一种利用压电陶瓷传感器的钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土灌浆密实性监测方法

摘要

本发明提供了一种利用压电陶瓷传感器的钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土灌浆密实性监测方法，属于土木工程结构健康监测领域。通过支架将压电陶瓷圆环传感器布设于钢管混凝土拱桥拱肋钢管中央；将多个压电陶瓷片传感器粘贴于钢管混凝土拱桥拱肋钢管外壁，对粘贴压电陶瓷片传感器处的钢管做绝缘处理；使用时将压电陶瓷圆环传感器作为激励端，发射信号；将压电陶瓷片传感器作为信号接收端，接收信号；本发明原理简单，传感器布设方便，成本低廉、不会影响原结构性能，操作便捷，能够实现施工过程中钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土灌浆密实性的监测，还可以应用于服役过程中内部混凝土和钢管之间剥离情况的监测，具有很好地工程应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用压电陶瓷传感器的钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土灌浆密实性监测方法，适用于钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土灌浆密实性的监测，属于土木工程结构健康监测领域。

背景技术

钢管混凝土拱桥属于钢——混凝土组合结构中的一种。钢管混凝土拱桥是将钢管内填充混凝土，由于钢管的径向约束而限制受压混凝土的膨胀，使混凝土处于三向受压状态，从而显著提高混凝土的抗压强度。钢管混凝土结构具有承载力高、延性好，抗震性能优越，耐火性好，抗腐蚀能力强等优点。钢管兼有纵向主筋和横向套箍的作用，同时可作为施工模板，方便混凝土浇筑，施工过程中，钢管可作为劲性承重骨架，其焊接工作简单，吊装重量轻，从而能简化施工工艺，缩短施工工期。由于钢管混凝土结构具有普通钢筋混凝土结构无法比拟的优点，使得钢管混凝土拱桥在桥梁工程中得到越来越广泛的应用。在实际工程中，最大的钢管混凝土拱桥单孔跨径已达500米以上。钢管混凝土拱桥拱肋钢管中混凝土的灌注多采用顶升法工艺，拱肋钢管内混凝土顶升至一定高度后混凝土与钢管壁的夹角会小于空气临界逃逸角，当混凝土自由表面离钢管内顶面很近时，空气容易被混凝土自由表面波浪或涌浪封住而形成气腔，造成钢管混凝土内部的空腔。在实际调查过程中灌浆不密实经常发生在拱顶部位，且灌浆饱满度一般大于50％。当钢管混凝土内部有空腔缺陷时，会造成钢管混凝土结构承载能力和刚度的下降，并且由于钢管混凝土空腔界面形状的不规则容易造成结构的偏心受压，降低结构的稳定性，所以在实际工程中对于钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土灌浆密实性的监测很重要。

目前对钢管混凝土拱桥拱肋混凝土灌注密实性监测的主要方法有：人工敲击法、冲击回波法、超声探测法。

由于压电陶瓷材料具有正压电效应和逆压电效应，既可作为传感器又可作为作动器，所以在结构健康监测领域得到广泛应用。本发明充分利用压电陶瓷材料的正压电效应和逆压电效应，通过合理的布置压电陶瓷传感器，并结合波动理论可以实现钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土灌浆密实性的监测。

发明内容

为了使压电陶瓷材料能够更好地适应钢管混凝土拱桥拱肋钢管的结构形式，本发明采用压电陶瓷圆环传感器和压电陶瓷片传感器，能够实现钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土不同灌浆程度的监测，具有很好地工程应用前景。

本发明的技术方案：

一种利用压电陶瓷传感器的钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土灌浆密实性监测方法，步骤如下：通过支架将压电陶瓷圆环传感器布设于钢管混凝土拱桥拱肋钢管中央；将压电陶瓷片传感器粘贴于钢管混凝土拱桥拱肋钢管外壁，对粘贴压电陶瓷片传感器处的钢管做绝缘处理；使用时将压电陶瓷圆环传感器作为激励端，发射信号；将压电陶瓷片传感器作为信号接收端，接收信号；监测设备包括计算机、数据采集卡和功率放大器；

所述的压电陶瓷圆环传感器包括压电陶瓷圆环、防水防电涂层、电磁屏蔽涂层、水泥砂浆保护层和导线，在压电陶瓷圆环的正负极焊接导线，在焊接有导线的压电陶瓷圆环表面涂敷一层防水防电涂层，在防水防电涂层外表面涂敷电磁屏蔽涂层，在电磁屏蔽涂层外浇筑水泥砂浆保护层即形成压电陶瓷圆环传感器。

