本實用新型涉及一種基于應(yīng)力場反演的空洞檢測裝置，尤其可以用來檢測鋼管大尺度可再生混凝土內(nèi)部空洞狀況的裝置。

背景技術(shù)：

隨著大量舊有建筑的不斷拆除，越來越多的建筑垃圾急需處理，而建筑垃圾總量的一半為廢棄混凝土，而鋼管大尺度再生混凝土則是廢棄混凝土再利用的重要途徑。

在工程應(yīng)用中，鋼管大尺度可再生混凝土在澆筑過程中可能存在空洞，空洞會影響其結(jié)構(gòu)的受力性能。目前針對大尺度混凝土構(gòu)件的空洞檢測方法主要為超聲檢測法。其中超聲對測法通常用于鋼管混凝土管壁脫空的檢測，由于受到管壁折射與反射的影響無法進(jìn)行內(nèi)部空洞的檢測。若采用超聲波聲測管檢測法，通常需在鋼管混凝土內(nèi)部布置聲測管，影響結(jié)構(gòu)性能，且檢測費時費力。

本實用新型是針對鋼管大尺度可再生混凝土檢測的需求，采用壓電智能骨料作為檢測手段。在此之前，專利ZL201210443143.0描述了一種用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣采用了壓電智能骨料，其壓電智能骨料發(fā)射的信號為100Hz-10kHz的掃頻波與正弦波兩種，比較的是結(jié)構(gòu)健康與非健康狀態(tài)的信號，是同一對的傳感器不同時刻信號的比較，表征結(jié)構(gòu)損傷演化過程。本實用新型則通過壓電智能骨料低頻激勵在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生局部振動（有效激勵區(qū)域約1m），通過將有限元分析與監(jiān)測應(yīng)力場對比來反演混凝土中空洞的大小和位置。澆筑混凝土前，在模板內(nèi)布置壓電智能骨料傳感器陣列，以形成網(wǎng)絡(luò)式的空間檢測區(qū)域。澆筑完成后，對壓電智能骨料逐一低頻（低于2kHz）驅(qū)動，則在混凝土中將生成類似動力的應(yīng)力場，而混凝土中的空洞將影響該應(yīng)力場的均勻性，通過有限元軟件模擬出壓電智能骨料在無空洞混凝土中激勵時的應(yīng)力場分布，再將兩個應(yīng)力場對比并修正模型，以此反演出混凝土中空洞大小和位置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種省時省力，并且能夠較精確測出大尺度鋼管混凝土構(gòu)件內(nèi)部空洞大小和位置的裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案如下：

一種鋼管大尺度可再生混凝土空洞檢測裝置，包括：

設(shè)置在鋼管大尺度可再生混凝土構(gòu)件內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)式空間檢測區(qū)域的傳感器陣列、任意波形函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，所述傳感器陣列包括驅(qū)動傳感器、接收傳感器，所述的任意波形函數(shù)發(fā)生器發(fā)射設(shè)定的波形函數(shù)，經(jīng)功率放大器將發(fā)射信號放大后，傳至驅(qū)動傳感器，信號經(jīng)鋼管大尺度可再生混凝土介質(zhì)后由接收傳感器接收，接收后的信號響應(yīng)由數(shù)據(jù)采集儀采集，最后傳送至數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析信號特征。

進(jìn)一步地，所述的驅(qū)動傳感器、接收傳感器均采用壓電智能骨料。

進(jìn)一步地，所述傳感器陣列的間距為200-400mm。

進(jìn)一步地，所述的傳感器陣列的各個傳感器通過橡膠墊粘接在鋼管大尺度可再生混凝土構(gòu)件內(nèi)的鋼筋上，橡膠墊的作用在于減小鋼筋對各個傳感器振動的影響。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型檢測混凝土空洞省時省力，并且能夠較精確測出大尺度混凝土構(gòu)件內(nèi)部空洞大小和位置，有助于鋼管大尺度可再生混凝土結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用與推廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為傳感器布置陣列及應(yīng)力場反演示意圖，其中，

圖2（a）為有限元軟件模擬的無空洞力場分布示意圖；

圖2（b）為實測的應(yīng)力場分布示意圖；

圖2（c）為有限元軟件模擬的有空洞應(yīng)力場分布示意圖；

圖2（d）為確定空洞大小和位置示意圖。

圖3接收傳感器接收的信號波形圖。

圖4是本發(fā)明實施例的流程圖。

圖中：1—鋼管大尺度可再生混凝土柱；2—驅(qū)動傳感器；3—空洞；4—接收傳感器；5—任意波形函數(shù)發(fā)生器；6—功率放大器；7—數(shù)據(jù)采集儀；8—數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；9—鋼筋； 11—應(yīng)力場等勢線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型的實用新型目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實施例不能在此一一贅述，但本實用新型的實施方式并不因此限定于以下實施例。

