波形钢腹板组合箱梁及该组合箱梁剪力键滑移监测装置的制作方法

本实用新型属于土木工程结构健康监测技术领域，特别涉及一种波形钢腹板组合箱梁及该组合箱梁剪力键滑移监测装置。

背景技术：

波形钢腹板PC组合箱梁是由混凝土顶板、底板、体内与体外预应力筋及波形钢腹板组成，是对传统PC箱梁的一种改进。与传统PC箱梁桥相比，它能够减轻桥梁上部结构的自重，并充分发挥了混凝土和钢板各自的力学潜能，提高了这两种材料的使用效率，波形钢腹板的剪切屈曲强度较高，无需纵横向加劲肋。

波形钢腹板与混凝土顶板、底板之间的连接(通过剪力键连接)是波形钢腹板组合箱梁最重要的接合部位，该部位要确保能够准确传递作用于其上沿桥纵向的水平剪力，直接影响到整个桥梁结构的承载能力。

在外荷载作用下，波形钢腹板组合箱梁和其他组合梁受力情况一样，都需要经历三个阶段：未开裂弹性阶段、开裂弹性阶段，弹塑性阶段。

波形钢腹板与混凝土顶底板之间通常利用三种常规剪力键连接：(1)、栓钉剪力键；(2)、开孔板剪力键(PBL剪力键)；(3)、埋入式剪力键。

栓钉剪力键的工作状态大致可分为三个阶段：(1)、弹性工作阶段：栓钉剪力键刚度较大，剪力键与混凝土共同变形，相互间滑移量微小，属于弹性变形。(2)、弹塑性工作阶段：当荷载加到极限荷载时，由于栓钉剪力键属于柔性剪力键，因而相对滑移显著增大，栓钉或其周围混凝土会出现明显的塑性性质。(3)、破坏阶段：当外荷载达到极限荷载时，栓钉周围混凝土发生压碎或劈裂破坏，或者栓钉根部在循环荷载作用下发生疲劳破坏。

PBL剪力键的工作状态分析如下：(1)、在整个受力过程中，混凝土表面不发生明显开裂，PBL钢板不发生破坏，且不发生明显变形：当滑移量较小时，对承载力有贡献的因素是：混凝土榫的抗剪承载力(1.5～4mm)、钢板与混凝土之间的胶结作用(滑移量小于0.2～0.4mm)、贯穿钢筋的抗剪承载力(1.5～4mm)，当混凝土榫即将破坏时，达到弹性(或弹塑性)阶段的最大滑移量阶段，承载能力主要由混凝土榫提供。当滑移量逐渐增大时，钢板与混凝土之间的胶结作用破坏，取代的是钢板与混凝土之间的摩擦作用，混凝土榫开始被剪坏或压坏，混凝土榫的承载能力消失，取代的是混凝土之间的齿合作用，贯穿钢筋的剪力逐渐变小，由受剪为主，变为弯剪组合受力，最后变成以受拉为主。当贯穿即将发生破坏时，达到承载能力极限状态，承载能力由混凝土榫和贯穿钢筋共同承担。(2)在整个受力过程中，混凝土外部发生明显开裂，PBL钢板不发生破坏，且不发生明显变形：当滑移量较小时，混凝土没有开裂，对承载力有贡献的因素是：混凝土榫的抗剪承载力(1.5～4mm)、钢板与混凝土之间的胶结作用(滑移量小于0.2～0.4mm)、贯穿钢筋的抗剪承载力(1.5～4mm)。当混凝土榫即将破坏时，达到弹性(或弹塑性)段的最大滑移量阶段，也是PBL剪力键承载能力最大的阶段，承载能力主要由混凝土榫提供。当滑移量逐渐增大时，钢板与混凝土之间的胶结作用破坏，取代的是钢板与混凝土之间的摩擦作用，当混凝土开裂后，摩擦作用迅速减小为零，混凝土榫开始被剪坏或压坏，混凝土榫的承载能力消失，取代的是混凝土之间的齿合作用，但齿合作用也随着混凝土开裂而迅速减小为零，贯穿钢筋的剪力逐渐变小，由受剪为主，变为弯剪组合受力，最后变成以受拉为主；弹性阶段以后，荷载逐渐减小，承载能力主要由贯穿钢筋提供。

对于埋入式剪力键而言，抗剪结合键是被埋入混凝土中的波纹钢板的斜向面板,利用纵向焊接的约束钢筋、贯穿钢筋以及混凝土抗剪销来传递和抵抗剪力,从而阻止混凝土顶底板与波纹钢腹板发生相对位移，使剪力键更不易发生。孔内的混凝土销因抗压或抗剪刚度不足而破坏，所以该剪力键滑移量较小。

