基于压磁效应的钢筋混凝土结构疲劳测试方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及土木工程中钢筋混凝土结构基本性能研宄领域，具体涉及一种基于压 磁效应的钢筋混凝土结构疲劳测试方法和装置。
【背景技术】
[0002] 土木工程领域中如高层建筑物、大跨空间结构、桥梁、轨枕、吊车梁、机场跑道、海 洋平台以及核反应堆安全壳等均存在疲劳问题，特别是随着高强混凝土和高强钢筋的应 用，使钢筋混凝土结构的疲劳对其安全性和耐久性的影响愈发关键。钢筋混凝土结构在服 役过程中疲劳损伤不断累积，当达到某一限值时会产生突发性的脆性破坏，没有明显预兆， 容易造成重大损失。
[0003] 由于钢筋混凝土结构的体系复杂，其疲劳研宄需要大量的试验支撑，而疲劳受荷 载、材料组成和环境等因素影响，损伤过程非常复杂，传统测试方法测量得到的宏观物理量 如应变、挠度、刚度、裂缝等无法有效反映其疲劳损伤过程，同时，钢筋混凝土结构的疲劳损 伤机理还未能得到很好的解决，也没有一种有效的监测钢筋混凝土结构疲劳损伤状态的方 法：（1)疲劳早期，由于没有明显的微观和宏观物理量变化，常规手段难以运用，无法明确 定义裂纹萌生与裂纹扩展阶段；（2)基于传统的应力-应变滞回曲线进行疲劳过程分析一 方面无法从微观角度揭示疲劳损伤机理，另一方面滞回曲线单调，把握疲劳损伤演变过程 尤其是后期迅速劣化的过程困难；（3)往复荷载作用下，钢筋混凝土结构受力状态非常复 杂，采用应变、刚度、裂缝宽度等各项损伤指标也很难揭示其微观的疲劳损伤机理；(4)现 阶段钢筋混凝土结构寿命预测方法大多建立在自身试验的基础上，用于预测疲劳寿命缺少 理论依据（5)现有技术并不能预估钢筋混凝土梁的破坏形式。因此，需要研宄一种新的疲 劳测试方法及装置，磁检测技术已被广泛应用于医疗、军事等领域，其中，利用压磁效应研 宄金属材料的力学行为及疲劳损伤过程都很有效，可应用于钢筋混凝土结构疲劳研宄。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种能明确定义裂纹萌生与扩展阶段、能把 握疲劳损伤过程尤其是后期迅速劣化过程且能预估结构疲劳破坏形式的基于压磁效应的 钢筋混凝土结构疲劳测试方法和装置。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种基于压磁效应的钢筋混凝土结构疲劳测试方 法，它包括以下步骤：
[0006] (1)、制备测试用的钢筋混凝土梁，并且测量基础数据；
[0007] (2)、将测试装置固定到测试用的钢筋混凝土梁上，且主要包括以下步骤：
[0008] A、在钢筋混凝土梁的跨中位置上设置两对盲孔；
[0009] B、将两个带磁探头的支撑装置分别固定在两对盲孔上；
[0010] C、通过设置在支撑装置上的磁探头支座调整磁探头的高度，使得测探头与钢筋混 凝土梁中的钢筋的中心线对齐；
[0011] D、通过磁探头支座调整磁探头的朝向，使其中一个磁探头朝向与钢筋垂直，用于 测量钢筋的法向磁场，称为第一磁探头；另一个磁探头朝向与钢筋平行，用于测量钢筋的切 向磁场，称为第二磁探头；
[0012] E、通过支撑装置调整磁探头与钢筋混凝土梁表面之间的距离，使得磁探头与钢筋 混凝土梁表面之间的距离为8-12mm ;
[0013] (3)、通过疲劳试验机给固定了测试装置的钢筋混凝土梁提供测试力，所述测试力 为逐渐增大然后逐渐减小的循环力；
[0014] (4)、采集测试数据、处理测试数据以及得到结论：
[0015] ①、钢筋混凝土梁受到来自脉动疲劳试验机的测试力后，磁场会发生改变，磁探头 采集磁场强度信号；
[0016] ②、根据采集到的磁场强度以及疲劳试验机的测试力，形成一个以疲劳试验机测 试力为横坐标而磁探头测得的磁场强度为纵坐标的第一曲线，同时形成一个以时间为横坐 标而磁探头测得的磁场强度为纵坐标的第二曲线；
[0017] ③、当测试力在第一个循环时，随着测试力的增加，磁场会有变化，当测试力增加 到一定程度时，第一曲线中的磁场会产生一个突变，此时则表示钢筋混凝土梁在测试力作 用下产生了第一条裂缝；
[0018] ④、测试力在每个循环时都会形成一个第二曲线，每个第二曲线的波峰磁场强度 数值减去波谷磁场强度数值可以得到一个磁场变化幅值，将每个循环中通过第一磁探头测 得的磁场变化幅值与通过第二磁探头测得的磁场变化幅值均取平均值，若第一磁探头测得 的磁场变化幅值的平均值大于第二磁探头测得的磁场变化幅值的平均值，则可判断钢筋混 凝土梁会发生剪切破坏；若第一磁探头测得的磁场变化幅值的平均值小于第二磁探头测得 的磁场变化幅值的平均值，则可判断钢筋混凝土梁会发生弯曲破坏；
[0019] ⑤、计算第一曲线的面积，然后以这个面积作为纵坐标而以测试力的循环次数作 为横坐标形成一个第三曲线，随循环次数增加，则面积越小，当第三曲线中出现第二次面 积减小速度加快时，表示这个测试力循环的次数对应的时间是钢筋混凝土梁即将损坏的时 间。
