一种基于压电智能骨料的预应力筋锈蚀深度监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于压电智能骨料的预应力筋锈蚀深度监测方法，采用小波包能量进行分析判断，以小波包分解后的小波包能量为变量，计算不同状态下应力波能量与健康状态下的应力波能量的RMSD值。本发明专利技术成本低廉，操作简单方便，监测过程几乎不受外界因素的影响，能较准确的确定预应力混凝土内部锈蚀深度情况，为结构安全评估提供可靠的依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电智能骨料的预应力筋锈蚀深度监测方法
本专利技术涉及土木工程结构健康监测
，具体是一种基于压电智能骨料的预应力混凝土结构锈蚀深度监测方法。
技术介绍
由于高强钢丝的使用，预应力混凝土以其自重较轻、刚度大以及抗震、抗裂缝性能好的优点而在实际工程中得到广泛的应用。然而，近几十年来，出现了很多预应力混凝土结构失效的事故，究其原因，大部分是由于耐久性失效，而预应力筋锈蚀，是导致预应力混凝土耐久性失效的主要模式。当预应力混凝土结构长期处于易腐蚀环境中，钢绞线会发生锈蚀，其锈蚀产物将附着于钢筋表面，体积可达原体积的2～6倍，钢绞线强度和伸长率等力学性能会因锈蚀作用发生退化，从而影响结构安全。目前，对预应力混凝土健康监测的方法主要有超声波法、声发射法、光栅法等技术，这些技术都存在设备价格昂贵、监测过程复杂、体积大、对操作人员经验技术要求较高且易受环境影响和监测位置在可触及范围内等缺点。最关键的是这些监测方法主要针对混凝土裂缝，适用范围有限。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于压电智能骨料的预应力筋锈蚀深度监测方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于压电智能骨料的预应力筋锈蚀深度监测方法，包括以下步骤：1)将智能骨料预埋至预应力筋的相应位置并引出数据传输线，从距离预应力筋锚端最近的智能骨料开始，对智能骨料依次编号；2)在内径为d，外径为D，壁厚标称值为H的圆形预应力波纹管内张拉预应力筋，压浆，自然养护，封锚后浇筑混凝土，制作混凝土用作梁体构件；3)对梁体构件锚固端进行封锚，将压电陶瓷片粘贴于预应力筋端头，该压电陶瓷片作为驱动器进行信号激励；4)在步骤3)制作的梁体构件达到设计强度后，将预埋的智能骨料和粘贴于预应力筋端头的压电陶瓷片通过BNC接头与多功能数据采集设备连接，同时将计算机与多功能数据采集设备连接；5)多功能数据采集设备驱动压电陶瓷片发出正弦扫频信号，同时多功能数据采集设备采集智能骨料接收到的压电陶瓷片发出的信号；6)对智能骨料接收到的信号进行小波包能量分析，得到的结果作为初始的能量值Eh,j；7)在梁体构件需要检测时，按照步骤4)～步骤6)的方法采集信号，并利用该信号计算出需要检测时的能量Ei,j，然后计算出损伤指标I：当I趋近于0，说明预应力筋未发生锈蚀，相反，当I趋近于1，锈蚀程度越严重；N为小波包分解的级数；8)分析计算沿梁体构件纵向布置的各个智能骨料的损伤指标I，确定在压电陶瓷片与智能骨料之间预应力筋的锈蚀状况，从而确定预应力筋的锈蚀深度。步骤1)中，内径d为60mm，外径D为73mm，壁厚标称值H为2.5mm。步骤1)中，预应力筋直径为15.2mm。步骤3)中，将压电陶瓷片粘贴于预应力筋端头后，用AB胶浆压电陶瓷片覆盖。步骤5)中，正弦扫频信号频率为100Hz-150kHz，幅值为10V。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术成本低廉，操作简单方便，监测过程几乎不受外界因素的影响，能较准确的确定预应力混凝土内部锈蚀深度情况，为结构安全评估提供可靠的依据。附图说明图1为本专利技术监测系统结构图；图2为本专利技术直线波纹管监测原理图；图3为本专利技术曲线波纹管监测原理图；图4为本专利技术压电陶瓷片粘贴于预应力筋的大样图；图5为本专利技术预应力筋锈蚀后大样图；其中，①-智能骨料；②-压电陶瓷片；③-端锚；④-预应力管道；⑤-混凝土；⑥-预应力筋；⑦-灌浆料；⑧-锈蚀产物。具体实施方式在预应力混凝土中，预应力筋发生锈蚀的情况通常是由端锚处开始由外向内延伸，这是因为端锚处所采取灌浆液密封措施一旦失效或产生裂缝，空气中的氧气与水分便会与预应力筋发生化学反应而锈蚀，且这种锈蚀会沿着钢绞线之间的缝隙由外向内发展。所以第一个压电智能骨料的布置选择在锚固端距离混凝土表面1cm处，其他压电智能骨料间距5cm沿波纹管纵向依次分布，压电智能骨料下侧紧贴预应力管道的正上方，这些压电智能骨料均是作为压电传感器接收信号。在预应力筋张拉封锚完成之后，在预应力筋端头粘贴一个压电陶瓷片，粘贴完成后用AB胶覆盖压电陶瓷片，该压电陶瓷片是作为压电驱动器产生信号。所述作为传感器的压电智能骨料分别通过导线与NI6363多功能数据采集器连接；所述作为驱动器的压电陶瓷片也通过导线与NI6363多功能数据采集设备连接。所述NI6363多功能数据采集设备则通过USB数据线与计算机连接。该系统具体工作形式为通过计算机上多功能采集设备配套软件LabVIEW控制多功能数据采集设备NI6363发出高频信号，该信号激励作为驱动器的压电陶瓷片。