一种水工混凝土结构损伤监测动荷载试验平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种水工混凝土结构损伤监测动荷载试验平台,包括振动台(1)、波形发生器(2)、驱动器(3)、传感器(4)、数字化采集器(5)、数字滤波器(6)、待测水工混凝土结构体(7)以及多功能混凝土结构体连接承台(8);本实用新型对实现水工混凝土结构健康监测具有重要意义,具有精度高、布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等优点,其独特设计的多功能混凝土结构体连接承台可一次进行多组试验且可重复使用,并极大地提高了动荷载试验的效率以及准确性。
【专利说明】一种水工混凝土结构损伤监测动荷载试验平台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种水工混凝土结构损伤监测动荷载试验平台,属于物料测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]裂缝是水工混凝土结构老化和病变的主要反应,对混凝土结构的危害很大。其是水工混凝土结构最常见的损伤病变,其产生和发展是结构功能衰退的重要特征之一,对结构的适应性、耐久性、承载能力等具有重要影响,甚至会引起结构破坏失事。对于裂缝损伤的有效识别是水工混凝土结构健康监测和诊断的一项重要内容,急切需要成熟的新材料及新技术的引入,达到对水工混凝土结构损伤的实时、高效及准确的监测及控制。
[0003]压电陶瓷传感器具有频响范围宽、响应速度快、结构简单、功耗少、成本低等优点,由其构成的结构健康监测系统能够灵敏的感应监测到结构损伤的存在和强度的变化情况。在水工混凝土结构健康主动监测过程中,被作为传感器和驱动器,在一定程度上削弱了外界环境变化对压电陶瓷片的影响,可以延长压电陶瓷片的使用寿命,保证结构健康监测的有效性和长期性。
[0004]由于混凝土裂缝损伤的复杂性,确定损伤的敏感频率非常困难。
实用新型内容
[0005]发明目的:本实用新型的目的在于针对现有技术的不足,提供的一种水工混凝土结构损伤监测动荷载试验平台。
[0006]发明人发现,信号的幅值是对混凝土强度较为敏感的参数,故信号幅值可以作为损伤识别的重要特征参量;混凝土裂缝损伤给信号主频带来的影响较小,但变化时信号幅值的衰减程度具有明显的影响,说明信号主频是影响信号对损伤敏感性的重要因素;建议采用扫频信号作为损伤监测信号,扫频信号频率具有一定的变化范围,有助于提高信号对损伤的敏感性。
[0007]基于上述研究的启发,根据混凝土结构损伤的动荷载试验,通过在混凝土模型中成对埋设的混凝土压电陶瓷机敏模块(CPSM, Concrete PZT Smart Module),可以实现上述发现;
[0008]在长久的试验过程中,提供动荷载的振动台不能很好地满足水工混凝土动荷载试验的需求,基于其实际应用的不足,研发了一种多功能混凝土结构体连接承台,本承台主要是用来连接水工混凝土试件与不同尺寸的振动台,其可以一次完成多组试验,且可自由拆卸,重复使用,提高了试验效率、增强了对比试验分析效果;极大避免了由于将试件粘贴到平台上的操作所带来的一系列的问题,提高了试验精度。
[0009]技术方案:本实用新型的水工混凝土结构损伤监测动荷载试验平台,包括振动台、波形发生器、驱动器、传感器、数字化采集器、数字滤波器、待测水工混凝土结构体以及多功能混凝土结构体连接承台;所述待测混凝土结构体通过多功能混凝土结构体连接承台连接到振动台;所述驱动器和传感器均为压电陶瓷机敏模块,所述驱动器和所述传感器分别埋入或粘贴在待测混凝土结构体的两端;所述压电陶瓷机敏模块包括压电陶瓷片、硫化硅橡胶层、信号线和外包混凝土,所述硫化硅橡胶层包覆在所述压电陶瓷片的外围,包覆有硫化硅橡胶层的压电陶瓷片埋入在外包混凝土中;所述信号线的一端焊接在压电陶瓷片上,另一端穿过外包混凝土。