在钢管混凝土拱桥拱肋钢管上布设四个压电陶瓷片传感器，分别在钢管顶部、底部和两侧中上部；对钢管混凝土拱桥拱肋钢管进行混凝土灌浆时，同时对压电陶瓷圆环传感器进行激励，由压电陶瓷片传感器接收信号，计算接收信号的能量；当未向钢管灌注混凝土时由于压电陶瓷圆环传感器与压电陶瓷片传感器之间无介质传递应力波，压电陶瓷片传感器接收信号的能量为零；当灌浆至达到钢管截面一半时，压电陶瓷圆环传感器与底部的压电陶瓷片传感器之间充满混凝土介质，由压电陶瓷圆环传感器激励产生的应力波信号通过混凝土介质被底部的压电陶瓷片传感器接收，此时底部的压电陶瓷片传感器接收到的信号能量突然呈现剧烈增加，反映灌浆至达到钢管截面一半；当灌浆继续进行，混凝土充满压电陶瓷圆环传感器与中上部压电陶瓷片传感器之间时，此时中上部压电陶瓷片传感器接收到的信号能量会突然呈现剧烈增加，从而反映灌浆达到压电陶瓷片传感器所在的位置；当灌浆继续进行，混凝土充满整个钢管时，此时顶部压电陶瓷片传感器接收到的信号能量会突然呈现剧烈增加，从而反映灌浆已经饱满。此外通过改变中上部压电陶瓷片传感器的位置或者合理增加压电陶瓷片传感器的布设数量可以实现灌浆50％到灌浆饱满的任意程度监测。

本发明的有益效果：

(1)压电陶瓷传感器布置形式简单，安装方便，可以快速布设。

(2)与普通压电陶瓷传感器相比，压电陶瓷圆环传感器发射信号的功率大，能够使应力波传播的更远，更适合钢管混凝土拱桥拱肋钢管尺寸大、钢管厚度大的特点，并且与混凝土材料相容性好，不影响原结构性能。

(3)本发明采用的压电陶瓷传感器及布设方法克服了传统压电陶瓷传感器只能沿单一方向激励和采集信号的缺点；对比传统方式可以减少内部传感器的布设数量，增强实用性。

(4)既可用于施工过程中钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土灌浆密实性的监测，也可用于服役过程中混凝土与钢管之间剥离脱空情况的监测。

(5)成本低、响应快、操作简单、便于批量化应用。

附图说明

图1是本发明的压电陶瓷传感器布设方式图。

图2(a)-图2(d)是本发明的在拱肋钢管不同灌浆程度时监测原理图。

图中：1顶部的压电陶瓷片传感器；2中上部的压电陶瓷片传感器；3底部的压电陶瓷片传感器；4拱肋钢管；5压电陶瓷圆环传感器；6支架；7混凝土。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明提供了一种利用压电陶瓷传感器的钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土灌浆密实性监测方法，具体实施方案如下：

根据实际工程需要选取不同尺寸、规格的压电陶瓷圆环传感器和压电陶瓷片传感器，在压电陶瓷圆环传感器的正负极焊接导线，对其做好保护之后通过支架布设于钢管混凝土拱桥拱肋钢管中央；将压电陶瓷片传感器合理粘贴于钢管混凝土拱桥拱肋钢管外壁，并做好与钢管的绝缘措施。使用时将压电陶瓷圆环传感器作为激励端，发射信号；将钢管混凝土拱桥拱肋钢管外壁压电陶瓷片传感器作为信号接收端，接收信号。监测设备包括：电脑、数据采集卡和功率放大器。

监测流程如下：

在钢管混凝土拱桥拱肋钢管关键位置，如拱顶，按图1方式布设压电陶瓷传感器；对拱肋钢管进行混凝土灌浆操作，同时对压电陶瓷圆环传感器进行激励，由拱肋钢管外壁压电陶瓷片传感器接收信号，计算接收到的信号能量。当未向钢管灌注混凝土时由于压电陶瓷圆环传感器与压电陶瓷片传感器之间无介质传递应力波，所以压电陶瓷片传感器接收到的信号能量为零；当灌浆继续进行，灌浆达到一半时，压电陶瓷圆环传感器与底部压电陶瓷片传感器之间充满混凝土介质，由压电陶瓷圆环传感器激励产生的应力波信号可以通过混凝土介质被底部压电陶瓷片传感器接收，此时底部压电陶瓷片传感器接收到的信号能量会突然呈现剧烈增加，从而反映灌浆达到一半；当灌浆继续进行，混凝土充满压电陶瓷圆环传感器与中上部压电陶瓷片传感器之间时，此时中上部压电陶瓷片传感器接收到的信号能量会突然呈现剧烈增加，从而反映灌浆达到压电陶瓷片传感器所在的位置；当灌浆继续进行，混凝土充满整个钢管时，此时顶部压电陶瓷片传感器接收到的信号能量会突然呈现剧烈增加，从而反映灌浆已经饱满。此外通过改变中上部压电陶瓷片传感器的位置或者合理增加压电陶瓷片传感器的布设数量可以实现灌浆50％到灌浆饱满的任意程度监测。综上所述，当钢管外壁压电陶瓷片传感器接收到的信号能量呈现剧烈增加时，即可认为灌注混凝土到达该压电陶瓷片传感器的布设位置。因此，通过合理布设压电陶瓷传感器，本方法可以实现对钢管混凝土拱桥拱肋钢管混凝土灌浆50％到灌浆饱满的任意程度监测。

本发明与现有技术相比有如下优点：传感器布置简单、发射信号功率大、与混凝土结构相容性好，操作方便，既可用于施工过程灌浆密实性监测又可用于使用过程中混凝土与钢管剥离脱空情况监测。此外，针对具体工程实际，可以选取不同尺寸、不同规格、不同数量的压电陶瓷传感器通过合理的布设方式，实现钢管混凝土拱桥拱肋混凝土灌浆密实性的监测，以适应工程需要。