用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设及方法技术

本发明专利技术提出用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设及方法，布设结构包括混凝土部分、智能骨料、监测控制模块和分析模块；混凝土部分位于桥墩外侧和BFRP膜壳内侧；智能骨料成对设置且在混凝土部分中环向对称分布形成监测阵列；智能骨料内置PZT元件形成发射端或接收端；监测控制模块与监测阵列相连；分析模块与监测控制模块相连；当进行施工质量监测时，监测控制模块控制监测阵列的发射端发射探测信号，并控制监测阵列的接收端对探测信号和探测信号传播时形成的响应信号进行采集；分析模块根据监测控制模块接收的监测阵列信号采集结果对施工质量进行评估；本发明专利技术能够在线实时灵敏的感应监测到水下不分散混凝土自浇筑到水化完成强度变化的全过程。

【技术实现步骤摘要】
用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设及方法
本专利技术涉及水下混凝土工程强度监测领域，尤其是用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设及方法。
技术介绍
桥梁由于服役年限及交通量与日剧增等原因，各种结构病害相继出现。桥墩与桩基等桥梁下部结构的性能直接关系到桥梁的承载能力与耐久性，承载能力削弱、耐久性下降将影响桥梁的安全性。传统水下结构加固技术都需要排水、阻水处理，这些方法所必须的围堰、基础防渗和基坑排水等辅助手段往往需要耗费大量的时间和费用，且施工过程中占用航道空间，社会影响大。为了克服上述不足，不排水快速加固技术应运而生。不排水快速加固技术是由环氧树脂粘贴和张拉6层BFRP布，利用不锈钢板进行螺栓连接组合而成的膜壳。环向围住待加固的混凝土桥墩，上下各留20mm的未加固端，环向预留40mm空隙浇筑水下不分散混凝土进行加固。然而在水下工程施工中，由于水面的掩盖导致隐蔽工程的产生，如果未能及时发现质量问题，会对后续施工造成影响。而这种隐蔽性的质量问题一旦产生，便不容易发现问题所在，也会因解决问题而破坏正常施工工序，导致工程质量无法保证。混凝土强度是判断混凝土结构在施工和后期使用中的一个重要性能评价参数。为了测定和预测混凝土强度，国内外工程界出现了很多无损检测方法。测定法是指在现场或实验室基于现有规范和标准对混凝土强度进行测定，主要包括回弹法、超声法以及抗压强度试验等方法。预测法是指根据混凝土早期强度变化曲线来推定混凝土早期强度实时变化趋势，主要包括快速试验强度、快速测定水灰比、利用成熟度推定和早龄期强度推定等方法。虽然这些混凝土早期测定和预测方法都已比较成熟，各具优点，但也不可避免的存在一定的局限性。如回弹法只能测得混凝土表层的质量情况，内部情况却无法得知；超声法所需设备昂贵；抗压强度试验法试块与结构有时不能做到同条件养护，预测法需要在现场或实验室进行大量的试验。另外，这些方法在测试时需要接近结构物，测试效率低下，而且无法真正实现在线实时监测。因此，目前迫切需要一个精度高并且能够在线实时监测混凝土强度发展的监测方法。
技术实现思路
本专利技术提出用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设及方法，能够在线实时灵敏的感应监测到水下不分散混凝土自浇筑到水化完成强度变化的全过程。本专利技术采用以下技术方案。用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设结构，所述布设结构包括混凝土部分、智能骨料、监测控制模块和分析模块；所述混凝土部分以专门用于水下工程加固的不分散自应力混凝土成型；所述混凝土部分位于桥墩外侧和BFRP膜壳内侧；所述智能骨料成对设置且在所述混凝土部分中环向对称分布形成监测阵列；所述智能骨料内置既可以发射信号又可以接收信号的PZT压电陶瓷元件，智能骨料按其布设位置分为发射端和接收端；所述监测控制模块与监测阵列相连；所述分析模块与监测控制模块相连；当进行施工质量监测时，监测控制模块控制监测阵列的发射端发射探测信号，并控制监测阵列的接收端对探测信号和探测信号传播时形成的响应信号进行采集；分析模块根据监测控制模块接收的监测阵列信号采集结果对施工质量进行评估。