压放大器和电脑分析终端，进行常规预热、系统自检并进行参数设置后，选择发生器信号函数类型，通过波动对激发器进行信号刺激，通过高频信号采集系统收集数据，并在不同采集日期进行多次数据采集，选择频段为100KHz-400KHz和10000KHz-12000KHz多次扫频，采集不同传感器7在不同频段的阻抗图形，并在不同采集日期进行多次数据采集；

步骤十一、数据分析：结合现有技术，分析所得阻抗图形的吻合度，以及在不同频段的均方根偏差值，通过比较相同截面不同频段的阻抗图形和均方根误差值，可以得到同一截面测点的阻抗信号在不同频段变化趋势，判断钢管混凝土柱界面粘结状况；

其中，对应不同监测指标，步骤十和步骤十一在实施中的具体方法如下：

1） 选择频段为100KHz-400KHz和10000KHz-12000KHz多次扫频，采集不同传感器7在不同频段的阻抗图形，发现各传感器7的阻抗图形基本吻合，变化很小；

2 ）分析不同传感器7在不同频段的均方根偏差值，发现不同传感器7的损伤指标值均很小，低于5%。通过比较相同截面不同频段的阻抗图形和均方根误差值，可以得到同一截面测点的阻抗信号在不同频段变化趋势不大，即钢管混凝土柱界面粘结状况未见异常和明显差异。

步骤十二、利用波动法对结果进行验证：将检测系统中的阻抗分析仪8改为任意函数发生器，采集数据并结合已有技术分析结果，与之前结果进行比较，对原结果进行验证，所述任意函数发生器为扫频信号发生器和正弦信号发生器，分别采集数据。

如图7，实施例2选取了方形的外包钢筋混凝土结构13，除检测钢管内部混凝土的填充密度及钢管内壁的界面粘结质量外，还检测钢管外壁的界面粘结质量，此类方形钢管混凝土构件的施工大多采取先将多个建筑层的钢管焊接安装就位，用自密实免振捣混凝土先浇筑钢管内混凝土，待外包结构钢筋及模板工程验收合格后，才浇筑钢管外的外包混凝土，形成错层施工。

外包钢筋混凝土结构13的钢管内部混凝土的填充密度及钢管内壁的界面粘结质量的监测方法同圆形钢管，其智能骨料5和PZT反应器的排布方式有所不同，在每个检测面的每条边上均匀布置2个智能骨料5，每个截面设置8个，在钢管截面上平行排列且均匀环绕截面一周，且以检测截面14几何形状中心点为中心形成一一对应，共24个，对智能骨料5进行编号，从上而下编号依次为A1-A8、A9-A18、A19-A24；管壁外PCT布置方法同圆柱形钢管布置，编号分别为B1-B8、B9-B18、B19-B24；其中，A1-A8及B1-B8主要用于检测钢管内壁与核心混凝土的粘结性能，B1-B8及C9-C16主要用于检测钢管外壁与外包混凝土的粘结性能，A1-A8检测核心混凝土的质量。如图7所示，外包钢筋混凝土13结构1218外表面的的PZT反应器4对应钢管壁上PZT反应器4安装，编号分别为C1-C8、C9-C18、C19-C24。

在进行外包钢筋混凝土结构13的钢管外壁的界面粘结质量的检测时，在每个检测截面的最外表面上的对应位置也安装PZT反应器7，用于检测钢管外壁的界面粘结质量，外表面的PZT反应器7、钢管壁上的PZT反应器7和钢管内部对应的智能骨料5三者连成一条直线，该直线通过钢管检测截面14的几何中心。

对于钢管混凝土柱的钢管与混凝土的界面粘结情况，阻抗法的结果表明，钢管混凝土柱内部混凝土自身均匀性好，各检测时间点内部混凝土未见明显的缺陷；对于钢管混凝土柱的钢管与混凝土的界面粘结情况，不同频道下的粘贴于钢管壁的PZT以及嵌入式PZT智能骨料5的机电耦合抗阻法的测量结果均表明，各检测时间段内钢管混凝土柱内混凝土与钢管壁之间粘结性能良好，未出现明显的界面剥离现象；对于钢管混凝土柱的钢管与混凝土的界面粘结情况，阻抗法与波动法结果得到的结论相互吻合，各检测时间点内部混凝土未见明显的缺陷。

在中国发明专利公开文件，CN102507655A中公开了一种小波包技术分析，用于依据PZT技术检测钢管混凝土构件质量事进行高频信号数据分析和相应的结果评估方法，由于这种技术已经充分公开，所以本发明对数据处理和结果评估部分未做赘述。