可见，目前所普遍采用的连接剪力键在其达到最大承载能力之前都有较大的滑移变形。即使是在剪力键的弹塑性阶段，也有较大的滑移变形，而钢腹板与顶底板混凝土之间的这个滑移变形，则会引起组合梁较大的附加位移，而且跨度越大，这个附加位移越大。

当波形钢腹板与顶底板混凝土之间发生滑移时，顶底板与腹板相接处的应力要发生部分释放，因此相当于给顶底板施加了一对反向的轴力，从而使顶底板总的轴向力减小，从而使截面所承担的弯矩减少，即降低截面的承载能力，影响梁体受力性能。因此，有必要对波形钢腹板组合箱梁中波形钢腹板与顶板连接处、波形钢腹板与底板连接处进行长期滑移监测。

技术实现要素：

对波形钢腹板组合箱梁中波形钢腹板与顶板连接处、波形钢腹板与底板连接处进行长期滑移监测意义重大，本实用新型的目的在于，针对该问题，提供一种波形钢腹板组合箱梁及该组合箱梁剪力键滑移监测装置，能够实时监测波形钢腹板组合箱梁连接处的滑移，灵敏度高、响应快、操作简单、能耗低，可以长期监控连接处滑移。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种波形钢腹板组合箱梁，包括顶板、底板、波形钢腹板，所述顶板与底板均通过剪力连接键与波形钢腹板固连，其结构特点是所述波形钢腹板内侧壁或外侧壁顶部设有沿组合箱梁纵向布置的多个第一压电陶瓷片，所述波形钢腹板内侧壁或外侧壁底部设有沿组合箱梁纵向布置的多个第二压电陶瓷片；波形钢腹板顶部内侧和/或外侧固设有与各第一压电陶瓷片相对应的第一压电智能骨料，波形钢腹板底部内侧和/或外侧固设有与各第二压电陶瓷片相对应的第二压电智能骨料。

压电陶瓷片(PZT)具有正、逆压电效应，压电智能骨料具有频响范围宽、响应速度快、结构简单、功耗低、成本低等优点,通过外加激励信号驱动压电陶瓷片,同时记录下相应的压电智能骨料的接收信号,而结构可能出现的损伤尤其是裂纹都可能给这个接收信号带来变化，从而可以基于压电智能骨料对结构进行长久的健康监测。本实用新型在波形钢腹板与顶板连接处、波形钢腹板与底板连接处均设置有对应的压电陶瓷片与压电智能骨料，从而可以实时监控波形钢腹板组合箱梁连接处的滑移。

作为一种优选方式，所述第一压电陶瓷片和/或第二压电陶瓷片沿组合箱梁纵向均匀布置。

作为一种优选方式，所述第一压电陶瓷片和/或第二压电陶瓷片布置在波形钢腹板各节段的竖直中心线上。

进一步地，所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的表面均覆盖有防水绝缘层。

作为一种优选方式，所述防水绝缘层的厚度为0.08～0.12mm。

进一步地，第一压电陶瓷片固设于波形钢腹板侧壁顶部的凹槽内，第二压电陶瓷片固设于波形钢腹板侧壁底部的凹槽内。

进一步地，第一压电陶瓷片与波形钢腹板侧壁顶部的凹槽设有第一绝缘层，第二压电陶瓷片与波形钢腹板侧壁底部的凹槽设有第二绝缘层。

作为一种优选方式，所述第一压电陶瓷片距离波形钢腹板侧壁顶端面1cm，所述第二压电陶瓷片距离波形钢腹板侧壁底端面1cm。

基于同一个发明构思，本实用新型还提供了一种所述波形钢腹板组合箱梁的剪力键滑移监测装置，包括任意波形发生器、数据采集器和计算机，各第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均与任意波形发生器的输出端电连接，各第一压电智能骨料和第二压电智能骨料均通过数据采集器与计算机电连接。

进一步地，还包括功率放大器，任意波形发生器的输出端与功率放大器的输入端电连接，各第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均与功率放大器的输出端电连接。

