一种钢管混凝土柱质量检测装置及方法与流程

1.本发明涉及建筑结构质量检测领域，尤其涉及一种钢管混凝土柱质量检测装置及方法。


背景技术：

2.钢管混凝土由外部钢管和核心混凝土组成。两者的结合让钢管混凝土结构形式的构件具有强度大、塑形变形能力强、抗震性能强等优点，被广泛应用于高层建筑与超高层建筑中。其中，又以钢管混凝土柱最为常见。近年来，由于超高层建筑的发展与先进施工工艺的应用，边长或直径超过2米的巨型截面钢管混凝土柱越发常见。同时，为了提高大截面钢管混凝土柱的整体受力性能，通常会在钢管混凝土柱中设置加劲隔板。然而，截面的加大与隔板的存在也让钢管混凝土柱的检测变得更加困难。现有应用于钢管混凝土柱质量缺陷检测的方法主要有超声波法及抽芯取样法等。但是，超声波法难以在大截面钢管混凝土柱中得到有效应用，抽芯取样法也存在破坏结构整体性、样本有限、成本过高及检测周期长等缺点。
3.因此，如何提供一种既不破坏结构整体性又能够适用于多腔大截面的钢管混凝土柱质量检测装置及方法是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种钢管混凝土柱质量检测装置及方法，以解决上述技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种钢管混凝土柱质量检测装置，所述钢管混凝土柱包括钢管和所述钢管内部的混凝土，所述检测装置包括：设置于所述钢管内部的埋线管和压电智能骨料，和设置于所述钢管外部的信号发生系统、传感压电陶瓷以及信号采集系统，
6.所述埋线管为四根，四根所述埋线管均沿所述钢管的轴向设置；
7.所述压电智能骨料为多个，多个所述压电智能骨料在所述钢管内沿轴向分层设置，每层的所述压电智能骨料至少有两个，所述压电智能骨料通过连接绳与所述埋线管连接；
8.所述信号发生系统通过多根第一信号连接线分别与多个所述压电智能骨料信号连接，所述第一信号连接线收纳于所述埋线管的空腔内；
9.所述传感压电陶瓷贴附于所述钢管的外壁上，作为测点；
10.所述信号采集系统通过第二信号连接线与所述传感压电陶瓷信号连接。
11.较佳地，若所述钢管内设置有若干层隔板，每层所述隔板设有用于混凝土流通的腔室，则所述埋线管均匀固设于每层所述腔室的角落处；相邻两层隔板之间设有至少一层所述压电智能骨料。
12.较佳地，所述压电智能骨料通过所述连接绳固定悬浮于所述钢管内部，所述连接绳与所述第一信号连接线通过绑扎连接在一起，且外覆保护层。
13.较佳地，多个所述压电智能骨料以及与其连接的所述第一信号连接线分别设有一一对应的编号。
14.较佳地，每个所述压电智能骨料包括：驱动压电陶瓷以及依次包覆于所述驱动压电陶瓷外层的防水层和外包骨料，所述第一信号连接线的一端与所述驱动压电陶瓷连接，另一端依次穿过所述防水层和外包骨料与所述信号发生系统连接。
15.较佳地，所述驱动压电陶瓷采用锆钛酸铅系的无机压电材料；所述防水层选用环氧树脂材料；所述外包骨料采用大理石材料、环氧树脂或水泥。
16.较佳地，所述第一信号连接线和第二信号连接线均采用两芯屏蔽线与bnc接头。
17.本发明还提供了一种钢管混凝土柱质量检测方法，应用于如上所述的钢管混凝土柱质量检测装置中，包括如下步骤：
18.选定激励源：所述信号发生系统对选定的压电智能骨料施加电激励信号，驱动所述压电智能骨料振动并将振动波向外扩散传播；
19.选定测点：在选定的测点上贴附所述传感压电陶瓷，所述传感压电陶瓷接收到所述压电智能骨料产生的振动信号，并将其转换成电信号；
20.信号处理：所述电信号被所述信号采集系统接收，采用信号分析方法对所述电信号进行分析，至少得到时程、频谱与能量值分布情况，并通过信号值分布规律对钢管混凝土柱的质量缺陷情况进行评估。
