建築工程結構裂紋狀態監測方法及應用該方法的監測系統的製作方法

2023-10-10 10:18:44 1

專利名稱：建築工程結構裂紋狀態監測方法及應用該方法的監測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及建築工程結構裂紋狀態檢測技術領域，尤其涉及一種建築工程結構裂紋狀態監測方法及應用該方法的監測系統。
背景技術：
對於建築工程結構來說，特別是大型建築工程結構，應該採用何種有效的手段去監測其運營中內部的裂紋狀態，以評估其是否安全運營，是一個世界性的科技難題，也是一個迫切要求解決的現實問題。目前國際上發展的渦流儀、磁測試、X射線法試驗、聲發射、磁分子和磁漏、衝擊反射和回彈錘、微波吸收以及中子射線照相等技術，屬於有源檢測技術，檢測時，系統本身發射測試信號，信號作用於被測結構並在結構中傳輸，當遇到裂紋等被測結構內部缺陷時發·生反射，通過分析這種反射信號判斷被測結構內部的裂紋狀態。但由於信號受到被測結構介質的吸收和散射的影響，強度衰減，傳輸距離受到影響，因而上述技術只能檢測發生在接近檢測點附近的結構的裂紋狀況，一般在以檢測點為中心半徑O. 2m，厚O. Im的範圍內；且現有的檢測為靜態檢測，即在某特定時刻的一次性檢測，而不是連續跟蹤的動態檢測，即監測，不能達到安全防護的效果。採用光纖測試技術，可用於動態監測，而且測試範圍大，但由於組成光纖的材料一般脆性大，在測試中不能進行大應變的測量，同時光纖測試系統結構複雜，系統成本高，因此光纖測試技術的實際應用也受到很大的限制。近年，鐵電陶瓷，如鋯鈦酸鉛Pb (TixZr1J O3 (記作PZT)作為傳感材料由於具有結構簡單、響應速度快、頻響範圍寬、優良的近似線性的本構關係以及成本較低的特點而受到重視。但因其自身存在質地脆，應變量小，易損壞的力學問題不宜在工程中應用。目前，已研製出將NiTi形狀記憶合金(記作NiTi SMA)以薄膜的形式沉積在PZT基體上下表面而製備出雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料，這種複合材料具有較好的綜合力學性能，而且保持了 PZT的優越的力-電傳感特性，如能將雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料用於無源檢測裝置，應用到建築工程結構裂紋狀態檢測，將會成為克服現有有源、無源檢測裝置缺陷的較理想的力-電轉換信號探頭。

發明內容
本發明的目的是提供出一種結構簡單、成本低的建築工程結構裂紋狀態監測方法及應用該方法的監測系統，提高探頭材料綜合力學性能，實現在較大檢測範圍對建築工程結構的裂紋狀態連續動態跟蹤監測，提高對建築工程結構安全防護的效果。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是—種建築工程結構裂紋狀態監測方法，其特徵在於操作步驟如下(I).首先將由兩側端部分別帶有連接引線的雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料片構成的探頭固定貼附在被檢測的建築工程結構的表面，直接感受建築工程結構內部在環境載荷力作用下由裂紋狀態變化產生的應力信號，並通過自身的力-電轉換特性轉換為荷電信號；然後，將荷電信號放大並轉換為探頭電壓信號，經低通濾波去除環境噪音再進行A/D轉換，最終數據存入計算機系統的資料庫中，經執行應變-頻率關係曲線繪製程序，計算機系統對存儲的數據進行分析，進而輸出反映所述探頭的力-電轉換特性的應變-頻率關係曲線；(2).以用步驟(I)的探頭和方法測得的建築工程結構無裂紋狀態的應變-頻率關係曲線為基準曲線，將隨時由步驟(I)中獲得的所述應變-頻率關係曲線與基準曲線進行比較，根據應變-頻率關係曲線特徵峰結構特徵的相對變化，判斷建築工程結構內部的裂紋狀態若特徵峰位置移動且數量增多，說明建築工程結構內部存在裂紋；如果特徵峰位置、數量無變化，則說明在建築結構內部無裂紋。所述探頭的厚度為O. 1-0. 3mm、底面積為10_100mm2。