所述智能骨料包括压电陶瓷驱动器、压电陶瓷传感器；当监测控制模块控制监测阵列进行施工质量监测时，监测控制模块按智能骨料的分布，把各智能骨料分别设为发射端和接收端。当监测控制模块控制监测阵列进行施工质量监测时，监测控制模块把位于桥墩外侧处的智能骨料设为发射端，把BFRP膜壳内侧的智能骨料设为接收端；所述监测控制模块向发射端输出扫频正弦波形信号激励压电陶瓷驱动器发出探测信号，监测控制模块经接收端的压电陶瓷传感器采集探测信号传播过程形成的响应信号并将其送至分析模块。所述分析模块对接收端采集到的信号做频域分析，根据接收信号的共振频率偏移来判断填充层混凝土的强度变化；对信号进行能量分析，根据已有的混凝土强度与能量的关系式来计算混凝土在任意时间内的强度，以此判断在规定龄期，混凝土的强度是否达到施工标准。所述监测控制模块包括兼有发射和采集信号功能的NIUSB-6363系列板卡；当监测控制模块控制监测阵列进行施工质量监测时，NIUSB-6363系列板卡向发射端输出一个1kHz-300kHz的线性扫频正弦波信号；正弦波信号的能量定义为：公式中，Xi(n)代表的是信号内某一时刻的序列信号；所述分析模块为用于信号观察处理和存储的计算设备，分析模块经监测控制模块收到响应信号时对信号进行显示，分析模块对探测信号存储时对信号进行滤波处理以保证信号的真实有效性。所述智能骨料包括焊接有屏蔽导线(9)的压电陶瓷片(10)、防水涂层(8)、环氧树脂层(11)和钢模(12)；压电陶瓷片为PZT片；PZT片表面涂覆有防水涂层；所述屏蔽导线从钢模的表面预留孔洞处穿出；钢模以环氧树脂层封装并经环氧树脂层与混凝土部分相连。所述智能骨料内的压电陶瓷驱动器、压电陶瓷传感器的间距为40mm；PZT片直径10mm、钢模直径20mm，屏蔽导线直径2.5mm。所述传感器布设结构的使用方法包括以下步骤；A1、在混凝土桥墩柱外侧、BFRP膜壳内侧环向对称安装智能骨料，将其分别用屏蔽导线接入NIUSB-6363系列板卡，再用导线将NIUSB-6363系列板卡与信号显示、处理、存储的计算设备PC机终端相连；A2、把位于桥墩外侧处的智能骨料设为发射端，把BFRP膜壳内侧的智能骨料设为接收端，对智能骨料进行分组，每组智能骨料由一个发射端和一个离该发射端距离最近的接收端组成；A3、对发射端发射线性扫频正弦波信号进行激励，频率为1kHz～300kHz；使发射端发出探测信号。A4、板卡利用接收端接收发射端透过混凝土传来的探测信号，PC机终端通过板卡采集信号。A5、PC机终端对采集到的信号进行FFT变换，根据共振频率的大小判断混凝土强度；也可直接求信号的能量值确定混凝土强度。所述混凝土部分以加入抗分散剂、膨胀剂、减水剂专门用于水下工程加固的混凝土经自流平自密实成型，以抑制水下施工过程的水泥、骨料分散现象。本专利技术把压电陶瓷智能骨料传感器以特定结构进行布设，用于混凝土桥墩不排水快速加固的水下不分散自应力混凝土强度健康监测，具有体积小、能耗低、灵敏度高、响应快、成本低廉、可按照需求埋入任何位置等优点，由其布设和构成的结构健康监测方法能够在线实时灵敏的感应监测到水下不分散自应力混凝土自浇筑到水化完成强度变化的全过程，从而真正实现在混凝土桥墩加固施工初期进行包括强度预测在内的在线实时结构健康监测的工程意义，达到加固施工质量控制的目的，确保在混凝土桥墩结构中水下混凝土材料的实际强度，对结构的状态及安全具有重要意义。本专利技术在混凝土桥墩柱外侧、BFRP膜壳内侧对应位置环向对称安装多组智能骨料，混凝土桥墩柱中是荷载下最易发生损伤破坏的地方，因此，监测柱中附件的加固混凝土强度可以反映结构的加固施工质量。本专利技术每组智能骨料包括一个压电陶瓷驱动器和一个传感器。