21.较佳地，依次选定位于不同位置的压电智能骨料分别作为激励源，并在单一测点获得多个测量结果。
22.较佳地，选定位于同一位置的压电智能骨料作为激励源，分别在不同测点接收信号，获得多个测量结果。
23.与现有技术相比，本发明提供的钢管混凝土柱质量检测装置及方法具有如下优点：
24.1、本发明可以对钢管混凝土柱的盲区位置进行可靠的质量缺陷检测，且材料和设备易获得，具有经济适用性；尤其针对多腔大截面钢管混凝土柱内部质量缺陷检测难的问题，本发明可以对位于两隔板间的浇筑盲区内的混凝土质量进行可靠的检测，具有较高的应用价值；
25.2、本发明通过对预先布置的压电智能骨料和第一信号连接线进行编号，根据需求选定激励源，保证了信号激励源的可控；同时建立了一个以压电智能骨料为节点的健康监测网络，可根据需要对位于健康监测网络检测范围内的混凝土密实度情况进行检测，在提高了检测方法的鲁棒性的同时，又保证了检测结果的可靠性；
26.3、本发明可以选择在多个测点接收同一激励源位置的信号，并对信号分析结果进行对比汇总，排除因测点选择不当造成的误差；还可以选择在同一测点接收不同激励源的信号，通过对比分析信号处理结果排除因激励源选择不当造成的误差，通过以上检测方式的交叉使用，能够极大减小检测误差，进一步提高检测结果的精确性。
附图说明
27.图1为本发明一具体实施方式中钢管混凝土柱质量检测装置的立体结构示意图；
28.图2为本发明一具体实施方式中钢管混凝土柱质量检测装置的横剖面示意图；
29.图3为本发明一具体实施方式中钢管混凝土柱质量检测装置中压电智能骨料的结构示意图。
30.图中：01-钢管、02-混凝土、03-隔板、04-腔室；10-埋线管、11-连接绳、20-压电智能骨料、21-驱动压电陶瓷、22-第一信号连接线、23-防水层、24-外包骨料、30-信号发生系统、31-预留孔、40-传感压电陶瓷、41-第二信号连接线、50-信号采集系统。
具体实施方式
31.为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。
32.本发明提供的钢管混凝土柱质量检测装置，如图1和图2所示，所述钢管混凝土柱包括钢管01和所述钢管01内部的混凝土02，本实施例以图1所示的方形钢管为例进行说明。
33.所述检测装置包括：设置于所述钢管01内部的埋线管10和压电智能骨料20，和设置于所述钢管01外部的信号发生系统30、传感压电陶瓷40以及信号采集系统50，当然，所述埋线管10和压电智能骨料20需要在混凝土02浇筑前预埋。
34.本实施例中，所述埋线管10为四根，四根所述埋线管10均沿所述钢管01的轴向设置。
35.所述压电智能骨料20为多个，多个所述压电智能骨料20在所述钢管01内沿轴向分层设置，每层的所述压电智能骨料20至少有两个，所述压电智能骨料20通过连接绳11与所述埋线管10连接，所述压电智能骨料20在钢管01的轴向上分层，每层可以对应不同的截面，而每层设置至少两个压电智能骨料20，则可以至少获得同一截面上的至少两个激励源，能够适用于边长或直径超过2米的巨型截面钢管混凝土柱的缺陷检测。
36.所述信号发生系统30通过多根第一信号连接线22分别与多个所述压电智能骨料20信号连接，多根所述第一信号连接线22汇集收纳于所述埋线管10的空腔内，所述埋线管10可以对所述连接绳11以及压电智能骨料20起到连接和支撑固定的作用，对所述第一信号连接线22起到保护作用，本实施例中，埋线管10为具有一定刚度的内部中空管道，具体可以选用合金钢等材料。