本实用新型结构简单、成本低廉，能够实时监测波形钢腹板组合箱梁连接处的滑移，灵敏度高、响应快、操作简单、能耗低，可以长期监控连接处滑移。

附图说明

图1为本实用新型波形钢腹板组合箱梁结构示意图。

图2为波形钢腹板与顶底板连接结构示意图。

图3为压电陶瓷片和压电智能骨料在波形钢腹板组合箱梁的安装位置示意图。

图4为波形钢腹板组合箱梁剪力键滑移检测装置结构示意图。

图5为波形钢腹板组合箱梁剪力键滑移检测装置制作流程和监控流程图。

其中，1为顶板，2为底板，3为波形钢腹板，4为贯通钢筋，5为接合钢筋，6为第一压电智能骨料，7为第一压电陶瓷片，8为功率放大器，9为任意波形发生器，10为数据采集器，11为计算机，12为第二压电智能骨料，13为第二压电陶瓷片。

具体实施方式

如图1至图3所示，波形钢腹板组合箱梁包括顶板1、底板2、波形钢腹板3，所述顶板1与底板2均通过剪力连接键与波形钢腹板3固连，所述波形钢腹板3内侧壁或外侧壁顶部设有沿组合箱梁纵向布置的多个第一压电陶瓷片7，所述波形钢腹板3内侧壁或外侧壁底部设有沿组合箱梁纵向布置的多个第二压电陶瓷片13；波形钢腹板3顶部内侧和外侧固设有与各第一压电陶瓷片7相对应的第一压电智能骨料6，波形钢腹板3底部内侧和外侧固设有与各第二压电陶瓷片13相对应的第二压电智能骨料12。

所述第一压电陶瓷片7和/或第二压电陶瓷片13沿组合箱梁纵向均匀布置。本实施例中，设置于组合箱梁桥1/2截面、1/4截面等关键截面。

所述第一压电陶瓷片7和第二压电陶瓷片13布置在波形钢腹板3各节段的竖直中心线上。

所述第一压电陶瓷片7和第二压电陶瓷片13的表面均覆盖有防水绝缘层。所述防水绝缘层的厚度为0.08～0.12mm。防水绝缘层材料为环氧树脂和聚酰胺树脂，两种树脂按1:1搅拌均匀使用。

第一压电陶瓷片7固设于波形钢腹板3侧壁顶部的凹槽内，第二压电陶瓷片13固设于波形钢腹板3侧壁底部的凹槽内。

第一压电陶瓷片7与波形钢腹板3侧壁顶部的凹槽设有第一绝缘层，第二压电陶瓷片13与波形钢腹板3侧壁底部的凹槽设有第二绝缘层。

所述第一压电陶瓷片7距离波形钢腹板3侧壁顶端面1cm，所述第二压电陶瓷片13距离波形钢腹板3侧壁底端面1cm。

波形钢腹板3顶部内外侧的第一压电智能骨料6距离第一压电陶瓷片7长度相等，均与波形钢腹板3距离10cm。第一压电陶瓷片7与对应的两第一压电智能骨料6均在波形钢腹板3同一节段的竖直中心线上。

波形钢腹板3底部内外侧的第二压电智能骨料12距离第二压电陶瓷片13长度相等，均与波形钢腹板3距离10cm。第二压电陶瓷片13与对应的两第二压电智能骨料12均在波形钢腹板3同一节段的竖直中心线上。

如图4所示，波形钢腹板组合箱梁剪力键滑移监测装置包括任意波形发生器9、功率放大器8、数据采集器10和计算机11，任意波形发生器9的输出端与功率放大器8的输入端电连接，各第一压电陶瓷片7和第二压电陶瓷片13均通过屏蔽线与功率放大器8的输出端电连接(附图中未示出第二压电陶瓷片13与功率放大器8的连接关系，但并不影响本领域的技术人员对本实用新型的理解和实现)，各第一压电智能骨料6和第二压电智能骨料12均与数据采集器10电连接(附图中未示出第二压电智能骨料12与数据采集器10的连接关系，但并不影响本领域的技术人员对本实用新型的理解和实现)，数据采集器10通过USB通信线接入计算机11，从而能够通过计算机11处理评估接收到的数据，进而监测到具体的滑移损伤程度。

如图5所示，本实用新型波形钢腹板组合箱梁滑移检测装置制作流程和监控流程图如下：

(1)工厂加工波形钢腹板3。常用有三种标准形状的波形钢腹板3规格：1600型、1200型和1000型。波形钢腹板3规格选择1600型，板厚8mm，使用优质钢材Q345制作波形钢腹板3，波形钢腹板3节段间纵向连接采用贴角焊搭接连接方式。

(2)在箱梁桥1/2截面，1/4截面等关键截面的波形钢腹板3内侧或外侧距节段短边1cm的位置，上下沿节段竖向中心线各开一个凹槽，所述凹槽与压电陶瓷片PZT大小匹配。

