钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢筋混凝土内部钢筋锈蚀监测技术，尤其涉及一种钢筋混凝土桥 梁结构内部钢筋锈蚀监测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 受限于技术发展现状，长期使用后，钢筋混凝土构件内的钢筋不可避免地存在锈 蚀问题，尤其在一些使用环境较为恶劣的条件下，锈蚀问题更加严重；钢筋锈蚀后，会导致 结构体性能出现劣化甚至破坏，直接影响桥梁结构的耐久性和使用寿命，因此，及时发现结 构体上的钢筋锈蚀区域，针对锈蚀情况进行相应的治理加固处治措施，对桥梁安全意义重 大。
[0003] 目前对钢筋的锈蚀的无损检测方法有分析法、物理法和电化学法。分析法根据现 场实测的钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、有害离子的浸入深度及其含量、纵向裂缝宽 度等数据，综合考虑构件所处的环境情况推断钢筋锈蚀程度。但目前为止，还没有既有的充 分理论依据、又全面考虑各种因素的数学模型，所以分析法要应用于钢筋锈蚀的检测评估 尚有不少工作要做。物理方法主要通过测定钢筋引起的电阻、电磁、热传导、声波传播等物 理特性的变化来反映钢筋锈蚀情况，主要方法有电阻探针法、涡流探测法、射线法、红外线 热像法、声发射探测法等。物理法目前也仅仅停留在试验阶段。电化学法主要分为半电池 电位法、线性极化法和交流阻抗谱法，半电池电位法在钢筋锈蚀的检测中应用较为广泛，但 只能做定性的检测；线性极化法和交流阻抗法可以用于钢筋锈蚀的定量检测，但线性极化 法无法判断钢筋早期锈蚀的情况，且现场测试操作较繁琐，交流阻抗法定量测量上不如线 性极化法准确方便，实验数据处理繁杂，不适用于现场检测。
[0004] 而对于钢筋锈蚀监测方面的研宄还比较少，具有代表性的监测方法有电化学法、 光纤光栅法。电化学法主要是通过其特征值：自然电位、极化电阻、电解质电阻来反应钢 筋的锈蚀状况，电化学法监测钢筋锈蚀仍然需要凿除混凝土表面，并且受混凝土种类、干湿 度、氯盐等内掺剂影响较大。光纤光栅法则是属于物理法的一种，是利用光纤光栅的应变来 监测钢筋的锈蚀过程，但是光纤光栅的极限抗拉强度不够大，本身的耐久性和监测可靠性 不足，此法也还仅仅处于试验阶段。
[0005] 由此，提出一种可靠的监测钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀的装置和评估方法 十分必要。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中的不足之处，本发明的目的在于：以金属磁记忆技术为基础，结合 聚磁和超导磁屏蔽技术有效地聚集钢筋锈蚀产生的磁信号，排除外在干扰磁场产生的磁信 号，磁记忆探头采集到准确的磁感应强度B，输入计算机，计算机通过特定方法对信号进行 处理，实现对桥梁结构内部钢筋锈蚀的可靠监测。
[0007] 磁记忆原理可表述为，处于地磁环境下的铁制构件受工作载荷的作用，其内部会 发生具有磁致伸缩性质和磁畴组织定向和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在 工作载荷消除后也会保留。在锈蚀区域内，随着锈蚀程度的演进，钢筋截面上的有效受力面 积将逐渐减小，而锈蚀产物堆积在锈蚀区域，导致钢筋外围体积出现膨胀（膨胀后的体积 大致是基体体积的2-4倍），这就使得锈蚀后的钢筋与完好的钢筋上存在着完全不同的应 力应变状态，因此，锈蚀后的钢筋周围的磁场分布情况与完好的钢筋周围的磁场分布情况 完全不同，通过对钢筋周围磁场进行连续监测以及监测数据的处理，我们就能获知钢筋周 围磁场的变化，当钢筋周围磁场变化异常时，就说明钢筋发生了锈蚀。
