CN110907629B - 标定钢管混凝土柱约束力与超声波的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种标定钢管混凝土柱约束力与超声波的试验方法。根据钢管混凝土柱的受力特性,采用半圆形(或半方形)钢管混凝土柱进行模拟,利用拉力传感器对钢管进行可控张拉,同时在钢管混凝土内部布设一个声波发射传感器,外侧布设一个声波接收装置,在张拉过程中不断接受内部所发射的超声波。根据已知的拉力大小和张拉过程中测得的声‑应力敏感性参数,建立对应的函数关系,从而达到标定声‑应力敏感性参数变化的目的。本发明测试装置简单,操作快捷,分析可靠,在完成标定后,即可利用超声波方法量测钢管混凝土加载全过程中钢管对核心混凝土的套箍约束力。
Description
技术领域
本发明涉及超声波无损检测的技术领域,特别涉及一种标定钢管混凝土柱约束力与超声波的试验方法。
背景技术
钢管混凝土柱由于具有承载力高、抗震性能好、抗火性能优于钢结构和施工方便等优点,正被越来越广泛地应用于实际工程中。钢管混凝土柱的承载能力能够产生“1+1>2”的效果,一个重要原因是钢管对核心混凝土有效的套箍约束作用,使核心混凝土处于三向受压状态,从而增加内部混凝土强度、密实性和延性等性能。因此,套箍约束力大小的确定对深入研究钢管混凝土柱的力学性能十分重要。
目前尚无试验装置能够准确量测这种套箍约束作用的大小和沿截面的分布情况。由于钢管的套箍约束力存在于钢管与混凝土的界面上,普通应力应变的量测装置无法安装,采用超声波的方式可以避免在界面接触位置布置量测元件,因此采用超声波检测,根据接收到的超声波声-应力敏感性参数变化来反应混凝土所受约束作用的大小是一种可行方法。但目前缺少一个能够标定钢管混凝土柱约束力大小与超声波声-应力敏感性参数变化之间对应关系的试验方法。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷,本发明的目的是提供一种标定钢管混凝土柱约束力与超声波的试验方法。
为实现上述目的,本发明提供的标定钢管混凝土柱约束力与超声波的试验方法,其特征在于:该方法采用半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱进行模拟,利用拉力传感器对半圆形钢管或半方形钢管进行可控张拉,同时在所述半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱结构内部布设一声波发射传感器,在所述半圆形钢管或半方形钢管外表面布设一声波接收装置,在张拉过程中不断接受内部所发射的超声波;根据已知的拉力大小和张拉过程中测得的声-应力敏感性参数,建立对应的函数关系,对声-应力敏感性参数变化进行标定;包含如下步骤:
(1)在核心混凝土浇筑前将超声波发射传感器埋置于混凝土柱中所需量测截面的中心位置,再浇筑成型半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱;在成型的半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱的直径剖面位置放置一块长方形厚钢板,所述长方形厚钢板面积大于半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱直径所在剖面面积,在半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱两端对应钢板位置开槽口,使半圆形钢管或半方形钢管两端穿过长方形厚钢板;
(2)利用拉力传感器对半圆形钢管或半方形钢管伸出长方形厚钢板的两端部同时进行可控张拉,同时施加给柱一个轴向压力,大小为0.6Nu,Nu为其承载力;对半圆形钢管或半方形钢管的张拉采用分级加载制张拉,每级增加10kN,直至半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱破坏为止;每级持荷时间为2~3min,待拉力传感器表盘指针稳定后进行超声测试;
(3)超声测试,将超声波接收装置通过超声耦合剂与半圆形钢管或半方形钢管外表面良好接触;测试时超声波发射传感器向待测半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱发射超声波,超声波接收装置接收透射穿过半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱的超声波,同时记录该透射的超声波对应的波束曲线;
