一种波形钢腹板之间横向连接结构的健康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之间横向连接结构的健康监测装置。

背景技术：

近年来，我国桥梁建设得到了前所未有的发展。目前，PC箱梁(预应力混凝土箱梁)由于具有较好的抗弯和抗扭性能，已经成为现代大跨度桥梁常用的结构形式。然而，随着桥梁跨度的不断增大，桥梁自身的重量也会明显加大，工作可靠性降低。

近三十年来，世界各国桥梁研究者针对桥梁不同方向的发展前景进行探索和尝试，逐渐形成两种解决方案以解决上述问题：一种是在建筑材料方面下功夫，采用高强度轻质混凝土材料；另一种则是对箱梁结构进行改良，腹板使用波形钢腹板代替混凝土，使用体外预应力技术，实现一种新的桥梁结构形式，简称波形钢腹板组合箱梁。如图1和图2所示，波形钢腹板梁桥包括顶板1、底板2、连接顶板1及底板2的波形钢腹板3。

波形钢腹板PC梁与普通PC混凝土梁相比具有以下优点：①可减轻桥梁上部结构自重；②充分发挥混凝土和钢板各自的力学潜能，提高两种材料的使用效率；③波形钢腹板的剪切屈曲强度较高无需横向加劲肋；④施工维修简单，体外预应力筋易于替换和增加，有利于桥梁的维修和加固；⑤桥型美观，波形钢腹板可以调成不同颜色。然而波形钢腹板也存在缺点，相对普通混凝土箱梁，波形钢腹板箱梁断面的抗扭刚度和抗畸变刚度有所降低，波形钢腹板的屈曲破坏较为突然，且在屈曲后阶段，其承载能力大约下降到相当于平钢腹板水平，采用焊接时，其竖向边缘焊接数量比平钢腹板稍有增多等等。

日本在其波形钢腹板PC组合梁桥设计中指出三种标准形状的波形钢腹板：1600型、1200型和1000型。考虑到配件制作难度，运输方式及施工难度等多方面的要求，需要将波形钢腹板沿纵桥方向切割成块，方便运输和制作。在使用时，再利用横向连接结构将相邻的波形钢腹板组合使用。

波形钢腹板组合梁的破坏以顶板的屈服为开端，最后出现波形钢腹板的屈曲破坏，顶板和底板几乎承担了弯曲所产生的力，波形钢腹板几乎不抵抗弯矩作用，且此种桥梁结构形式下弯矩与剪力不相互影响。

波形钢腹板之间的横向连接结构主要有5种形式，分别为坡口焊缝对接结构、贴角焊缝搭接结构、单面摩擦连接结构、双面摩擦连接结构和翼缘板单面摩擦连接结构。

波形钢腹板之间横向连接结构中的主要形式是螺栓连接结构或者焊缝连接结构。

螺栓连接结构中，一般采用高强螺栓连接相邻的波形钢腹板,其具有施工简单、耐疲劳、可拆换、连接的整体性能和刚度较好等优点。波形钢腹板主要承受剪力，所以可以采用摩擦型高强螺栓连接，然而高强螺栓在施工中会出现欠拧或超拧现象。欠拧会导致连接部位预紧力不足，预紧力不足还会导致波形钢腹板之间产生滑移。超拧会导致延迟断裂、脱落。此外，螺栓会受到环境温度和湿度反复变化的影响而腐蚀，从而削弱螺杆的有效截面积，导致螺杆折断、栓钉脱落现象。在动荷载作用下，横向连接结构的动刚度变大，最终也会导致螺栓松脱。螺杆的缺失会导致剩余螺栓传力比增大，极易超过其承载力而出现剪切破坏，从而影响结构安全，所以监测高强螺栓的健康程度意义重大。

焊缝连接结构中，坡口焊缝对接结构美观但施工不便，腹板搭接焊结构对于需要承担剪力的波形钢腹板来说是比较好的方法之一。焊缝在承受剪力的时候难免会产生变形，另外也会发生锈蚀现象，进而导致结构破坏。