[0008] 本发明提出了一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置，其创新在于：所 述钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置由支架、杜瓦瓶、蔽磁材料层、磁探头和聚磁 结构组成；所述磁探头直接获取磁场信号，无需外加磁场进行磁化；所述蔽磁材料层设置 于杜瓦瓶内储液腔的底部，所述杜瓦瓶内封装有液氮；所述磁探头设置于杜瓦瓶下方，磁探 头位于蔽磁材料层覆盖的区域范围内；所述聚磁结构沿磁探头周向设置，聚磁结构将磁探 头包围在内；所述聚磁结构、磁探头和杜瓦瓶通过支架连接为一体；所述蔽磁材料层采用 钇钡铜氧制作，所述聚磁结构采用坡莫合金制作。
[0009] 在前述方案中，杜瓦瓶用于存储液氮，可保持恒温，钇钡铜氧设置于杜瓦瓶内储液 腔的底部，相当于浸泡在液氮中，通过液氮的低温使钇钡铜氧保持在超导状态，超导状态下 的钇钡铜氧发挥其抗磁性，一方面，钇钡铜氧将来自上方的地磁场的磁力线阻挡在外，使地 磁场无法进入磁探头监测区域内的气隙空间内，另一方面，钇钡铜氧将来自下方的钢筋周 围的磁场也阻挡在外，迫使钢筋周围的磁场只能向磁探头处汇集，这就可以在现有的磁探 测手段条件下，捕获到微弱的钢筋周围磁场，通过对钢筋周围磁场进行连续监测，我们就能 获知钢筋周围磁场的变化状态，当钢筋周围磁场出现异常时，就说明钢筋上发生了锈蚀；另 夕卜，由于锈蚀点的出现存在随机性，聚磁结构采用的坡莫合金是一种高导磁的软磁材料，它 本身的磁阻小，磁导率高，可以获得比较高的饱和磁感应强度，用于将更多的磁场信号导入 磁探头内，间接地使磁探头的探测区域得到扩展；具体应用时，将本发明的装置布置于桥梁 上易发生锈蚀病害的位置处，发现锈蚀问题后，及时报警；本发明结构简单、实施方便，布设 灵活度较大，既可在新建桥梁时同步布设，也可在现役桥梁上单独加装，还可用于其他类型 的钢筋混凝土结构体内部钢筋锈蚀病害的监测。
[0010] 优选地，所述磁探头的输出部和控制部以有线或无线方式与一计算机通信连接。
[0011] 优选地，所述聚磁结构由两块结构体拼接而成，结构体上与磁探头对应的位置处 设置有缺口，两块结构体拼接后，两个缺口拼接形成磁探头安装孔。
[0012] 基于前述装置，本发明还提出了一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测方 法，所涉及的硬件如前所述，具体的监测方法包括：1)将钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈 蚀监测装置设置于桥梁上易发生钢筋锈蚀病害的位置处，磁探头表面与包裹在钢筋外的混 凝土表面接触；
[0013] 2)定期驱动磁探头工作，获得监测区域内的磁场强度信号；
[0014] 3)计算当前监测周期内获得的磁场强度信号与前一监测周期内获得的磁场强度 信号之间的变化量，若变化量大于设定的阈值，则继续步骤4)的操作，若变化量小于设定 的阈值，则继续进行后续监测周期的处理；
[0015] 4)将之前所有监测周期内获得的磁场强度信号绘制为曲线，按时域将曲线划分为 多个区段，每个区段内的时间跨度相同，对每个区段内的磁场跳变点数量进行统计，按下式 计算单个区段内磁场跳变点数量的平均值5:
【主权项】
1. 一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置，其特征在于：所述钢筋混凝土桥 梁结构内部钢筋锈蚀监测装置由支架、杜瓦瓶（2)、蔽磁材料层（3)、磁探头（4)和聚磁结构 (5)组成；所述蔽磁材料层（3)设置于杜瓦瓶（2)内储液腔的底部，所述杜瓦瓶（2)内封装 有液氮；所述磁探头（4)设置于杜瓦瓶（2)下方，磁探头（4)位于蔽磁材料层（3)覆盖的区 域范围内；所述聚磁结构（5)沿磁探头（4)周向设置，聚磁结构（5)将磁探头（4)包围在内； 所述聚磁结构（5)、磁探头（4)和杜瓦瓶（2)通过支架连接为一体；所述蔽磁材料层（3)采 用钇钡铜氧制作，所述聚磁结构（5)采用坡莫合金制作。