[0010]作为优选,所述多功能混凝土结构体连接承台包括承台,所述承台的底部具有掐扣用槽,所述掐扣用槽内卡装有底端固定掐扣;所述承台的顶部具有固定钢板用槽,所述固定钢板用槽内嵌入有工字型固定钢板,所述活动钢板平台通过竖向固定装置和水平向固定装置固定安装于工字型固定钢板的工字形凹口内。
[0011]压电陶瓷片为一种人工制作的压电材料,为铁电体一类的物质;压电陶瓷片的混凝土包层,其主要由水泥砂浆构成;信号线,一般是待压电陶瓷片的表面干燥后焊接而上的;单组分硫化硅橡胶质地柔软,防水性好,且能够较好的避免压电陶瓷片埋入混凝土中可能出现的应力集中现象,考虑到压电陶瓷片自身材质较脆,一般在压电陶瓷片外围覆盖一层单组分硫化硅橡胶以达到保护埋入混凝土中的压电陶瓷片的效果;应力、位移从压电陶瓷片向外层混凝土传递过程中沿极化方向上呈圆形等势面,所以压电陶瓷机敏模块对的体型一般可以使用圆柱体。
[0012]利用压电陶瓷片作为主要传感器元件的结构健康监测与诊断中,基于本体结构的常见结合方式有两种,粘贴式和埋入式。具体采用何种方式主要取决于本体结构的材料特点及所采用的监测模式等。前一种方法是对压电陶瓷机敏模块与结构接触部位打磨和擦拭处理后,将压电陶瓷机敏模块直接粘贴在结构表面。后一种方法是将压电陶瓷机敏模块埋置在本体结构内部,故可在一定程度上削弱温度、湿度等外界环境变化对压电陶瓷机敏模块的影响,压电陶瓷机敏模块的有效封装是采取埋入式结合方式特别需要重视的关键技术。
[0013]基于压电陶瓷的基本特性及工程实际情况,压电陶瓷机敏模块的制作流程为:①选择压电陶瓷片。由于压电陶瓷机敏模块需要兼有发射和接收超声信号的能力,所以选择压电陶瓷片时须考虑发射功率和敏感性等因素切割陶瓷片。利用玻璃刀将压电陶瓷片切割成固定规格的小压电陶瓷片,并且用酒精除去表面的氧化膜焊接信号线及保护压电陶瓷片。待表面干燥后焊接导线,在其外围覆盖一层单组分硫化硅橡胶达到保护埋入混凝土中的压电陶瓷片用水泥砂浆进行机敏模块的浇筑。
[0014]本承台可以与室内不同尺寸的振动台相连接,独特设计的工字型固定钢板,创新性地实现了一次可同时进行多组动荷载试验的效果,而且可以极大地避免了以前试验过程中需要将试件粘接到振动台等弊端,大大地提高了试验效率,增强了试验分析的真实性以及可靠性。
[0015]使用时,利用上述水工混凝土结构损伤主动监测平台进行水工混凝土结构损伤监测的基本步骤为:
[0016](I)确定一次试验所需的试件个数,其直接决定着需要配置工字型固定钢板的个数,其中两个工字型固定钢板之间固定一个水工混凝土试件,承台上标示有刻度,可以根据其标距的长度来确定工字型固定钢板的安置位置。
[0017](2)将底端固定掐扣放置于掐扣用槽中,根据振动台实际尺寸,拉动底端固定掐扣将承台固定于振动台面上,根据上述步骤所确定的试件个数来安置工字型固定钢板,并将其放置于固定钢板用槽中,然后将水工混凝土试件放置于工字型固定钢板之间,使用水平螺栓以及水平螺栓帽将其水平固定。
[0018](3)使用竖向螺栓将水平连杆固定于承台与活动钢板平台之间,对水工混凝土试件实现竖向固定。
[0019](4)波形发生器发射正弦扫频激励信号,激励压电陶瓷机敏模块驱动器发射应力波信号;应力波信号在待测水工混凝土结构体中传播,被设置在待测水工混凝土结构体中的压电陶瓷机敏模块传感器接收,进而可以实现水工混凝土动荷载的试验过程。