可见，螺栓的松动、锈蚀、剪切滑移破坏，焊缝的变形等破坏都会对横向连接结构的应力造成重分布，无论是采用哪种横向连接结构连接相邻的波形钢腹板，横向连接结构的健康状态监测意义都是十分巨大的。而现阶段国内只是针对底板和顶板的监测，对波形钢腹板之间横向连接结构的监测处于一种忽视的状态，这存在一定的安全隐患。因此，监测螺栓连接结构中的高强螺栓或者焊缝连接结构中的焊缝的工作状况、研究实施高效的波形钢腹板横向连接结构具有十分重大的意义。

国内外学者针对螺栓连接结构以及焊缝连接结构有过大量的研究，并得到了一些检测方法，主要的监测方法有：射线检测法、超声波检测、交流电位降技术、敲击回声法、电阻应变片法、声发射检测法、压电阻抗技术检测法、磁粉检测法、金属磁记忆法、渗透检测法。

射线检测法能够有效发现焊缝中埋藏缺陷，在探测质量过剩或质量缺损的体积型缺陷(如夹渣或气孔)方面是非常有效的。局限性在于裂纹探测和裂纹尺寸测量方面，另外一个局限性是使用X和γ射线的安全性，要求确保特别是在现场进行检验或者放射性同位素时的安全工作环境。

超声波检测法可以可靠地探测缺陷，而且精确地对缺陷定位和测量其大小，是根据螺栓所受应力与超声波在其中传播时间大致呈线性关系。因此，超声波检测法利用测得的时间，进而推算出螺栓所受应力大小。但螺栓所受应力与超声波传播时间的关系是在假设螺栓受力主要为轴力的前提下推导的，而高强度螺栓的受力主要靠预紧力产生的极大摩擦力，而在对于裂缝检测中超声波检测需要调整灵敏度，灵敏度高无法识别反射波，灵敏度低小的裂缝就会漏掉，所以此方法实用性不大。

交流电位技术主要是用来测裂缝深度。敲击回声法简单快捷，但检测结果受主观因素影响大，对工人的工作态度和经验水平要求很高，但是不适用长期和实时监控。

磁粉检测法需要对表面预处理去漆，打磨等预处理，还要进行磁化，另外磁粉、磁化方法要根据不同情况选择，磁粉的清洗工作量大。

金属磁记忆法能够对铁磁性金属构件的内部应力集中区即微观缺陷和早期失效和损伤等进行诊断，防止突发性的疲劳损伤，该方法检测螺栓比常规检测方法节省大量时间，在检测效率和检测结果精度方面都表现了一定优越性。但是金属磁记忆法用到的应力集中测量仪价格昂贵，一台需要几十万。

电阻应变片法是直接测量螺杆的应变，通过应变片测量所得的螺杆应变值，根据螺栓应变与螺栓预紧力的关系，进一步转化为螺栓的紧固力，因此可以保证检测结果的精度，但由于螺栓的安装方式和所在的位置，严重影响了该方法的适用性，仅能在周围操作环境良好的情况下使用，适用范围太窄。

声发射法是一种被动检测方法，准确度容易受噪音和振动的影响，另外在传播过程中会发生由散射、吸收等引起的衰弱，声波能量微弱，超出控头灵敏度范围会收不到信号。

压电阻抗技术是利用压电陶瓷良好的电阻抗特性，利用粘结于待测结构上的压电陶瓷PZT片的电阻抗变化来反映结构的机械阻抗变化，进而判断结构的状态是否发生改变。其优点是适用性强，容易对数据进行处理，不仅适用于二维平面的损伤而且适用于对三维构件。此外，PZT片对远距离不敏感，能有效识别局部范围的损伤。缺点是对温度环境和操作条件的敏感性高，导致其很容易对结构的性质进行误判，另外需要额外的FFT分析仪、正弦发生器等。对于大型结构的健康监测，需要布置数量较多的PZT传感元件，以及复杂的布线供能及有线数据传输，在实际长期监测应用中不便于安装管理，且耗能巨大，相关设备价格昂贵，所以不利于推广。