2. 根据权利要求1所述的钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置，其特征在于： 所述磁探头（4)的输出部和控制部以有线或无线方式与一计算机通信连接。
3. 根据权利要求1所述的钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置，其特征在于： 所述聚磁结构（5)由两块结构体拼接而成，结构体上与磁探头（4)对应的位置处设置有缺 口，两块结构体拼接后，两个缺口拼接形成磁探头（4)安装孔。
4. 一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测方法，所涉及的硬件包括钢筋混凝土桥 梁结构内部钢筋锈蚀监测装置，所述钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置由支架、 杜瓦瓶（2)、蔽磁材料层（3)、磁探头（4)和聚磁结构（5)组成；所述蔽磁材料层（3)设置于 杜瓦瓶（2)内储液腔的底部，所述杜瓦瓶（2)内封装有液氮；所述磁探头（4)设置于杜瓦瓶 (2)下方，磁探头（4)位于蔽磁材料层（3)覆盖的区域范围内；所述聚磁结构（5)沿磁探头 (4)周向设置，聚磁结构（5)将磁探头⑷包围在内；所述聚磁结构（5)、磁探头⑷和杜瓦 瓶（2)通过支架连接为一体；所述蔽磁材料层（3)采用钇钡铜氧制作，所述聚磁结构（5)采 用坡莫合金制作； 其特征在于：所述监测方法包括：1)将钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置设 置于桥梁上易发生钢筋锈蚀病害的位置处，磁探头（4)表面与包裹在钢筋外的混凝土表面 接触； 2) 定期驱动磁探头（4)工作，获得监测区域内的磁场强度信号； 3) 计算当前监测周期内获得的磁场强度信号与前一监测周期内获得的磁场强度信号 之间的变化量，若变化量大于设定的阈值，则继续步骤4)的操作，若变化量小于设定的阈 值，则继续进行后续监测周期的处理； 4) 将之前所有监测周期内获得的磁场强度信号绘制为曲线，按时域将曲线划分为多个 区段，每个区段内的时间跨度相同，对每个区段内的磁场跳变点数量进行统计，按下式计算 单个区段内磁场跳变点数量的平均值3 :
其中，n为区段数量，％为第i个区段内的磁场跳变点数量，i为第i个区段所对应的 加权系数，0 1在0?1之间取值；所述磁场跳变点数量为所述曲线上对应区段内波峰和波 谷的总数量； 然后将最后一个区段内的磁场跳变点数量与进行比较，若最后一个区段内的磁场 跳变点数量大于，则说明监测区域内发生了钢筋锈蚀病害，向管理人员发出锈蚀报警 信号；若最后一个区段内的磁场跳变点数量小于，则继续进行后续监测周期的处理；其 中，n为修正系数； 监测过程中，若连续多个周期内，步骤4)均未被步骤3)所触发，则每间隔所述多个周 期，就自动运行一次步骤4)的操作。
【专利摘要】一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置，由支架、杜瓦瓶、蔽磁材料层、磁探头和聚磁结构组成；所述蔽磁材料层设置于杜瓦瓶内储液腔的底部，所述杜瓦瓶内封装有液氮；所述磁探头设置于杜瓦瓶下方，磁探头位于蔽磁材料层覆盖的区域范围内；所述聚磁结构沿磁探头周向设置，聚磁结构将磁探头包围在内；所述聚磁结构、磁探头和杜瓦瓶通过支架连接为一体；所述蔽磁材料层采用钇钡铜氧制作，所述聚磁结构采用坡莫合金制作。本发明的有益技术效果是：结构简单，方法可靠，实施方便，适用面广，灵活度大，十分利于锈蚀病害的早期发现。
【IPC分类】G01N27-85
【公开号】CN104614440
【申请号】CN201510069205
【发明人】周建庭, 廖棱, 杨茂, 张洪, 赵瑞强, 陈悦, 李志刚, 马惠香, 辛景舟
【申请人】重庆交通大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月10日