[0020]本实用新型与现有技术相比,其有益效果是:本实用新型可以利用混凝土压电陶瓷机敏模块(CPSM)进行结构损伤识别和诊断,并且本实用新型基于水工混凝土动荷载试验中振动台装置的缺陷之处,而特殊研制的多功能混凝土结构体连接承台,其可以一次完成多组试验,且可以重复多次进行,大大克服了实际试验中振动试验的一些弊端,极大地扩宽了动荷载试验的使用范围,提高了试验效率以及准确性;并且本实用新型基于水工结构健康监测和诊断的应用环境及特点,确定了混凝土压电陶瓷机敏模块的设计及制作过程,对压电陶瓷片防护措施、外包材料组成和浇筑等关键技术环节进行了研究。
[0021]进而,最终设计了一套基于压电陶瓷机敏模块的混凝土结构损伤监测测试平台,对水工混凝土结构的损伤监测领域具有重要理论及实际意义。本实用新型的测试平台对实现水工混凝土结构健康监测具有重要意义,压电陶瓷材料具有响应快、主动传感、应用简单、可以制成不同类形状以及价格便宜的特点,多功能混凝土结构体连接承台可以有效提高动荷载试验各项效果,使得本测试平台具有精度高、布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等大量优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为水工混凝土结构损伤监测动荷载试验平台组成图;
[0023]图2为图1中多功能混凝土结构体连接承台的结构示意图;
[0024]图3为图2中承台与活动钢板平台的结构示意图;
[0025]图4为图2中工字型固定钢板的结构示意图;
[0026]图5为图2中底端固定掐扣的结构示意图;
[0027]图6为图2中水平向固定装置的结构示意图;
[0028]图7为用于动荷载作用下结构健康诊断的dSPACE仿真模型图;
[0029]图8为重力坝模型试件几何参数及CPSM布置示意图;
[0030]图9为CPSM的基本组成示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面对本实用新型技术方案进行详细说明,但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。
[0032]实施例1:本实用新型装置水工混凝土结构损伤监测动荷载试验平台如图1所示,包括振动台1、波形发生器2、驱动器3、传感器4、数字化采集器5、数字滤波器6、被测水工混凝土结构体7、多功能混凝土结构体连接承台8 ;被测水工混凝土结构体7设置在振动台I上,待测混凝土结构体7通过多功能混凝土结构体连接承台8连接到振动台I上。
[0033]如图2所示,多功能混凝土结构体连接承台8包括承台8-6,承台8_6的底部具有掐扣用槽8-7,掐扣用槽8-7内卡装有底端固定掐扣8-3 ;承台8-6的顶部具有固定钢板用槽8-8,固定钢板用槽8-8内嵌入有工字型固定钢板8-2,活动钢板平台8-1通过竖向固定装置8-4和水平向固定装置8-5固定安装于工字型固定钢板8-2的工字形凹口内。
[0034]如图3所示,承台8-6的上部开有固定钢板用槽8-8,下部留有掐扣用槽8_7,固定钢板用槽8-8中还包含活动钢板平台8-1。
[0035]如图4所示,竖向螺栓8-4-1通过水平连杆8-4-2来实现对工字型固定钢板8_2的竖向固定,且每一个工字型固定钢板8-2对应两个竖向固定装置8-4。
[0036]如图5所示,底端固定掐扣8-3包括T型的连接部与连接于底部的L形固定部,在固定部上安装有固定螺栓8-3-2,固定螺栓8-3-2的上方具有固定圆饼8-3-1。
[0037]如图6所示,水平向固定装置8-5主要通过水平螺栓8-5-1以及水平螺栓帽8_5_2来实现水平向固定的功能。
[0038]如图7所示,其为通过MATLAB/Simulink建立的仿真模型,图中MUX ADC为RTI模块。
[0039]如图8所示,在重力坝模型的坝踵和坝趾附近成对的预埋设压电陶瓷机敏模块,其中 ΡΖΤ-1-1、ΡΖΤ-2-1 为驱动器,ΡΖΤ-1-2、ΡΖΤ-2-2 为传感器。
