鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋屈服狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋼筋混凝土內(nèi)部鋼筋工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋屈服監(jiān)測(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為鋼筋混凝土橋梁的主要組成部分，鋼筋的工作性能直接決定了此類橋梁的受力性能和使用壽命；鋼筋屈服，是鋼筋開(kāi)始喪失對(duì)變形的抵抗能力，并開(kāi)始產(chǎn)生大量塑性變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。鋼筋屈服與否是判斷鋼筋使用性能的重要臨界指標(biāo)，如果能對(duì)鋼筋屈服進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在鋼筋達(dá)到屈服狀態(tài)臨界點(diǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)警，對(duì)保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性具有重要意義。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，針對(duì)既有的鋼筋混凝土構(gòu)件，只能根據(jù)荷載、材料的標(biāo)準(zhǔn)值，使用簡(jiǎn)化分析模型和多種假定來(lái)計(jì)算出鋼筋混凝土構(gòu)件整體的理論應(yīng)力狀態(tài)，這種理論應(yīng)力狀態(tài)只能對(duì)較大區(qū)域內(nèi)的鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行籠統(tǒng)、模糊地描述，并且其結(jié)果還受限于所設(shè)定的特定工況，既無(wú)法反應(yīng)出鋼筋混凝土構(gòu)件的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，也無(wú)法對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)、準(zhǔn)確的描述，更加無(wú)法對(duì)鋼筋應(yīng)力是否達(dá)到屈服狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，針對(duì)鋼筋屈服的監(jiān)測(cè)或監(jiān)測(cè)手段目前還停留在理論研究階段，缺乏可以實(shí)際應(yīng)用的有效手段，如專利號(hào)為200420039785.5的中國(guó)專利文獻(xiàn)提出了一種便捷式智能鋼筋屈服狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀，其手段是將待測(cè)鋼筋外露，利用測(cè)定材料硬度的方法來(lái)測(cè)試固體材料的強(qiáng)度特征，其原理類似于用回彈法測(cè)混凝土強(qiáng)度，但在實(shí)施該方案時(shí)，需要鑿除混凝土來(lái)使鋼筋裸露出來(lái)，對(duì)構(gòu)件破壞性較大，不適于在橋梁關(guān)鍵位置實(shí)施；論文“CERP預(yù)警傳感器的研究”是利用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CERP)的導(dǎo)電性和壓電效應(yīng)，根據(jù)碳纖維布斷裂時(shí)所形成的電阻階躍信號(hào)，來(lái)判定鋼筋的屈服并實(shí)現(xiàn)預(yù)警，此方法需要在澆筑構(gòu)件時(shí)就在鋼筋上鋪裝碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，無(wú)法應(yīng)用于對(duì)成橋上的鋼筋強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明采用金屬磁記憶技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)鋼筋的屈服狀態(tài)，其原理是:金屬磁記憶技術(shù)是鐵磁性材料在地磁場(chǎng)激勵(lì)下，應(yīng)力集中和變形區(qū)域會(huì)發(fā)生磁疇壁運(yùn)動(dòng)，并由于材料內(nèi)耗產(chǎn)生不可逆的磁疇重新取向，從而使得漏磁信號(hào)會(huì)在應(yīng)力集中或者變形區(qū)附近發(fā)生突變。當(dāng)鋼筋應(yīng)力超過(guò)彈性極限后，進(jìn)入屈服階段后，變形增加較快，此時(shí)除了產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。由此可知，當(dāng)鋼筋達(dá)到屈服時(shí)，磁信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。
[0006]針對(duì)【背景技術(shù)】中的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋屈服狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，其創(chuàng)新在于:所述鋼筋混凝土內(nèi)部鋼筋屈服狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置由支架、杜瓦瓶、蔽磁材料層和磁探頭組成；所述蔽磁材料層設(shè)置于杜瓦瓶?jī)?nèi)儲(chǔ)液腔的底部，所述杜瓦瓶?jī)?nèi)封裝有液氮；所述磁探頭設(shè)置于杜瓦瓶下方，磁探頭位于蔽磁材料層覆蓋的區(qū)域范圍內(nèi)；所述磁探頭和杜瓦瓶通過(guò)支架連接為一體；所述蔽磁材料層采用釔鋇銅氧。