智能骨料是由焊接有屏蔽导线的压电陶瓷(PZT)片、外层防水涂层、环氧树脂保护层和钢模保护层组成。PZT片安装在中间位置，并用环氧树脂进行粘结与封装从而实现PZT片与外界的绝缘、防潮、隔热等，选用近似于混凝土骨料尺寸的钢模作为表层保护材料。这种封装方法不需去除钢模，不仅可以增强声源的定向振动，抑制压电智能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设结构，其特征在于：所述布设结构包括混凝土部分、智能骨料、监测控制模块和分析模块；所述混凝土部分以专门用于水下工程加固的不分散自应力混凝土成型；所述混凝土部分位于桥墩外侧和BFRP膜壳内侧；所述智能骨料成对设置且在所述混凝土部分中环向对称分布形成监测阵列；所述智能骨料内置既可以发射信号又可以接收信号的PZT压电陶瓷元件，智能骨料按其布设位置分为发射端和接收端；所述监测控制模块与监测阵列相连；所述分析模块与监测控制模块相连；当进行施工质量监测时，监测控制模块控制监测阵列的发射端发射探测信号，并控制监测阵列的接收端对探测信号和探测信号传播时形成的响应信号进行采集；分析模块根据监测控制模块接收的监测阵列信号采集结果对施工质量进行评估。

【技术特征摘要】
1.用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设结构，其特征在于：所述布设结构包括混凝土部分、智能骨料、监测控制模块和分析模块；所述混凝土部分以专门用于水下工程加固的不分散自应力混凝土成型；所述混凝土部分位于桥墩外侧和BFRP膜壳内侧；所述智能骨料成对设置且在所述混凝土部分中环向对称分布形成监测阵列；所述智能骨料内置既可以发射信号又可以接收信号的PZT压电陶瓷元件，智能骨料按其布设位置分为发射端和接收端；所述监测控制模块与监测阵列相连；所述分析模块与监测控制模块相连；当进行施工质量监测时，监测控制模块控制监测阵列的发射端发射探测信号，并控制监测阵列的接收端对探测信号和探测信号传播时形成的响应信号进行采集；分析模块根据监测控制模块接收的监测阵列信号采集结果对施工质量进行评估。2.根据权利要求1所述的用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设结构，其特征在于：所述智能骨料包括压电陶瓷驱动器、压电陶瓷传感器；当监测控制模块控制监测阵列进行施工质量监测时，监测控制模块按智能骨料的分布，把各智能骨料分别设为发射端和接收端。3.根据权利要求2所述的用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设结构，其特征在于：当监测控制模块控制监测阵列进行施工质量监测时，监测控制模块把位于桥墩外侧处的智能骨料设为发射端，把BFRP膜壳内侧的智能骨料设为接收端；所述监测控制模块向发射端输出扫频正弦波形信号激励压电陶瓷驱动器发出探测信号，监测控制模块经接收端的压电陶瓷传感器采集探测信号传播过程形成的响应信号并将其送至分析模块。4.根据权利要求3所述的用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设结构，其特征在于：所述分析模块对接收端采集到的信号做频域分析，根据接收信号的共振频率偏移来判断填充层混凝土的强度变化；对信号进行能量分析，根据已有的混凝土强度与能量的关系式来计算混凝土在任意时间内的强度，以此判断在规定龄期，混凝土的强度是否达到施工标准。5.根据权利要求4所述的用于桥墩不排水加固施工质量监测的传感器布设结构，其特征在于：所述监测控制模块包括兼有发射和采集信号功能的NIUSB-6363系列板卡；当监测控制模块控制监测阵列进行施工质量监测时，NIUSB-6363系列...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜绍飞，杨文君，王娟，麻胜兰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35