應用所述建築工程結構裂紋狀態監測方法的監測系統，其特徵在於包括由兩側端部分別帶有連接引線的雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料片構成的探頭、用於荷電信 號放大並轉換為探頭電壓信號的荷電放大器、濾除環境噪音的低通濾波器、完成探頭電壓信號A/D轉換的數據採集卡以及由內置應變-頻率關係曲線繪製程序、資料庫的計算機及其外部設備構成的計算機系統，所述探頭的引線連至荷電放大器的信號輸入端，荷電放大器的信號輸出端連接低通濾波器的信號輸入端，低通濾波器的信號輸出端連接數據採集卡的數據輸入端，數據採集卡的數據輸出端連接計算機的數據輸入端。所述外部設備包括顯示器、鍵盤及印表機。本發明的有益效果是應用本發明提供的的建築工程結構裂紋狀態監測方法及應用該方法的監測系統，直接將雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料片用作探頭，根據對反映雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料的力-電轉換特性的應變-頻率關係曲線特徵峰結構特徵的分析，動態地評判建築結構內部的裂紋狀態，一方面雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料通過NiTiSMA和PZT的優勢互補，不僅具有優越的綜合力學性能，而且更有利於發揮PZT的力-電轉換特性；可以克服環境信號的幹擾，而且信號分析簡單明確；用於無源檢測裝置，無鬚髮射測試信號，避免了因信號衰減影響測試範圍。使用時，只須將由雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料片貼附在建築工程結構表面，引線連至監測系統，即可實現較大區域範圍的大型建築工程結構的裂紋狀態的連續動態跟蹤監測，監測範圍可達到以探頭底面中心為原點直徑2m，厚O. 4m的區域範圍，顯著高於現有技術中的以探頭底面中心為原點直徑O. 2m，厚O. Im的區域範圍，提高對建築工程結構安全防護的效果。監測系統結構相比光纖系統簡單，且成本低，宜於推廣。


圖I是建築工程結構裂紋狀態監測方法的流程圖。圖2是應用建築工程結構裂紋狀態監測方法的監測系統結構框圖。圖3是雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料片探頭在工程建築結構上粘接示意圖。圖4a是實施例I建築鋼筋混凝土梁無裂紋狀態測得的應變-頻率關係曲線。圖4b是實施例I探頭工作第70天時的反映其力-電轉換特性的應變-頻率關係曲線。
圖5a是實施例2建築鋼筋混凝土梁無裂紋狀態測得的應變_頻率關係曲線。圖5b是實施例2探頭工作第130天時的反映其力-電轉換特性的應變-頻率關係曲線。圖中1探頭，11 NiTiSMA薄膜，12PZT基體，2荷電放大器，3低通濾波器，4數據採集卡，5計算機系統，51顯示器，52鍵盤，53印表機，54計算機，61梁面，62支柱。以下結合附圖和實施例對本發明詳細說明。
具體實施例方式實施例I本發明提供出一種建築工程結構裂紋狀態監測方法及應用該方法的監測系統。圖2示出了上述監測系統的結構示意圖；其特徵在於包括由兩側端部分別帶有連接引線13的 雙面沉積NiTiSMA薄膜11的PZT複合材料片構成的探頭I、用於荷電信號放大並轉換為探頭電壓信號的荷電放大器2、濾除環境噪音的低通濾波器3、完成探頭電壓信號A/D轉換的數據採集卡4、以及由內置應變-頻率關係曲線繪製程序、資料庫的計算機54及其外部設備構成的計算機系統5，外部設備包括顯示器51、鍵盤52及印表機53。上述探頭I的引線13連至荷電放大器2的信號輸入端，荷電放大器2的信號輸出端連接低通濾波器3的信號輸入端，低通濾波器3的信號輸出端連接數據採集卡4的數據輸入端，數據採集卡4的數據輸出端連接計算機54的數據輸入端。上述荷電放大器採用了市售SD-15B型電荷放大器；低通濾波器採用切比雪夫低通濾波器，其通帶最大衰減2db，阻帶最大衰減為60dB ;數據採集卡採用了 AMPCI-9110數據採集卡，計算機採用了聯想啟天W730E計算機，應變-頻率關係曲線繪製程序是採用Visual B6. O編制的常規分析繪圖軟體。下面，結合本發明提供的建築工程結構裂紋狀態監測方法及應用該方法的上述監測系統具體闡述該監測方法的操作過程。本實施例中，由兩支柱62支撐梁面61構成的建築鋼筋混凝土梁，梁面61尺寸為長2. 6m，寬2. lm，厚O. 8m。