[0007]橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋外還包裹了一定厚度的混凝土層，若要實(shí)現(xiàn)無(wú)損監(jiān)測(cè)，就不能破壞混凝土層，故探測(cè)裝置與鋼筋之間的間隔至少要等于混凝土層的厚度，另外，監(jiān)測(cè)環(huán)境中充滿了地磁場(chǎng)，地磁場(chǎng)與鋼筋周圍的磁場(chǎng)同時(shí)被探測(cè)裝置所感應(yīng)，再加上傳感部無(wú)法與鐵磁性材料直接接觸，在現(xiàn)有的磁記憶檢測(cè)技術(shù)條件下，根本無(wú)法將微弱的鋼筋周圍磁場(chǎng)從監(jiān)測(cè)信號(hào)中剝離出來(lái)，也無(wú)法利用磁記憶技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋屈服狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。本發(fā)明采用一種高溫超導(dǎo)材料-釔鋇銅氧，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于液氮沸點(diǎn)，在液氮環(huán)境這種低超導(dǎo)條件下就能實(shí)現(xiàn)“超導(dǎo)”，而且在超導(dǎo)狀態(tài)下，釔鋇銅氧具有抗磁性，其內(nèi)部磁通量為零，磁力線無(wú)法進(jìn)入超導(dǎo)體。
[0008]在前述方案中，杜瓦瓶用于存儲(chǔ)液氮，釔鋇銅氧設(shè)置于杜瓦瓶?jī)?nèi)儲(chǔ)液腔的底部，相當(dāng)于浸泡在液氮中，通過(guò)液氮的低溫使釔鋇銅氧保持在超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)狀態(tài)下的釔鋇銅氧發(fā)揮其抗磁性，一方面，釔鋇銅氧將來(lái)自上方的地磁場(chǎng)的磁力線阻擋在外，使地磁場(chǎng)無(wú)法進(jìn)入磁探頭監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的氣隙空間內(nèi)，另一方面，釔鋇銅氧將來(lái)自下方的鋼筋周圍的磁場(chǎng)也阻擋在外，迫使鋼筋周圍的磁場(chǎng)只能向磁探頭處匯集，這就可以在現(xiàn)有的磁探測(cè)手段條件下，捕獲到微弱的鋼筋周圍磁場(chǎng)，通過(guò)對(duì)鋼筋周圍磁場(chǎng)的特性進(jìn)行分析，我們就能定性地掌握鋼筋的當(dāng)前強(qiáng)度狀態(tài)。
[0009]優(yōu)選地，所述磁探頭的輸出部和控制部以有線或無(wú)線方式與一計(jì)算機(jī)通信連接。采用此優(yōu)選方案后，技術(shù)人員就能通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程遙控磁探頭的動(dòng)作并實(shí)時(shí)獲取到監(jiān)測(cè)信號(hào)，提高結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)效率。
[0010]基于前述的鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋強(qiáng)度及屈服狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，本發(fā)明還提出了一種鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋屈服狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，所涉及的硬件包括如前所述的鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋屈服狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，具體的監(jiān)測(cè)方法包括:1)將鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋屈服監(jiān)測(cè)裝置設(shè)置于橋梁控制截面或鋼筋所受應(yīng)力較大處，磁探頭表面與包裹在鋼筋外的混凝土表面接觸；
2)定期驅(qū)動(dòng)磁探頭工作，獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)；
3)計(jì)算當(dāng)前監(jiān)測(cè)周期內(nèi)獲得的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)與前一監(jiān)測(cè)周期內(nèi)獲得的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)之間的變化量，若變化量大于設(shè)定的閾值，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)；若變化量小于設(shè)定的閾值，則繼續(xù)進(jìn)行后一監(jiān)測(cè)周期的處理。
[0011]前述方法的原理是:基于現(xiàn)有理論可知，新鋪設(shè)的鋼筋剛投入使用時(shí)，由于其強(qiáng)度較高，在應(yīng)力作用下，其應(yīng)變量?jī)H會(huì)以蠕變形式緩慢變化，再加上正常狀態(tài)下橋梁上的應(yīng)力、變形及其分布相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)鋼筋周圍磁場(chǎng)的變化也十分細(xì)微，磁感應(yīng)強(qiáng)度不會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)；隨著時(shí)間的推移，鋼筋在應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)間作用下，其強(qiáng)度會(huì)逐漸劣化，當(dāng)鋼筋強(qiáng)度演進(jìn)至屈服狀態(tài)臨界點(diǎn)后，由現(xiàn)有理論可知，鋼筋上的塑性形變將逐漸顯性化，形變量會(huì)明顯增大，此時(shí)由形變引起的磁疇壁運(yùn)動(dòng)也會(huì)明顯增大，并表現(xiàn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量，因此，通過(guò)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并計(jì)算其變化量，我們就能定性地判斷出鋼筋強(qiáng)度是否已經(jīng)接近或達(dá)到屈服狀態(tài)臨界點(diǎn)，從而為結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)、病害處治工作提供參考依據(jù)。