[0040]如图9所示,压电陶瓷片10外围包裹硫化硅橡胶层12,其埋入在外包混凝土 9中,在压电陶瓷机敏模块中,信号线11的一端焊接在压电陶瓷片10上,另一端穿过外包混凝土90
[0041]测试时,将工字型固定钢板8-2放置于固定钢板用槽8-8中,两个工字型固定钢板8-2之间放置水工混凝土试件,使用水平螺栓8-5-1以及水平螺栓帽8-5-2将其水平固定,使用竖向螺栓8-4-1将水平连杆8-4-2固定于承台8-6与活动钢板平台8_1之间,对水工混凝土试件7实现竖向固定;波形发生器2对驱动器3发出扫频信号后,激励驱动器3产生应力波,应力波在被测水工混凝土结构体7中传播被传感器4接收,应力波信号依次再经过数字滤波器6、数字化采集器5 ;驱动器3和传感器4均为压电陶瓷机敏模块,驱动器3和传感器4分别埋入或粘贴在待测水工混凝土结构体7的两端;压电陶瓷机敏模块包括压电陶瓷片10、硫化硅橡胶层12、信号线11和外包混凝土 9,硫化硅橡胶层12包覆在压电陶瓷片10的外围,包覆有硫化硅橡胶层12的压电陶瓷片10埋入在外包混凝土 9中;信号线11的一端焊接在压电陶瓷片10上,另一端穿过外包混凝土 9与其他元器件连接。
[0042]对于待监测水工混凝土结构体采用重力坝模型来进行测试,在混凝土重力坝模型中成对的埋设CPSM,振动台输出信号为正弦扫频信号;扫频信号通过信号发生器一Agilent33250A任意波形发生器;扫频信号有一个初始频率、结束频率及扫频时间等基本参数;为了保证采集的数据能够较为精确地反映实际的信号情况,本实施例通过dSPACE采集信号的采样频率为最大采用频率的10倍;滤波器采用高通滤波器,其截止频率为120Hz,目的在于将振动台正弦信号和交流电的频率过滤掉,以降低振动台信号对CPSM接收信号的影响。
[0043]通过上述构建的测试装置,该实用新型基于压电机敏模块的水工混凝土结构损伤测试流程如下:
[0044]步骤一、设计及制作混凝土被监测结构体。为了尽量减少对CPSM信号的干扰,提高CPSM的信号质量,采用与混凝土压电陶瓷机敏模块相同的水灰比,本实施例中使用水:细砂:水泥=1:2.9:2.09,浇筑的混凝土重力坝模型见附图8 ;
[0045]制备混凝土压电机敏模块:由于压电陶瓷机敏模块需要兼有发射和接收超声信号的能力,故选择压电陶瓷片时必须考虑发射功率和敏感性等因素,本实施例中选用PCB公司的PIC151型压电陶瓷片,利用玻璃刀将压电陶瓷片切割成规格为长度X宽度X厚度=10 mmX1 mmX Imm的小压电陶瓷片,用酒精去除表面的氧化膜,待表面干燥后焊接导线,焊接完成再用酒精清洗,使用SD-5TC型号单组分硫化硅橡胶来保护埋入混凝土中的压电陶瓷片,采用C32.5硅酸盐水泥、细集料,以水、细集料、水泥的重量比为1:2.9:2.09的水泥砂浆进行机敏模块的浇筑,结构如图8所示。考虑到其他仪器配套以及对比分析,试验中将混凝土压电陶瓷机敏模块浇铸成Φ 25mmX (25?30) mm的圆柱体,将压电陶瓷机敏模块放在水泥混凝土标准养护箱里养护28天后,压电陶瓷机敏模块中压电陶瓷片外包混凝土达到一定强度后,即可用于监测。
[0046]步骤二、确定压电陶瓷片与本体结构的结合方式。本实施例中将压电陶瓷片埋置在本体结构内部,故可在一定程度上削弱温度、湿度等外界环境变化对压电陶瓷片的影响,即在重力坝模型的浇筑过程中,在重力坝坝踵和坝趾附近成对的预埋设压电陶瓷机敏模块,如图8所示。图中,13表示压电陶瓷机敏模块(CPSM),其中ΡΖΤ-1-1、ΡΖΤ-2-1为驱动器,PZT-1-2、PZT-2-2 为传感器;
[0047]步骤三、使用人造损伤的方法创建人工裂缝。重力坝模型的损伤模式采取人造损伤的方法,在重力坝坝踵部位人工切割出一道裂缝,此裂缝位于一对CPSM之间。试验中,模拟了三个深度(25mm、45mm、60mm)的裂缝,从而与健康状态下的模型作比较。
