本實用新型屬于裂縫寬度變化識別和監(jiān)測
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種基于弦振頻率的裂縫寬度變化監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
：在當今土木工程行業(yè)中，房屋建筑、鐵路、橋梁、大壩等混凝土結(jié)構(gòu)由于材料、施工、溫度、外荷載等于原因，在施工過程中或建成后營運過程中，結(jié)構(gòu)表面經(jīng)常出現(xiàn)裂縫。有些裂縫不影響結(jié)構(gòu)安全，僅對結(jié)構(gòu)長期的耐久性有一定的不利影響；有些裂縫卻直接影響結(jié)構(gòu)安全，是結(jié)構(gòu)安全與否的重要標志之一。為此，需要對結(jié)構(gòu)表面裂縫發(fā)展情況進行及時的識別、監(jiān)測，若裂縫長度和寬度持續(xù)發(fā)展，則有必要采取加固或其他措施，以減少因結(jié)構(gòu)損壞或倒塌造成的財產(chǎn)損失和人身安全威脅。裂縫長度變化的識別比較容易且簡單，可采用標記、標示或直接多次測量裂縫長度數(shù)據(jù)，經(jīng)過比較即可準確確定裂縫的長度變化情況；有些裂縫長度變化雖不明顯，但裂縫寬度極小的變化卻預示了結(jié)構(gòu)承載能力不滿足使用要求或不安全。然而，由于結(jié)構(gòu)裂縫寬度較小(一般裂縫最小可識別寬度0.04mm，最大裂縫寬度可達60mm)，其裂縫寬度變化亦較小，一般結(jié)構(gòu)性裂縫寬度變化隨荷載增加或時間變化呈線性或非線性加速開裂時，即認為結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)比較嚴重的病害或是缺陷，不適于繼續(xù)承載預定的功能，或需緊急加固處置?，F(xiàn)有裂縫寬度變化識別常用方法有圖像放大法、粘貼脆性材料法、粘貼應變片法等。其中，圖像放大法是采用放大視頻圖像，根據(jù)基準標尺判斷裂縫寬度，多次觀測裂縫寬度并求其差，確定裂縫寬度變化量，但圖像放大后裂縫邊緣模糊，讀數(shù)有較大的誤差，且多次觀測難以保證能夠?qū)柿芽p的同一位置，致使多次觀測后求得的裂縫寬度變化誤差較大。在裂縫表面粘貼脆性材料，如蠟紙、薄玻璃等，裂縫寬度變化增加到一定程度后，脆性材料會被撕裂或脫落，表示裂縫寬度有一定變化，但它無法實現(xiàn)定量，也就無法準確判斷裂縫寬度變化量。粘貼應變片法是在垂直跨裂縫粘貼應變片，測試應變變化情況，當裂縫寬度無變化時應變片無應變產(chǎn)生，應變片有變化產(chǎn)生時表示裂縫寬度亦有變化，與粘貼脆性材料法類似，該法只能識別出裂縫寬度是否有變化，但無法對裂縫寬度變化進行定量。技術(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種測量準確、成本低廉的基于弦振頻率的裂縫寬度變化監(jiān)測裝置，以實現(xiàn)動態(tài)、準確地識別裂縫寬度的變化，可廣泛適用于大壩、房屋建筑、橋梁結(jié)構(gòu)等裂縫寬度變化的識別與監(jiān)測。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用以下技術(shù)方案：基于弦振頻率的裂縫寬度變化監(jiān)測裝置，主要由底座支架、鋼弦、傳遞彈簧和感應線圈組成；2個底座支架之間安裝相互連接的鋼弦和傳遞彈簧，鋼弦的一端穿入并固定在其中一個底座支架頂端的螺桿開孔中，鋼弦的另一端與傳遞彈簧一端連接，傳遞彈簧另一端與另一底座支架頂端的螺桿相連接；感應線圈安裝在鋼弦附近并與頻率計相連。2個底座支架的材料、尺寸相同。鋼弦的直徑不大于0.3mm，鋼弦長度不小于40mm，材料彈性模量在不小于190MPa，抗拉強度在1400MPa以上；傳遞彈簧的剛度大于2000N/mm。針對現(xiàn)有裂縫寬度變化測試準確度不足等問題，發(fā)明人建立了一種基于弦振頻率的裂縫寬度變化監(jiān)測方法，該法采用一定剛度的傳遞彈簧和鋼弦進行一定構(gòu)造的連接組合，采用感應線圈測試裂縫先后狀態(tài)的鋼弦的振動頻率，通過力學和材料學原理計算裂縫寬度的變化值，從而實現(xiàn)裂縫寬度變化的動態(tài)監(jiān)測。