(3)将第一压电陶瓷片7粘贴于波形钢腹板3顶部的凹槽内、将第二压电陶瓷片13粘贴于波形钢腹板3底部的凹槽内，作为驱动器，并用防水绝缘材料封装第一压电陶瓷片7和第二压电陶瓷片13。在常温条件下自然放置6小时以上使其自然固化。

上述步骤(3)中，压电陶瓷片处理过程如下：用无水酒精将压电陶瓷片PZT的表面清洁干净,静置，待压电陶瓷片自然干燥后，在压电陶瓷片上焊接屏蔽线并涂覆防水绝缘层。所述防水绝缘层材料为环氧树脂和聚酰胺树脂，两种树脂按1:1搅拌均匀使用，所述防水绝缘层厚度为0.08～0.12mm。

(4)搭设底板2模板，首先将底板2的贯通钢筋4贯穿于波形钢腹板3下端的预留圆孔内，再将波形钢腹板3定位，沿梁纵向固定好体内波纹管并穿束；搭设横隔板模板，然后布置底板2和横隔板钢筋，波形钢腹板3内侧焊接开孔钢板，再在其开孔位置穿入贯穿钢筋。用细铁丝固定若干对压电智能骨料，置于距离监测的波形钢腹板3两侧10cm位置。每一对智能骨料距离对应的压电陶瓷片距离相等，需保证三者在同一中心线上。

上述步骤(4)中，压电智能骨料处理过程如下：用混凝土作为压电智能骨料的保护壳体，经养护完成后，将经过防水处理且外接屏蔽线的压电陶瓷包裹，制备成压电智能骨料。

(5)浇注底板2及横隔板混凝土，并养护5天。

(6)搭设顶板1模板并绑扎顶板1钢筋，沿梁纵向固定好体内波纹管并穿束，将混凝土顶板1的贯通钢筋4贯穿于波形钢腹板3顶部的预留圆孔内，并沿桥纵向将两根接合钢筋5焊接在波形钢腹板3的顶端，然后用细铁丝固定若干对压电智能骨料作传感器，置于距离监测的波形钢腹板3两侧10cm位置，浇注顶板1混凝土，养护28天。预应力筋张拉锚固后，采用真空压浆法进行孔道压浆。

(7)任意波形发生器9作为信号发生器，将功率放大器8输入接口连接到任意波形发生器9的信号输出端，功率放大器8的输出接口通过屏蔽线连接到第一压电陶瓷片7驱动器和第二压电陶瓷片13驱动器，第一压电智能骨料6传感器和第二压电智能骨料12连接到数据采集器10，该数据采集器10通过USB通信线连接计算机11，进行试验数据的采集和存储。

(8)在波形钢腹板组合箱梁桥通车前，实时监测并储存一组结构健康数据，作为连接处滑移后监测数据的参照数据。

(9)用任意波形发生器9发射峰峰值为4V的正弦激励信号，通过连接功率放大器8将激励信号放大25倍使用。选取频率为5kHz的正弦周期信号激励压电陶瓷片驱动器，采用LMS数据采集器10采集各压电智能骨料传感器的接收信号，采样频率取为102.4k Hz，采样时间取为1s，将采集的信号数据用MATLAB分析处理。

(10)将接收到的正弦时域信号进行快速傅立叶变换(Fast Fourier transform,FFT)。

快速傅里叶变换即利用计算机11计算离散傅里叶变换(DFT)的高效、快速计算方法的统称。快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的。采用这种算法能使计算机11计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数N越多，FFT算法计算量的节省就越显著。离散傅里叶变换(discrete Fourier transform)傅里叶分析方法是信号分析的最基本方法，傅里叶变换是傅里叶分析的核心，通过它把信号从时间域变换到频率域，进而研究信号的频谱结构和变化规律。

计算基于频域幅值的绝对差值损伤指标AD：

式中，为滑移损伤状态下各传感器(各第一压电智能骨料6和第二压电智能骨料12)接受信号的幅值的平均值，为健康状态下各传感器接受信号幅值的平均值。

AD表示的是损伤状态下信号的频域幅值相对于健康状态下信号的频域幅值的衰减程度，其取值在0～1之间，损伤程度越大，AD越大。当AD＝0时，表示结构处于健康状态；当AD的值在0～1之间时，表示结构出现滑移损伤，并发出预警；当AD＝1时，表示结构处于功能完全失效状态。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。