采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法技术

本发明专利技术公开一种采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法。本发明专利技术将厚度仅为28μm的压电薄膜粘贴在钢管内侧，在离贴面位置2d～30d处开孔引出导线输出压电信号，d为开孔直径，以避免开孔位置的应力集中造成测量位置的约束力测量不准确。利用压电薄膜对动态应力的高度敏感性，通过薄膜上下电极之间电信号的变化来量测钢管与混凝土之间的相互作用力。本发明专利技术装置不会破坏钢管与混凝土界面特性，且膜薄易放置，测试装置简单，测量操作易行，量测结果直观，灵敏度准确度高，可实现受力全过程中套箍约束力的实测，实现在施工或服役过程中对套箍约束力实时检测，可对结构的安全健康实现实时监测。

Test method for uniform and non-uniform binding force of concrete filled steel tubular columns using piezoelectric film

【技术实现步骤摘要】
采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法
本专利技术涉及超声波无损检测的
，特别涉及一种采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法。
技术介绍
钢管混凝土柱在受压过程中，钢管会对核心混凝土产生套箍约束作用，使混凝土的强度和延性都得到大幅度提高，因此，准确测得钢管对核心混凝土的约束作用对掌握钢管混凝土柱的力学性能有着至关重要的作用。但由于钢管对核心混凝土的约束作用的套箍约束力存在于钢管与混凝土间的狭小界面上，普通应力应变的量测装置无法安装，且对于方钢管来说，其对核心混凝土的约束作用还呈不均匀状态，在同一横截面上安装多个量测装置更加无法实现。压电薄膜质轻、膜薄、耐用，且可以无源工作，目前被广泛应用于医用传感器，但在钢管混凝土约束力检测方面尚未见任何报道。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的是提供一种采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法。为实现上述目的，本专利技术提供的采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法，其特征在于：该方法忽略压电薄膜在其平面内所受的应力，将其受力状态简化为只在垂直于压电薄膜上下表面受钢管混凝土约束力的单向应力状态；压电薄膜经过极化处理后，受压时在垂直于极化方向的表面上产生电荷，即薄膜有了压电效应，此时压电薄膜表面输出的电荷量与垂直于表面的压力以及压电薄膜的面积成正比，根据外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的压力，即测得钢管混凝土柱的约束力；包含如下步骤：(1)在核心混凝土浇筑之前，将厚度为28μm，尺寸为0.6cm×0.9cm，有效面积为0.35cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜粘贴在钢管内侧，在离贴面位置2d～30d处开孔引出导线输出压电信号；其目的是为了避免开孔位置的应力集中造成压电薄膜测得的约束力有误差；(2)对钢管混凝土柱进行轴心受压试验，采用分级加载；在加载初期，每级加载为预估极限荷载的1/10，当钢管进入屈服阶段后，每级荷载为极限荷载的1/20，每级持荷时间为2～3min；待每级荷载稳定后记录压电薄膜的电信号变化；(3)计算机分析处理压电薄膜的变化的电信号：根据压电薄膜的压电效应，利用压电薄膜的上下两个电极上聚集的正负电荷量的计算公式(1)：Q＝A·εσ(1)；式中，Q为压电薄膜表面输出的电荷量；A为压电薄膜的面积；ε为压电材料介电常数；σ为待测的约束力；通过实时测定外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的上下表面受到的压力，即实时检测出钢管混凝土柱受到的均匀和非均匀约束力；计算机分析处理压电薄膜的变化的电信号，进而测算出套箍约束力。本专利技术的工作原理如下：本专利技术根据钢管混凝土柱的受力特性，利用压电薄膜对动态应力的高度敏感性，通过薄膜上下电极之间电信号的变化来量测钢管与混凝土之间的相互作用力。本专利技术的优点及有益效果如下：与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术装置不会破坏钢管与混凝土界面特性，且膜薄易放置，测试装置简单，测量操作易行，量测结果直观，灵敏度准确度高，可实现受力全过程中套箍约束力的实测，实现在施工或服役过程中对套箍约束力实时检测，可对结构的安全健康实现实时监测。