實施例

如圖1所示，一種鋼管大尺度可再生混凝土空洞檢測裝置，包括：

設(shè)置在鋼管大尺度可再生混凝土構(gòu)件內(nèi)部(位于二維平面)形成網(wǎng)絡(luò)式空間檢測區(qū)域的傳感器陣列、任意波形函數(shù)發(fā)生器5、功率放大器6、數(shù)據(jù)采集儀7、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)8，所述傳感器陣列的間距為200-400mm，包括驅(qū)動傳感器2、接收傳感器4，所述的驅(qū)動傳感器2、接收傳感器4均采用壓電智能骨料，所述的任意波形函數(shù)發(fā)生器5發(fā)射設(shè)定的波形函數(shù)，經(jīng)功率放大器6將發(fā)射信號放大后，傳至驅(qū)動傳感器2，信號經(jīng)鋼管大尺度可再生混凝土介質(zhì)后由接收傳感器4接收，接收后的信號響應(yīng)由數(shù)據(jù)采集儀7采集，最后傳送至數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)8分析信號特征。

在澆筑前，結(jié)合鋼管大尺度可再生混凝土構(gòu)件尺寸及易出現(xiàn)空洞位置，所述的傳感器陣列的各個傳感器通過橡膠墊粘接在鋼管大尺度可再生混凝土構(gòu)件內(nèi)的鋼筋9上。

如圖4所示，采用所述裝置的鋼管大尺度可再生混凝土空洞檢測方法，包括步驟：

1）在澆筑前，結(jié)合鋼管大尺度可再生混凝土構(gòu)件尺寸及易出現(xiàn)空洞位置，在其內(nèi)部預(yù)先布置傳感器陣列，形成網(wǎng)絡(luò)式空間檢測區(qū)域；

2)選擇傳感器陣列中任意傳感器作為驅(qū)動傳感器2，任意波形函數(shù)發(fā)生器5按預(yù)設(shè)的激勵參數(shù)(包括激勵頻率、幅值等)產(chǎn)生的波形信號經(jīng)功率放大器6放大后對該驅(qū)動傳感器2進(jìn)行單一頻率驅(qū)動，在混凝土中將生成穩(wěn)定類似靜力的應(yīng)力場，各接收傳感器4在不同位置接收振動信號后，將振動信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀7采集并傳送至數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)8，接收到的振動信號波形如圖3所示；

3)根據(jù)接收傳感器4檢測的信號的幅值大小，繪制出實測時的應(yīng)力場分布；

4)將實測的應(yīng)力場與模擬的應(yīng)力場(見圖2a)對比，找到實測應(yīng)力場等勢線明顯密集的區(qū)域(見圖2b)，找到空洞大致位置；

5)通過修正有限元模型，在模型中設(shè)置空洞，并調(diào)整空洞大小和位置，當(dāng)模型調(diào)整后的應(yīng)力場分布與實測的應(yīng)力場分布大致相同時(見圖2c)，即反演出空洞的具體大小和位置(見圖2d)；

6)更換激勵源，依次選擇傳感器陣列中的其它傳感器作為驅(qū)動傳感器2，其余傳感器作為接收傳感器4，重復(fù)步驟2)~步驟5)，提高檢測方法的可靠性。

具體而言，所述的單一頻率驅(qū)動的激勵頻率低于2kHz，幅值為3mV-5mV。

本檢測方法的原理如下：

通過有限元軟件模擬壓電智能骨料在鋼管大尺度可再生混凝土無空洞狀態(tài)下激勵時的應(yīng)力場分布；再由傳感器陣列檢測的信號幅值，繪制出實測時的應(yīng)力場分布；當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)中有空洞時，由于信號穿過空洞時幅值衰減加快，在空洞附近的應(yīng)力場等勢線11會變密集。利用所述原理，將實測的應(yīng)力場分布與有限元軟件模擬混凝土無空洞狀態(tài)下應(yīng)力場分布對比分析，找到某一位置，此處實測應(yīng)力場等勢線11明顯比模擬應(yīng)力場等勢線11密集，則可推斷此位置有空洞；再通過修正有限元模型，在模型中設(shè)置空洞，并調(diào)整空洞大小和位置，當(dāng)模型調(diào)整后的應(yīng)力場分布與實測的應(yīng)力場分布大致相同時，可反演出空洞的具體大小和位置。

本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實用新型的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。