如圖2所示，本例中探頭I採用一長方形的雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料片，該複合材料是在PZT基體12上下表面以薄膜形式沉積NiTi形狀記憶合金(NiTiSMA)而製備出雙面沉積NiTiSMA薄膜11的PZT複合材料，其尺寸為底面積=長IOmmX寬5mm = 50mm2、厚度O. 3mm。在實際應用中，探頭I的形狀可為方形、圓形、橢圓形或其他任何規則或不規則的多邊形。參見圖I 圖3，具體操作步驟如下(I).首先將由兩側端部分別帶有連接引線13的雙面沉積NiTiSMA薄膜11的PZT複合材料片構成的探頭I固定貼附在被檢測的建築鋼筋混凝土梁梁面61的下表面中心，通過粘接貼附即可，使其直接感受建築結構內部在環境載荷力作用下由裂紋狀態變化產生的應力信號，並通過自身的力-電轉換特性轉換為荷電信號。雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料屬於自發電式和機電轉換式的傳感材料，該材料受力後，通過自身的力-電轉換特性轉換為荷電信號，然後，將荷電信號傳輸到荷電放大器2，荷電放大器的功能是將輸入的荷電信號轉換為可處理的成比例輸出電壓信號，用作分析系統的輸入變量，此時荷電信號經放大並轉換為探頭電壓信號，再輸入到低通濾波器3，經低通濾波將頻率> IOOOHz的環境噪音去除，再將探頭電壓信號輸入到數據採集卡4，數據採集卡的作用是將探頭電壓模擬信號轉換為數位訊號，即完成A/D轉換，最終將信號數據存入計算機系統的資料庫中，通過執行應變-頻率關係曲線繪製程序，對存儲的數據進行分析並繪製出對應某一時間的反映探頭的力-電轉換特性的應變-頻率關係曲線，同時通過顯示器51顯示或通過印表機53列印輸出。該關係曲線直接反映出建築結構內部的裂紋狀態變化情況。(2).以用步驟(I)的探頭和方法測得的建築工程結構在完好無裂紋狀態的應變-頻率關係曲線為基準曲線，將隨時由步驟(I)中獲得的所述應變-頻率關係曲線與基準曲線進行比較，根據應變-頻率關係曲線特徵峰結構特徵的相對變化，判斷建築工程結構內部的裂紋狀態若特徵峰位置移動且數量增多，說明建築工程結構內部存在裂紋；如果特徵峰位置、數量無變化，則說明在建築結構內無裂紋。圖4a是對建築鋼筋混凝土梁在剛投入使用結構完好無裂紋狀態測得的應變-頻率關係曲線，圖中，在頻率2. 42566Hz、11. 98652Hz位置分別有特徵峰，特徵峰為表徵建築鋼筋混凝土梁內部結構裂紋狀態的曲線峰。當梁結構中出現裂紋時，應變-頻率關係曲線上的特徵峰存在狀態(數量與位置)對應產生變化。圖4b示出，在探頭工作70天時，對建築鋼筋混凝土梁梁面測得的應變-頻率關係曲線。由此圖可以看出，應變-頻率關係曲線 上的特徵峰的數量與位置相對於圖4a產生了變化在頻率2. 42566Hz、11. 98652Hz位置不存在特徵峰，而在其他位置則出現多個特徵峰，如3. 74874Hz、12. 19128Hz及22. 05141Hz位置，即應變-頻率關係曲線的特徵峰的位置發生移動，且數量增加，曲線結構明顯有別於無裂紋狀態的曲線結構。分析結論圖4b表示建築鋼筋混凝土梁內有裂紋。經對梁體結構採用超聲波法測試並結合實際勘察，在梁面61以探頭底面中心為原點的直徑I. 8-2m、厚O. 32-0. 4m區域的2個位置出現裂紋。實施例2本實施例與實施例I的監測方法、設備、工作原理均相同.不同點在於建築鋼筋混凝土梁梁面61的尺寸為長2. 8m,寬2. 2m,厚O. 8m。探頭I採用的長方形雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料片的尺寸為底面積=長IOmmX寬IOmm = 100mm2、厚度O. 1mm。圖5a是對建築鋼筋混凝土梁在剛投入使用結構完好無裂紋狀態測得的應變-頻率關係曲線，圖中，在頻率I. 44909Hz,5. 04032Hz、ll. 75025Hz、12. 38029Hz位置分別有特徵峰。圖5b示出了在探頭工作130天時對建築鋼筋混凝土梁梁面測得的應變-頻率關係曲線，由此圖可以看出，應變-頻率關係曲線上的特徵峰的數量與位置相對於圖5a產生了變化在頻率I. 44909Hz,5. 04032Hz、11. 75025Hz、12. 38029Hz位置不存在特徵峰，而在其他位置出現多個特徵峰，如在頻率3. 29196Hz,5. 76487Hz、12. 