37.所述传感压电陶瓷40可通过强力胶水等牢固贴附于所述钢管01的外壁上，作为检测时的测点。
38.所述信号采集系统50通过第二信号连接线41与所述传感压电陶瓷40信号连接。所述信号发生系统30对压电智能骨料20施加电激励信号，压电智能骨料20在激励作用下产生振动，该振动传递至混凝土02及钢管01，被贴附在钢管01外壁上的传感压电陶瓷40接收并传递至信号采集系统50，信号采集系统50对信号进行分析处理，基于处理结果对钢管混凝土柱的质量缺陷情况进行评估，所述质量缺陷可以包括钢管-混凝土脱空、空洞、蜂窝及裂缝等。
39.上述检测装置结构简单，成本低，且可以对钢管混凝土柱的盲区位置进行可靠的质量缺陷检测。
40.较佳地，所述钢管混凝土柱主要包括两种结构，一种是带有隔板03，如图1所示；另一种是不带隔板，此种情况未图示。针对第一种结构，即所述钢管01内设置有若干层隔板03，每层所述隔板03设有用于混凝土流通的腔室04，则所述埋线管10均匀固设于每层所述
腔室04的角落处，例如当腔室04是如图1所示的长方形结构时，则所述埋线管10分设于每层所述腔室04的四角处；若腔室为圆形，则埋线管10可以分设于相互垂直的两条直径的端点处。具体地，埋线管10可以通过绑扎、钢筋固定、焊接等方式与隔板03固结。当然，隔板03根据钢管混凝土柱的尺寸大小不同而产生的不同布置方式还包括多层单腔室、多层双腔室、多层三腔室、多层四腔室等多种形式，但是不管隔板03布置情况如何，当有隔板03时，埋线管10都可以固定于隔板03的角落处，通过隔板03来提供支撑力。另外，相邻两层隔板03之间设有至少一层所述压电智能骨料20，由于带有隔板03的钢管混凝土柱会在两层隔板03之间形成盲区，质量缺陷的检测难度更高，本实施例在两层隔板03之间设置压电智能骨料20，可以很好的解决多腔大截面钢管混凝土柱内部质量缺陷检测难的问题。针对第二种结构，即所述钢管01内设置没有设置隔板03，则直接将埋线管10固定于所述钢管01的内壁上即可，且每个埋线管10在垂向上的位置没有限制，换句话说，实际检测时，压电智能骨料20可以位于钢管混凝土柱的任一高度处。
41.较佳地，请重点参考图1和图2，所述压电智能骨料20通过所述连接绳11固定悬浮于所述钢管01内部，所述连接绳11与所述第一信号连接线22通过绑扎连接在一起，且外覆保护层(图中保护层与连接绳11重合)。所述连接绳11可以选用具有一定强度的材料，包括但不限于钢丝、尼龙绳、聚乙烯绳等，所述连接绳11一方面用于固定压电智能骨料20，另一方面可用于保护第一信号连接线22。在混凝土02浇筑之前，压电智能骨料20通过连接绳11固定悬浮于钢管01内，混凝土02浇筑完成后，压电智能骨料20与混凝土02融为一体，第一信号连接线22从所述钢管01的预留孔31中穿出并与所述信号发生系统30信号连接，所述预留孔31位于所述钢管01侧壁上与所述埋线管10的顶部或底部对应的位置处。
42.较佳地，多个所述压电智能骨料20以及与其连接的所述第一信号连接线22分别设有一一对应的编号，可以根据需要对不同位置的压电智能骨料20施加激励信号，从而使得激励源位置的选择更加灵活可控，使检测过程也更灵活，继而获得更可靠的检测结果。同时，还可以建立一个以压电智能骨料20为节点的健康监测网络，可根据需要对位于健康监测网络检测范围内的混凝土密实度情况进行检测，在提高了检测方法的鲁棒性的同时，又保证了检测结果的可靠性。