[0020] 一种如权利要求1所述的测试装置，它包括数据采集装置以及数据处理装置，所 述数据采集装置包括磁探头、固定在测试用的钢筋混凝土梁的支撑装置、设置在支撑装置 上用于调节磁探头位置的磁探头支座，所述数据处理装置包括计算机，所述磁探头与计算 机信号连接。
[0021] 采用以上方法和测试装置与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1)本发明提 供的基于压磁效应的疲劳测试方法是通过间接测量钢筋压磁场的方法来实现的；（2)可以 根据磁探头测得的磁场以及测试机提供的测试力得到第一条裂纹产生的过程，进而清楚裂 纹萌生与扩展阶段；（3)可以根据切向磁场与法相磁场的磁场幅值变化预估钢筋混凝土梁 结构疲劳最终破坏形式；(4)可以根据每次测试力循环后得到测试力与磁场的第一曲线的 面积变化能把握疲劳损伤过程尤其是后期迅速劣化过程，这样能在钢筋混凝土梁即将损坏 之前得到做出预警；（5)并且采用这种测试装置，结构简单，安装方便，且磁探头位置调节 比较方便，进而使得测试效果较好。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明基于压磁效应的钢筋混凝土结构疲劳测试装置的结构示意图。
[0023] 图2为本发明基于压磁效应的钢筋混凝土结构疲劳测试装置安装到测试用的钢 筋混凝土梁上的结构示意图。
[0024] 图3为本发明基于压磁效应的钢筋混凝土结构疲劳测试方法中以编号FB-B1梁中 第一磁探头在前两个循环中测得的磁场强度为纵坐标以测试力为横坐标得到的第一曲线 图。
[0025] 图4为本发明基于压磁效应的钢筋混凝土结构疲劳测试方法中以编号FB-B1梁中 第二磁探头在前两个循环中测得的磁场强度为纵坐标以测试力为横坐标得到的第一曲线 图。
[0026] 图5为本发明基于压磁效应的钢筋混凝土结构疲劳测试方法中以编号FB-B4梁中 第二磁探头在多个不同的循环中测得的磁场强度为纵坐标以测试力为横坐标得到的不同 的第一曲线图。
[0027] 图6为本发明基于压磁效应的钢筋混凝土结构疲劳测试方法中以编号FB-B4梁中 第二磁探头在每个循环中测得的第一曲线首尾相连形成的封闭图形的面积作为纵坐标而 以测试力的循环次数作为横坐标形成一个第三曲线图。
[0028] 如图所示：1、磁探头；2、钢筋混凝土梁；3、支撑装置；4、磁探头支座。
【具体实施方式】
[0029] 以下结合附图与【具体实施方式】对本发明做进一步描述，但是本发明不仅限于以下
【具体实施方式】。
[0030] 铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变 化，这种现象称为磁致伸缩，压磁效应是磁致伸缩的逆效应。根据麦氏关系、循环关系及居 里定律，单位体积的铁磁物质有以下关系：
[0032] 式（1)中M为磁矩；P为外加力；H为磁场强度；T为热力学温度；V为体积。式（1) 左边是磁致伸缩，右边是压磁效应。
[0033] 在外应力作用下，铁磁体磁晶的总自由能为：
[0034] E = Ek+Ems+Eel+E。 （2)
[0035] 式⑵中E为自由能，Ek为各向异性能，E ms为磁弹性能，E el为弹性能，E。为应力 能。铁磁材料的外力作用导致应力能的增加，按照能量最低原理，磁弹性能和弹性能也会改 变以保持总自由能极小，或者说应力的存在迫使原本磁畴结构的位移和转动，自然状态下 的平衡被破坏，由此产生了压磁信号。
[0036] 将压磁效应应用于疲劳损伤研宄的机理为：在交变荷载作用下，微观塑性化过程 将导致材料内部结构的滑移错位，从而改变材料的纹理，空隙，内含物以及其他瑕疵，这种 物理变化反过来又会改变与它共存的铁磁材料结构的排列，从而影响材料所表现出来的磁 场强度，通过量测铁磁性试件周围压磁场的演变过程就能记录其疲劳损伤过程。这种方法 的物理原理是钢筋的力磁机械效应，即钢筋混凝土在荷载作用下，钢筋应力变化、钢筋混凝 土界面性能（粘结滑移等）变化、裂缝开展等均导致钢筋应力重分布，疲劳过程中钢筋受力 状态和界面性能更加复杂，钢筋周围的磁场信号会相应改变，通过监测磁场变化可以获知 混凝土中钢筋的损伤状态和钢筋混凝土界面损伤状态。
[0037] 铁磁体的磁化过程包括不可逆磁化Mitt和可逆磁化M,ev，材料的磁化强度还与非滞 后磁化强度Man有关，外力对磁化的影响是剩余磁化强度不断向M m靠近的过程，这个成为接 近理论。
[0038] M = Mrev+Mirr (3)
[0039] Mrev= c (M m-Mirr) (4)
[0040] 其中式（3)式（4)中，M为磁化强度，Mitt为不可逆磁化强度，为可逆磁化强度， M m为非滞后磁化强度，c为常数，反映畴壁的弹性。
[0041] 本发明的测试装置包括数据采集装置以及数据处理装置，所述数据采集装置包括 磁探头、固定在测试用的钢筋混凝土梁的支撑装置、设置在支撑装置上用于调节磁探头位 置的磁探头支座，所述数据处理装置包括计算机，所述磁探头与计算机信号连接。所述支撑 装置以及磁探头支座均为铝制材料制成。且数据采集装置还包括数据采集卡、单片机以及 存储卡。
[0042] 本发明所采用的测试方法主要包括以下步骤：
[0043] (1)、制