64806Hz,13. 38836Hz、28. 58808Hz位置，即應變-頻率關係曲線的特徵峰的位置發生移動，且數量增加，曲線結構明顯有別於無裂紋狀態的曲線結構。分析結論圖5b表示建築鋼筋混凝土梁內有裂紋。經對梁體結構採用超聲波法測試並結合實際勘察，在梁面61以探頭底面中心為原點的直徑I. 7-1. 9m、厚O. 2-0. 3m區域的I個位置，及以探頭底面中心為原點的直徑I. 2-1. 4m、厚O. 35-0. 39m區域的2個位置出現裂紋。綜上所述，應用本發明提供的的建築工程結構裂紋狀態監測方法及應用該方法的監測系統，可實現較大區域範圍的大型建築工程結構的裂紋狀態的連續動態跟蹤監測，監測範圍可達到以探頭底面中心為原點直徑2m，厚O. 4m的區域範圍，顯著高於現有技術中的以探頭底面中心為原點直徑O. 2m，厚O. Im的區域範圍，提高對建築工程結構安全防護的效果。監測系統結構相比現有光纖系統簡單，且成本低，宜於推廣。以上內容並非對本發明的方法、系統結構及其構件形狀及材料作任何形式上的限制。凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾， 均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.一種建築工程結構裂紋狀態監測方法，其特徵在於操作步驟如下 (1).首先將由兩側端部分別帶有連接引線的雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料片構成的探頭固定貼附在被檢測的建築工程結構的表面，直接感受建築工程結構內部在環境載荷力作用下由裂紋狀態變化產生的應力信號，並通過自身的力-電轉換特性轉換為荷電信號；然後，將荷電信號放大並轉換為探頭電壓信號，經低通濾波去除環境噪音再進行A/D轉換，最終數據存入計算機系統的資料庫中，經執行應變-頻率關係曲線繪製程序，計算機系統對存儲的數據進行分析，進而輸出反映所述探頭的力-電轉換特性的應變-頻率關係曲線； (2).以用步驟(I)的探頭和方法測得的建築工程結構無裂紋狀態的應變-頻率關係曲線為基準曲線，將隨時由步驟(I)中獲得的所述應變-頻率關係曲線與基準曲線進行比較，根據應變-頻率關係曲線特徵峰結構特徵的相對變化，判斷建築工程結構內部的裂紋狀態若特徵峰位置移動且數量增多，說明建築工程結構內部存在裂紋；如果特徵峰位置、數量無變化，則說明在建築結構內部無裂紋。
2.根據權利要求I所述的建築工程結構裂紋狀態監測方法，其特徵在於所述探頭的厚度為 O. 1-0. 3mm、底面積為 10-100mm2。
3.應用如權利要求2所述的建築工程結構裂紋狀態監測方法的監測系統，其特徵在於包括由兩側端部分別帶有連接引線的雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料片構成的探頭、用於荷電信號放大並轉換為探頭電壓信號的荷電放大器、濾除環境噪音的低通濾波器、完成探頭電壓信號A/D轉換的數據採集卡以及由內置應變-頻率關係曲線繪製程序、資料庫的計算機及其外部設備構成的計算機系統，所述探頭的引線連至荷電放大器的信號輸入端，荷電放大器的信號輸出端連接低通濾波器的信號輸入端，低通濾波器的信號輸出端連接數據採集卡的數據輸入端，數據採集卡的數據輸出端連接計算機的數據輸入端。
4.根據權利要求3所述的監測系統，其特徵在於所述外部設備包括顯示器、鍵盤及印表機。
全文摘要
本發明涉及建築工程結構裂紋狀態監測方法及監測系統，方法步驟如下首先將由兩側端部分別帶有連接引線的雙面沉積NiTiSMA薄膜的PZT複合材料片構成的探頭貼附在被檢測的建築工程結構的表面，直接感受應力信號，並轉換為荷電信號，經放大成為探頭電壓信號，經低通濾波去除噪音再進行A/D轉換，最終存入計算機系統的資料庫中，經對數據分析，輸出反映探頭的力-電轉換特性的應變-頻率關係曲線，判斷建築工程結構內部的裂紋狀態。監測系統包括探頭、荷電放大器、低通濾波器、數據採集卡以及計算機系統。本發明的優點是探頭綜合力學性能高，檢測範圍增大，實現連續動態跟蹤檢測，系統的結構簡單且成本低。
文檔編號G01B7/16GK102901441SQ201110214949
公開日2013年1月30日 申請日期2011年7月29日 優先權日2011年7月29日
發明者高曉雲 申請人:天津城市建設學院