43.较佳地，请重点参考图3，每个所述压电智能骨料20包括：驱动压电陶瓷21以及依次包覆于所述驱动压电陶瓷21外层的防水层23和外包骨料24，所述第一信号连接线22的一端与所述驱动压电陶瓷21连接，另一端依次穿过所述防水层23和外包骨料24与所述信号发生系统30连接。较佳地，所述驱动压电陶瓷21采用锆钛酸铅系(pzt)的无机压电材料，所述传感压电陶瓷40也可以选用与所述驱动压电陶瓷21相同的材料，兼具良好压电性能与经济性的优点；所述第一信号连接线22和第二信号连接线41均采用两芯屏蔽线与bnc接头；所述防水层23选用环氧树脂材料；所述外包骨料24采用大理石材料、环氧树脂或水泥，既能够起到保护驱动压电陶瓷21又能与浇筑后的混凝土02融为一体，且对振动波信号的正常传输影响较小。
44.较佳地，所述信号发生系统30可以选用普通的信号发生器，也可以选择信号发生器与信号放大器的组合系统，其要求是能够产生一定大小的激励信号，并具有较宽的频带范围，具备产生正弦周期信号与扫频信号的功能即可。所述信号采集系统50可以选用数字示波器，也可以选用数据采集卡结合数据采集软件的形式。
45.本发明还提供了一种钢管混凝土柱质量检测方法，应用于如上所述的钢管混凝土柱质量检测装置中，包括如下步骤：
46.选定激励源：所述信号发生系统30对选定的压电智能骨料20施加电激励信号，驱动所述压电智能骨料20振动并将振动波向外扩散传播；
47.选定测点：在选定的测点上贴附所述传感压电陶瓷40，所述传感压电陶瓷40接收到所述压电智能骨料20产生的振动信号，并将其转换成电信号；
48.信号处理：所述电信号被所述信号采集系统50接收，采用包括但不限于小波包分析等成熟的信号分析方法对所述电信号进行分析，至少得到时程、频谱与能量值分布情况，并通过信号值分布规律对钢管混凝土柱的质量缺陷情况进行评估。
49.上述方法操作简单，可以对位于浇筑盲区内的混凝土质量进行可靠的检测，具有较高的应用价值。
50.较佳地，依次选定位于不同位置的压电智能骨料20分别作为激励源，并在单一测点获得多个测量结果，从而排除因信号激励源选择不当造成的误差；还可以选定位于同一位置的压电智能骨料作为激励源，分别在不同测点接收信号，获得多个测量结果，从而排除因测点选择不当造成的误差。通过以上检测方式的交叉、多次使用，能够极大减小检测误差，保证检测结果的精确性。同时，由于常见的信号发生系统30及信号采集系统50都具有多通道输入输出的特点，也可以减轻多测点检测的工作量，方便检测的实施。
51.综上所述，本发明提供的钢管混凝土柱质量检测装置及方法，所述钢管混凝土柱包括钢管01和所述钢管01内部的混凝土02，所述检测装置包括：设置于所述钢管01内部的埋线管10和压电智能骨料20，和设置于所述钢管01外部的信号发生系统30、传感压电陶瓷40以及信号采集系统50，所述埋线管10为四根，四根所述埋线管10均沿所述钢管01的轴向设置；所述压电智能骨料20为多个，多个所述压电智能骨料20在所述钢管01内沿轴向分层设置，每层的所述压电智能骨料20至少有两个，所述压电智能骨料20通过连接绳11与所述埋线管10连接；所述信号发生系统30通过多根第一信号连接线22分别与多个所述压电智能骨料20信号连接，所述第一信号连接线22收纳于所述埋线管10的空腔内；所述传感压电陶瓷40贴附于所述钢管01的外壁上，作为测点；所述信号采集系统50通过第二信号连接线41与所述传感压电陶瓷40信号连接。本发明可以对钢管混凝土柱的盲区位置进行可靠的质量缺陷检测，且材料和设备易获得，具有经济适用性；尤其针对多腔大截面钢管混凝土柱内部质量缺陷检测难的问题，本发明可以对位于两隔板03间的浇筑盲区内的混凝土质量进行可靠的检测，具有较高的应用价值。
52.显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。