压电陶瓷片所产生的信号由作为传感器的压电智能骨料接收，并将接收到的信号通过导线传输至多功能数据采集设备NI6363，最后所采集信号由NI6363传输至计算机。当压电陶瓷片与压电智能骨料之间的预应力筋没有发生锈蚀时，则计算机分析出的信号能量指标与初始信号能量指标基本保持一致。当预应力筋发生锈蚀时，锈蚀产物附着于预应力筋表面产生空隙，导致压电陶瓷片和压电智能骨料之间的介质改变，则计算机分析出来的信号能量质变将小于初始信号能量指标。本专利技术所述基于小波包能量的分析，由于应力波在传播路径中存在三种介质，即预应力筋、混凝土和预应力管道，过程较为复杂，当预应力筋发生锈蚀之后，由于锈蚀产物的存在，使得应力波传播过程更为复杂。所采集信号的幅值是信号能量的体现，作为驱动器的压电陶瓷片在电信号的作用下通过振动产生高频应力波，该应力波在混凝土内部传播时在损伤截面上将发生反射和折射等现象，导致通过相应位置的应力波信号发生变化，从而表现出压电智能骨料输出的电信号的变化，通过比较该变化来实现对预应力筋锈蚀情况的识别。本专利技术中采用小波包能量进行分析判断，以小波包分解后的小波包能量为变量，计算不同状态下应力波能量与健康状态下的应力波能量的RMSD(均方根偏差)值，RMSD是一种比较健康状态与损伤状态的信号之间差别的合适的损伤指标。损伤指标定义：传感器信号被一个N级的小波包分解2N信号组{X1,X2···X2n}。Ei,j是损伤状态下分解信号的能量，表达式为而Xj＝[Xj,1，Xj,2···Xj,m]，其中i为时间指标，j为频带(j＝1，2，···2n)，m为采样数据个数；Eh,j是健康状态下的能量指标。本专利技术中可选取构件中预应力筋为发生锈蚀状态下的压电信号作为初始能量指标Eh,j，在后期监测过程当中，若所得Ei,j与Eh,j相近，损伤指数I近似于0，则说明该区域预应力筋未发生锈蚀；相反若监测区域中，预应力筋发生了锈蚀，则Ei,j将小于Eh,j，且锈蚀越严重，损伤指数越趋向于1。本专利技术具体实现过程如下步骤一、如图2和图3所示，在内径d为60mm，外径D为73mm，壁厚标称值为2.5mm的圆形预应力波纹管内张拉根公称直径15.2mm的预应力筋，压浆，自然养护，封锚后浇筑C50的混凝土。步骤二、在构件的混凝土浇筑前，将智能骨料预埋至相应设位置并引出数据传输线。第一个压电智能骨料的布置选择在锚固端距离混凝土表面1cm处，其他压电智能骨料按间距5cm沿波纹管纵向依次分布，压电智能骨料下侧紧贴预应力管道的正上方。从距离预应力筋锚端最近的智能骨料开始，对智能骨料依次编号，这些智能骨料均是作为传感器进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压电智能骨料的预应力筋锈蚀深度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将智能骨料预埋至预应力筋的相应位置并引出数据传输线，从距离预应力筋锚端最近的智能骨料开始，对智能骨料依次编号；2)在内径为d，外径为D，壁厚标称值为H的圆形预应力波纹管内张拉预应力筋，压浆，自然养护，封锚后浇筑混凝土，制作混凝土用作梁体构件；3)对梁体构件锚固端进行封锚，将压电陶瓷片粘贴于预应力筋端头，该压电陶瓷片作为驱动器进行信号激励；4)在步骤3)制作的梁体构件达到设计强度后，将预埋的智能骨料和粘贴于预应力筋端头的压电陶瓷片通过BNC接头与多功能数据采集设备连接，同时将计算机与多功能数据采集设备连接；5)多功能数据采集设备驱动压电陶瓷片发出正弦扫频信号，同时多功能数据采集设备采集智能骨料接收到的压电陶瓷片发出的信号；6)对智能骨料接收到的信号进行小波包能量分析，得到的结果作为初始的能量值E

【技术特征摘要】
1.一种基于压电智能骨料的预应力筋锈蚀深度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将智能骨料预埋至预应力筋的相应位置并引出数据传输线，从距离预应力筋锚端最近的智能骨料开始，对智能骨料依次编号；2)在内径为d，外径为D，壁厚标称值为H的圆形预应力波纹管内张拉预应力筋，压浆，自然养护，封锚后浇筑混凝土，制作混凝土用作梁体构件；3)对梁体构件锚固端进行封锚，将压电陶瓷片粘贴于预应力筋端头，该压电陶瓷片作为驱动器进行信号激励；4)在步骤3)制作的梁体构件达到设计强度后，将预埋的智能骨料和粘贴于预应力筋端头的压电陶瓷片通过BNC接头与多功能数据采集设备连接，同时将计算机与多功能数据采集设备连接；5)多功能数据采集设备驱动压电陶瓷片发出正弦扫频信号，同时多功能数据采集设备采集智能骨料接收到的压电陶瓷片发出的信号；6)对智能骨料接收到的信号进行小波包能量分析，得到的结果作为初始的能量值Eh,j；7)在梁体构件需要检测时，按照步骤4)～步骤6)的方法采集信号，并利用该信号计算出需要检测时的能量Ei,j，然后计算出损伤指标I...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋田勇，唐超，王磊，赵虹，龚奇丰，余希洋，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43