據(jù)此，發(fā)明人還設(shè)計制作了相應監(jiān)測裝置。使用該監(jiān)測方法和裝置，結(jié)合發(fā)明人經(jīng)材料力學及結(jié)構(gòu)力學方法推導的基于彈簧的剛度、鋼弦的振動物理特性的高準確度裂縫寬度變化求解公式，可以實現(xiàn)裂縫寬度的變化識別和監(jiān)測，降低人的勞動強度和測試成本，可廣泛適用于大壩、房屋建筑、橋梁結(jié)構(gòu)等裂縫寬度變化的識別與監(jiān)測。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的突出優(yōu)勢在于：(1)技術(shù)原理與其他方法不同，通過裂縫寬度的變化轉(zhuǎn)化為彈簧內(nèi)力，傳遞至鋼弦，通過鋼弦的振動頻率識別鋼弦內(nèi)力，經(jīng)材料力學及結(jié)構(gòu)動力學的推導確定裂縫寬度的變化量，物理量傳遞簡單、明確；(2)測試裝置工具簡單，成本低廉，易于更換維修；(3)裂縫寬度變化識別精度高，對于裂縫寬度的變化識別精度可達0.001mm；(4)該方法較采用應變感應法，不受溫度影響，數(shù)據(jù)零漂小。附圖說明圖1是本實用新型基于弦振頻率的裂縫寬度變化監(jiān)測方法的使用狀態(tài)圖及其監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(垂直于鋼弦和傳遞彈簧)。圖2是本實用新型基于弦振頻率的裂縫寬度變化監(jiān)測方法及裝置的力學原理示意圖。圖中：1結(jié)構(gòu)表面，2裂縫，3底座支架，4鋼弦，5感應線圈，6傳遞彈簧，7螺帽及螺桿。具體實施方式本實用新型基于應變感應的裂縫寬度變化動態(tài)監(jiān)測方法及裝置的基本原理1.操作步驟如圖1和圖2所示，在裂縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)表面1，垂直裂縫方向分別鉆孔植筋或焊接2個材料、尺寸相同的底座支架；將鋼弦的一端穿入其中一個底座支架頂端的螺桿開孔中，鋼弦的另一端與傳遞彈簧一端連接，傳遞彈簧另一端與另一底座支架頂端的螺桿相連接；在結(jié)構(gòu)物表面靠近鋼弦一側(cè)安裝感應線圈并與頻率計相連，感應線圈用于激振(激勵鋼弦振動)和拾振(感應線圈中的微弱電動勢的拾取得到電動勢的頻率和頻率量)，激振和拾振分時進行，先激振，后拾振。采用螺帽在底座支架頂端擰緊，使傳遞彈簧、鋼弦和底座支架充分受力；不定時或定時讀取鋼弦的實測頻率fi；按公式計算獲得裂縫寬度的變化值；其中，鋼弦長度、截面面積、彈性模量及質(zhì)量密度分別為l、s、e、傳遞彈簧的剛度為k，f0表示傳遞彈簧、鋼弦及底座支架充分受力后、裂縫寬度變化前的鋼弦振動初始頻率讀數(shù)，fi為第i次讀取的鋼弦振動頻率，ΔL為裂縫寬度變化量。2.公式推導如圖2所示，鋼弦的長度、截面面積、彈性模量及質(zhì)量密度分別為l、s、e、傳遞彈簧的剛度為k。在裂縫寬度變引起的軸向力F的作用下，鋼弦變?yōu)棣?，彈簧的仲長量為Δt，由此可得式(1)Δtk＝F，seε＝F即是Δlk＝seε式(1)裂縫寬度總變化量為L，L＝lε+Δt，在軸向力F作用下總仲長量L為式(2)又因為鋼弦為柔性索，則有式(3)F＝4ml2f2式(3)則有式(4)式(4)帶入式(2)后，化簡得式(5)當鋼弦初始頻率為f0，裂縫寬度變化后第i次讀得鋼弦頻率為fi時，可得裂縫的寬度變化量ΔL，見式(6)3.應用實例應用前述方法及裝置，其中，鋼弦的長度、截面面積、材料彈性模量、質(zhì)量密度分別為l＝60mm、s＝1.131mm、e＝210GPa、鋼弦的抗拉強度為3000MPa，傳遞彈簧的剛度為k＝20N/mm。用于某梁的室內(nèi)靜載試驗，測得跨中梁底橫向裂縫寬度變化見表1。表1實測弦振頻率及裂縫寬度變化結(jié)果荷載等級初始頻率第1級第2級第3級第4級第5級第6級第7級鋼弦頻率(Hz)10001003.11007.21009.510111013.31016.61018.5裂縫寬度變化(mm)/0.0280.0640.0850.0980.1190.1480.165當前第1頁1 2 3