能渗透检测法是利用渗透液，该方法操作要求仔细，如果预清洗不干净，会造成漏检误，时间长，费用高，会造成环境污染，对人体有害。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种基于压电陶瓷的波形钢腹板之间横向连接结构的健康监测装置，成本低廉、操作简单方便、准确率高、耐久性好，能够准确地监测波形钢腹板之间横向连接结构的健康状态，为结构安全评估提供了可靠的保障。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种波形钢腹板之间横向连接结构的健康监测装置，其结构特点是包括任意波形发生器、功率放大器、数据采集器、控制处理器、显示单元和至少一组监测单元，各检测单元包括一设于横向连接结构一侧的压电陶瓷驱动器和一设于横向连接结构另一侧的压电陶瓷传感器，任意波形发生器的输出端通过功率放大器与压电陶瓷驱动器电连接，压电陶瓷传感器通过数据采集器与控制处理器的输入端电连接，控制处理器与显示单元电连接。

作为一种优选方式，所述压电陶瓷驱动器设于横向连接结构一侧波形钢腹板的内侧壁或外侧壁，所述压电陶瓷传感器设于横向连接结构另一侧波形钢腹板的内侧壁或外侧壁。

作为一种优选方式，所述压电陶瓷驱动器包括压电陶瓷片，所述压电陶瓷片、与该压电陶瓷片负极相连的铜箔均与屏蔽线的一端相连，屏蔽线的另一端与BNC接头相连；压电陶瓷传感器与压电陶瓷驱动器结构相同；压电陶瓷驱动器通过对应的BNC接头与功率放大器相连；压电陶瓷传感器通过对应的BNC接头与数据采集器相连。

用于局部监测的传感器系统目前发展起来的感知材料与传感元件主要有光导纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝、压电材料、碳纤维、半导体材料和形状记忆合金等，其中压电陶瓷片具有高灵敏度和高可靠性等其他传感器所不可相媲美的特点。本实用新型利用压电陶瓷的压电二向性的特性，制成频带宽、响应快的压电陶瓷驱动器与压电陶瓷传感器，通过响应信号幅值和能量的变化，对横向连接结构(高强度螺栓或焊缝)的健康状态进行监测判断。

作为一种优选方式，压电陶瓷片距离横向连接结构的距离小于或等于15cm。

作为一种优选方式，压电陶瓷片的尺寸为20mm×5mm×1mm。

作为一种优选方式，压电陶瓷片的长度方向与波形钢腹板箱梁的纵向平行。

作为一种优选方式，所述压电陶瓷驱动器与压电陶瓷传感器的表面均涂有环氧树脂胶。

作为一种优选方式，所述环氧树脂胶厚度为0.2mm～0.3mm。

作为一种优选方式，所述检测单元沿波形钢腹板端面高度方向均匀布置。

作为一种优选方式，所述横向连接结构为螺栓连接结构或焊缝连接结构。

与现有技术相比，本实用新型利用压电陶瓷的压电二向性的特性，制成频带宽、响应快的压电陶瓷驱动器与压电陶瓷传感器，通过响应信号幅值和能量的变化，对横向连接结构的健康状态进行监测判断，成本低廉、操作简单方便、准确率高、耐久性好，能够准确地监测波形钢腹板之间横向连接结构的健康状态，为结构安全评估提供了可靠的保障。

附图说明

图1为波形钢腹板梁桥结构示意图。

图2为波形钢腹板结构示意图。

图3为本实用新型健康监测示意图。

图4为四种横向连接结构下的一组监测单元布置图。

图5为螺栓连接结构下多组检测单元的竖向布置图。

其中，1为顶板，2为底板，3为波形钢腹板，4为压电陶瓷驱动器，5为压电陶瓷传感器，6为高强螺栓，7为坡口焊缝，8为角焊缝，9为控制处理器，10为任意波形发生器，11为功率放大器，12为数据采集器，13为显示单元，14为横向连接结构。