[0048]步骤四、为了便于叙述,选取I个试件进行试验,需要配置两个工字型固定钢板8-2,在承台8-6中间刻度处,在两个工字型固定钢板8-2之间固定该重力坝模型试件,使用水平螺栓8-5-1以及水平螺栓帽8-5-2将其水平固定,使用竖向螺栓8-4-1将水平连杆8-4-2固定于承台8-6与活动钢板平台8-1之间,对该重力坝模型试件实现竖向固定。
[0049]步骤五、选用压电波动法进行水工混凝土结构损伤的监测。本实施例中分别针对结构完整状态和裂缝深度25mm、裂缝深度45mm、裂缝深度60mm三种损伤状态,设定振动台的等效加速度(1.0gU.2g、l.4g、l.6g、l.8g和2.0)作为动荷载,其中振动台输出信号为正弦信号,频率为10Hz ;扫频信号通过Agilent信号发生器;扫频信号初始频率为150Hz、结束频率为1000Hz、扫频时间为10s,在1.0g等效加速度下,结构健康、裂缝深度25mm、裂缝深度45mm、裂缝深度60mm时CPSM (PZT-1-2)接收的扫频信号的幅值在扫频范围内(15(Γ?000Ηζ)随着发射频率的增大而增大;为了保证采集的数据能够较为精确地反映实际的信号情况,本实施例中通过dSPACE采集信号的采样频率为最大采用频率的10倍,即采用频率10000Hz ;滤波器采用高通滤波器,其截止频率为120Hz,目的在于将振动台正弦信号和交流电的频率过滤掉,以降低振动台信号对CPSM接收信号的影响。
[0050]步骤六、实现混凝土结构损伤的监测。使用Agilent33250A波形发生器产生扫频正弦信号,实现对该CPSM的驱动,另一端的CPSM用于信号的接收,用于传感的CPSM连dSPACE的A/D接头,进而可以实现水工混凝土的动荷载的试验过程。
[0051]如上所述,尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型,但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下,可对其在形式上和细节上作出各种变化。
【权利要求】
1.一种水工混凝土结构损伤监测动荷载试验平台,其特征在于包括:振动台(I)、波形发生器(2)、驱动器(3)、传感器(4)、数字化采集器(5)、数字滤波器(6)、待测水工混凝土结构体(7)以及多功能混凝土结构体连接承台(8);所述待测混凝土结构体(7)通过多功能混凝土结构体连接承台(8)连接到振动台(I);所述驱动器(3)和传感器(4)均为压电陶瓷机敏模块,所述驱动器(3)和所述传感器(4)分别埋入或粘贴在待测混凝土结构体(7)的两端;所述压电陶瓷机敏模块包括压电陶瓷片(10)、硫化硅橡胶层(12)、信号线(11)和外包混凝土(9),所述硫化硅橡胶层(12)包覆在所述压电陶瓷片(10)的外围,包覆有硫化硅橡胶层(12)的压电陶瓷片(10)埋入在外包混凝土(9)中;所述信号线(11)的一端焊接在压电陶瓷片(10)上,另一端穿过外包混凝土(9)。
2.根据权利要求1所述的一种水工混凝土结构损伤监测动荷载试验平台,其特征在于:所述多功能混凝土结构体连接承台(8)包括承台(8-6),所述承台(8-6)的底部具有掐扣用槽(8-7),所述掐扣用槽(8-7)内卡装有底端固定掐扣(8-3);所述承台(8-6)的顶部具有固定钢板用槽(8-8),所述固定钢板用槽(8-8)内嵌入有工字型固定钢板(8-2),所述活动钢板平台(8-1)通过竖向固定装置(8-4)和水平向固定装置(8-5)固定安装于工字型固定钢板(8-2)的工字形凹口内。
【文档编号】G01N29/04GK203941136SQ201420271716
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】苏怀智, 张楠, 杨孟, 张林海 申请人:河海大学