附图说明图1为本专利技术中采用压电薄膜测量圆钢管混凝土柱均匀约束力对应的检测装置的结构示意图；图2为本专利技术中采用压电薄膜测量方钢管混凝土柱非均匀约束力对应的检测装置的结构示意图。图中：1、钢管混凝土柱，2、压电薄膜，3、导线，4、计算机。具体实施方式下面将结合本专利技术的技术方案及附图说明本专利技术的具体实施方式。在核心混凝土浇筑前将厚度仅为28μm的压电薄膜2粘贴在钢管内侧，在钢管混凝土柱1受荷载作用时，通过压电薄膜2上下电极之间电信号的变化可直接获得均匀和非均匀约束压力。具体而言，该方法包括如下步骤：(1)对某一直径为219mm，长度为657mm的钢管混凝土柱1，内填抗压强度为C40的自密实混凝土，在核心混凝土浇筑之前，将厚度仅为28μm，尺寸为0.6cm×0.9cm，有效面积为0.35cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜2粘贴在钢管内侧，在离贴面位置2d～30d处开孔引出导线3输出压电信号；(2)对钢管混凝土柱1进行轴心受压试验，采用分级加载。在加载初期，每级加载为预估极限荷载的1/10，当钢管进入屈服阶段后，每级荷载为极限荷载的1/20，每级持荷时间约2～3min。待每级荷载稳定后记录压电薄膜2的电信号变化；(3)计算机分析处理压电薄膜2的变化的电信号：根据压电薄膜2的压电效应，利用薄膜的上下两个电极上聚集的正负电荷量的计算公式(1)：Q＝A·εσ，式中，Q为压电薄膜表面输出的电荷量；A为压电薄膜的面积；ε为压电材料介电常数；σ为待测的约束力。以圆钢管均匀约束力为例，在0.2Nu(Nu为极限荷载)、0.35Nu、0.6Nu、0.8Nu、1.0Nu和极限荷载后卸载到0.85Nu时测得的压电薄膜2表面输出的电荷量范围为：0～8.5×10-6C，在0.35Nu之前压电薄膜2表面输出的电荷量为零，即约束力接近为0，在0.6Nu时约束力增加到3.46MPa，0.8Nu时约束力达到6.83MPa，0.8Nu时约束力达到9.85MPa，该结果与有限元计算结果进行对比，两者之间变化趋势完全吻合。上述虽然结合附图对本专利技术的具体实施方式进行了描述，但并非对本专利技术保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本专利技术的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本专利技术的保护范围以内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法，其特征在于：该方法忽略压电薄膜在其平面内所受的应力，将其受力状态简化为只在垂直于压电薄膜上下表面受钢管混凝土约束力的单向应力状态；压电薄膜经过极化处理后，受压时在垂直于极化方向的表面上产生电荷，即薄膜有了压电效应，此时压电薄膜表面输出的电荷量与垂直于表面的压力以及压电薄膜的面积成正比，根据外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的压力，即测得钢管混凝土柱的约束力；包含如下步骤：/n(1)在核心混凝土浇筑之前，将厚度为28μm，尺寸为0.6cm×0.9cm，有效面积为0.35cm

【技术特征摘要】
1.一种采用压电薄膜测量钢管混凝土柱均匀和非均匀约束力的试验方法，其特征在于：该方法忽略压电薄膜在其平面内所受的应力，将其受力状态简化为只在垂直于压电薄膜上下表面受钢管混凝土约束力的单向应力状态；压电薄膜经过极化处理后，受压时在垂直于极化方向的表面上产生电荷，即薄膜有了压电效应，此时压电薄膜表面输出的电荷量与垂直于表面的压力以及压电薄膜的面积成正比，根据外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的压力，即测得钢管混凝土柱的约束力；包含如下步骤：
(1)在核心混凝土浇筑之前，将厚度为28μm，尺寸为0.6cm×0.9cm，有效面积为0.35cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜粘贴在钢管内侧，在离贴面位置2d～30d处开孔引出导线输出压电信号；其目的是为了避免开孔位置的应力集中造成压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁鸿骏，蒋燕鞠，胡霁月，李伟捷，颜宇鸿，王常宝，赵晓博，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42