具体实施方式

如图3至图5所示，波形钢腹板之间横向连接结构的健康监测装置包括任意波形发生器10、功率放大器11、数据采集器12、控制处理器9、显示单元13和至少一组监测单元，各检测单元包括一设于横向连接结构14一侧的压电陶瓷驱动器4和一设于横向连接结构14另一侧的压电陶瓷传感器5，任意波形发生器10的输出端通过功率放大器11与压电陶瓷驱动器4电连接，压电陶瓷传感器5通过数据采集器12与控制处理器9的输入端电连接，控制处理器9与显示单元13电连接。本实施例中，波形钢腹板3尺寸为1000型，厚度为8mm。

所述压电陶瓷驱动器4设于横向连接结构14一侧波形钢腹板3的内侧壁或外侧壁，所述压电陶瓷传感器5设于横向连接结构14另一侧波形钢腹板3的内侧壁或外侧壁。

所述压电陶瓷驱动器4包括压电陶瓷片，所述压电陶瓷片、与该压电陶瓷片负极相连的铜箔均与屏蔽线的一端相焊接，屏蔽线的另一端与BNC接头相连；压电陶瓷传感器5与压电陶瓷驱动器4结构相同；压电陶瓷驱动器4通过对应的BNC接头与功率放大器11相连；压电陶瓷传感器5通过对应的BNC接头与数据采集器12相连。

压电陶瓷片距离横向连接结构14的距离小于或等于15cm。

压电陶瓷片的尺寸为20mm×5mm×1mm。

压电陶瓷片的长度方向与波形钢腹板箱梁的纵向平行。

所述压电陶瓷驱动器4与压电陶瓷传感器5的表面均涂有环氧树脂胶。所述环氧树脂胶厚度为0.2～0.3mm。

所述检测单元沿波形钢腹板3端面高度方向均匀布置。一般沿波形钢腹板3竖向在波形钢腹板3端面1/2高度、1/4高度等关键位置处一定间距布置监测单元，并进行编号。

所述横向连接结构14为螺栓连接结构或焊缝连接结构。如图4中示出了四种横向连接结构下检测单元的布置图。图4(1)中，相邻的波形钢腹板3之间通过高强螺栓6相对接。图4(2)中，相邻的波形钢腹板3之间通过高强螺栓6相搭接。图4(3)中，相邻的波形钢腹板3之间通过坡口焊缝7进行对接焊。图4(4)中，相邻的波形钢腹板3之间通过角焊缝8进行搭接焊。

本实用新型的监测原理如下：

第一步，使用任意波形发生器10发射正弦信号至功率放大器11(也可直接使用正弦波发生器发射正弦信号至功率放大器11)，功率放大器11将放大后的信号通过导线施加到压电陶瓷驱动器4上，并在待测波形钢腹板3中激发出电磁波信号。

第二步，压电陶瓷传感器5接收到响应信号并通过数据采集器12将接收到的波形数据发送并保存至控制处理器9。

第三步，由于幅值是小波变换的一个敏感因子，因而随着损伤处能量的损失，幅值会降低。根据监测方案，在预定的监测日期，控制处理器9对比横向连接结构14在初始健康状态下反射波的正弦信号幅值和横向连接结构14在损伤状态下反射波的正弦信号幅值，即可得知波形钢腹板3之间横向连接结构14中螺栓或焊缝的损伤情况。

在第一步中，正弦信号的频率为30kHZ，幅值为10V。

在第二步中，可定义一个损伤指标，对螺栓或者焊缝损伤情况做进一步分析判断。其中，定义的损伤指标为：

其中：Hrf为检测段压电陶瓷传感器5在横向连接结构14处于初始健康状态下的反射波的正弦信号幅值，Drf为检测段压电陶瓷传感器5在横向连接结构14处于损伤状态下的反射波信号幅值。

显然，D1的取值为0～1之间，它表征了实时监测信号幅值相对于初始健康状态的衰减程度。损伤程度越大，D1越大。当D1为0时，表示结构处于正常状态。相反，当D1为1时，表示横向连接结构14处于完全失效的状态。

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。