[0012]對(duì)于在役橋梁，在應(yīng)用本發(fā)明方案時(shí)，由于橋梁已經(jīng)運(yùn)營(yíng)了一定時(shí)間，其前期鋼筋強(qiáng)度演進(jìn)情況無(wú)法獲知，再加上橋梁這類大型結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力應(yīng)變情況較為復(fù)雜，從提高安全性的方面考慮，本發(fā)明還在前述方案的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步優(yōu)化，即在步驟3)的處理完成后，進(jìn)行后一監(jiān)測(cè)周期的處理之前，先按如下方法進(jìn)行處理:
將當(dāng)前監(jiān)測(cè)周期內(nèi)獲得的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)與一磁感應(yīng)強(qiáng)度臨界值進(jìn)行比較，若磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)小于磁感應(yīng)強(qiáng)度臨界值，則繼續(xù)進(jìn)行后一監(jiān)測(cè)周期的處理；若磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)大于磁感應(yīng)強(qiáng)度臨界值，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)；所述磁感應(yīng)強(qiáng)度臨界值為鋼筋達(dá)到屈服狀態(tài)臨界點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的理論磁感應(yīng)強(qiáng)度，此理論磁感應(yīng)強(qiáng)度根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果合理設(shè)定。
[0013]該步驟中的理論磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)源于仿真試驗(yàn)，即對(duì)仿真鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行加載試驗(yàn)，通過(guò)加載試驗(yàn)來(lái)模擬內(nèi)部鋼筋從初始狀態(tài)至屈服狀態(tài)的演進(jìn)過(guò)程，試驗(yàn)過(guò)程中，采用本發(fā)明的裝置對(duì)鋼筋周圍磁場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，從而找到鋼筋的屈服狀態(tài)臨界點(diǎn)以及屈服狀態(tài)臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的特征磁感應(yīng)強(qiáng)度，獲得了特征磁感應(yīng)強(qiáng)度后，綜合考慮橋梁設(shè)計(jì)壽命、已服役時(shí)間和材料數(shù)值，在特征磁感應(yīng)強(qiáng)度基礎(chǔ)上制定出更為嚴(yán)苛的安全閾值，即理論磁感應(yīng)強(qiáng)度，在橋梁安全預(yù)警中，以寧愿錯(cuò)報(bào)也不漏報(bào)的態(tài)度，根據(jù)理論磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行安全預(yù)警，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全。
[0014]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:提出了一種可以對(duì)鋼筋混凝土內(nèi)部鋼筋屈服進(jìn)行監(jiān)測(cè)的新裝置，并依據(jù)監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)出了一種新的橋梁安全監(jiān)測(cè)方法，對(duì)于新建橋梁和在役橋梁均可實(shí)施。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1、本發(fā)明的裝置原理示意圖；
圖2、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3、鋼筋磁場(chǎng)變化曲線圖(圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度)；
圖4、鋼筋磁場(chǎng)變化時(shí)間梯度圖(圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度的時(shí)間梯度值);
圖中各個(gè)標(biāo)記所對(duì)應(yīng)的名稱分別為:支架1、杜瓦瓶2、蔽磁材料層3、磁探頭4、鋼筋混凝土構(gòu)件上的混凝土層5、鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)的鋼筋6、地磁場(chǎng)磁力線7、鋼筋周圍磁場(chǎng)磁力線8。