[發明專利]一種利用壓電陶瓷傳感器的鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性監測方法

有效

• 申請號: 201610429053.4
• 申請日: 2016-06-15
• 公開（公告）號: CN106087696B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 田振;李宏男;宋鋼兵;霍林生
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: E01D4/00
• 分類號: E01D4/00;E01D19/00;E01D21/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 溫福雪,李寶元

技術領域

本發明涉及一種利用壓電陶瓷傳感器的鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性監測方法，適用于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性的監測，屬于土木工程結構健康監測領域。

背景技術

鋼管混凝土拱橋屬于鋼——混凝土組合結構中的一種。鋼管混凝土拱橋是將鋼管內填充混凝土，由于鋼管的徑向約束而限制受壓混凝土的膨脹，使混凝土處于三向受壓狀態，從而顯著提高混凝土的抗壓強度。鋼管混凝土結構具有承載力高、延性好，抗震性能優越，耐火性好，抗腐蝕能力強等優點。鋼管兼有縱向主筋和橫向套箍的作用，同時可作為施工模板，方便混凝土澆筑，施工過程中，鋼管可作為勁性承重骨架，其焊接工作簡單，吊裝重量輕，從而能簡化施工工藝，縮短施工工期。由于鋼管混凝土結構具有普通鋼筋混凝土結構無法比擬的優點，使得鋼管混凝土拱橋在橋梁工程中得到越來越廣泛的應用。在實際工程中，最大的鋼管混凝土拱橋單孔跨徑已達500米以上。鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管中混凝土的灌注多采用頂升法工藝，拱肋鋼管內混凝土頂升至一定高度后混凝土與鋼管壁的夾角會小于空氣臨界逃逸角，當混凝土自由表面離鋼管內頂面很近時，空氣容易被混凝土自由表面波浪或涌浪封住而形成氣腔，造成鋼管混凝土內部的空腔。在實際調查過程中灌漿不密實經常發生在拱頂部位，且灌漿飽滿度一般大于50％。當鋼管混凝土內部有空腔缺陷時，會造成鋼管混凝土結構承載能力和剛度的下降，并且由于鋼管混凝土空腔界面形狀的不規則容易造成結構的偏心受壓，降低結構的穩定性，所以在實際工程中對于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性的監測很重要。

目前對鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注密實性監測的主要方法有：人工敲擊法、沖擊回波法、超聲探測法。

由于壓電陶瓷材料具有正壓電效應和逆壓電效應，既可作為傳感器又可作為作動器，所以在結構健康監測領域得到廣泛應用。本發明充分利用壓電陶瓷材料的正壓電效應和逆壓電效應，通過合理的布置壓電陶瓷傳感器，并結合波動理論可以實現鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性的監測。

發明內容

為了使壓電陶瓷材料能夠更好地適應鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管的結構形式，本發明采用壓電陶瓷圓環傳感器和壓電陶瓷片傳感器，能夠實現鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土不同灌漿程度的監測，具有很好地工程應用前景。

本發明的技術方案：

一種利用壓電陶瓷傳感器的鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管混凝土灌漿密實性監測方法，步驟如下：通過支架將壓電陶瓷圓環傳感器布設于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管中央；將壓電陶瓷片傳感器粘貼于鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管外壁，對粘貼壓電陶瓷片傳感器處的鋼管做絕緣處理；使用時將壓電陶瓷圓環傳感器作為激勵端，發射信號；將壓電陶瓷片傳感器作為信號接收端，接收信號；監測設備包括計算機、數據采集卡和功率放大器；

所述的壓電陶瓷圓環傳感器包括壓電陶瓷圓環、防水防電涂層、電磁屏蔽涂層、水泥砂漿保護層和導線，在壓電陶瓷圓環的正負極焊接導線，在焊接有導線的壓電陶瓷圓環表面涂敷一層防水防電涂層，在防水防電涂層外表面涂敷電磁屏蔽涂層，在電磁屏蔽涂層外澆筑水泥砂漿保護層即形成壓電陶瓷圓環傳感器。

在鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管上布設四個壓電陶瓷片傳感器，分別在鋼管頂部、底部和兩側中上部；對鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管進行混凝土灌漿時，同時對壓電陶瓷圓環傳感器進行激勵，由壓電陶瓷片傳感器接收信號，計算接收信號的能量；當未向鋼管灌注混凝土時由于壓電陶瓷圓環傳感器與壓電陶瓷片傳感器之間無介質傳遞應力波，壓電陶瓷片傳感器接收信號的能量為零；當灌漿至達到鋼管截面一半時，壓電陶瓷圓環傳感器與底部的壓電陶瓷片傳感器之間充滿混凝土介質，由壓電陶瓷圓環傳感器激勵產生的應力波信號通過混凝土介質被底部的壓電陶瓷片傳感器接收，此時底部的壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量突然呈現劇烈增加，反映灌漿至達到鋼管截面一半；當灌漿繼續進行，混凝土充滿壓電陶瓷圓環傳感器與中上部壓電陶瓷片傳感器之間時，此時中上部壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量會突然呈現劇烈增加，從而反映灌漿達到壓電陶瓷片傳感器所在的位置；當灌漿繼續進行，混凝土充滿整個鋼管時，此時頂部壓電陶瓷片傳感器接收到的信號能量會突然呈現劇烈增加，從而反映灌漿已經飽滿。此外通過改變中上部壓電陶瓷片傳感器的位置或者合理增加壓電陶瓷片傳感器的布設數量可以實現灌漿50％到灌漿飽滿的任意程度監測。

本發明的有益效果：

(1)壓電陶瓷傳感器布置形式簡單，安裝方便，可以快速布設。