(4)计算机分析处理超声波接收装置接收到的超声波测试信号,以半方形钢管混凝土柱进行模拟时,当长方形厚钢板两段同时施加可控力F时,上表面处混凝土所收到的约束力被认为是均匀的,其大小σ按照下式计算:
式中:A为上表面钢管与混凝土接触面面积;因此,通过可控的张拉应力得到了可控的约束力;对于所接受到的超声波信号采用小波方式进行处理,利用公式(2)计算加权频域谱面积参数:
式中:Sj为第2j尺度下的小波分量的频域谱面积的变化幅度值;利用拟合回归分析不同约束力及其作用下的谱面积参数,发现二者近似存在如下的二次函数关系:
式中的参数A、B和C与所采用混凝土材料性能有关,不同骨料大小和不同强度配比的混凝土,其参数值均不相同;进而根据分析处理后的超声波声-应力敏感参数与应力的相关性,构建不同张拉力下所对应的声-应力敏感性参数与径向约束力之间的函数关系。
作为优选方案,所述步骤(1)中采用半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱进行模拟,在半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱的直径剖面位置放置一块长方形厚钢板,所述长方形厚钢板面积大于半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱直径所在剖面面积,在半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱两端对应长方形厚钢板位置开槽口,使半圆形钢管或半方形钢管两端穿过长方形厚钢板;所述长方形厚钢板的作用是在拉力传感器对半圆形钢管或半方形钢管进行可控张拉时提供反作用力,起到固定整个装置的目的。
本发明的工作原理如下:
本发明采用超声波检测,根据接收到的超声波声-应力敏感性参数变化来反应核心混凝土所受约束作用的大小是一种可行方法。但目前缺少一个标定钢管混凝土柱约束力大小与超声波声-应力敏感性参数变化之间对应关系的试验方法。基于此,本发明根据钢管混凝土柱的受力特性,采用半圆形(或半方形)钢管混凝土柱进行模拟,利用拉力传感器对钢管进行可控张拉,同时在钢管混凝土内部布设一个声波发射装置,外侧布设一个声波接收装置,在张拉过程中不断接受内部所发射的超声波。拉力传感器对半圆形(或半方形)钢管进行可控张拉,通过该已知张拉力可根据力学知识推算出钢管对核心混凝土的径向约束力,同时通过超声测试获得张拉过程的声波信号,进而构建不同约束力下所对应的声-应力敏感性参数之间的函数关系,从而达到标定声-应力敏感性参数变化的目的。
本发明的优点及有益效果如下:
与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明测试装置简单,操作快捷,分析可靠,在完成标定后,即可利用超声波方法量测钢管混凝土加载全过程中钢管对核心混凝土的套箍约束力。
附图说明
图1为本发明中标定圆钢管混凝土柱约束力与超声波的结构横截面示意图;
图2为本发明中标定方钢管混凝土柱约束力与超声波的结构横截面示意图。
图中:1、待测钢管混凝土柱,2、半圆形(或半方形)钢管,3、超声波发射传感器,4、超声波接收装置,5、钢板,6、对钢管进行可控张的拉力传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明的技术方案及附图说明本发明的具体实施方式。
本发明提供的一种标定钢管混凝土柱约束力与超声波的试验方法。该标定方法包括待测半圆形(或半方形)钢管混凝土柱1、长方形厚钢板5、拉力传感器6、超声波发射传感器3、超声波接收装置4和计算机。其中,该待测钢管混凝土柱1优选为自密实混凝土浇筑成型,该超声波发射传感器3在核心混凝土浇筑前埋置于柱中截面的中心位置,该超声波接收装置4紧贴于待测钢管混凝土柱1中截面钢管外表面,优选地,该超声波发射传感器3与该超声波接收装置4为同步工作状态;进一步,该超声波接收装置4还连接有一计算机,该计算机用于对该超声波接收装置4接收到的超声波测试信号进行分析处理;该长方形厚钢板5面积略大于钢管混凝土柱直径所在剖面面积,在半圆形(或半方形)钢管2两端对应厚钢板位置开槽口,使钢管两端穿过厚钢板5,固定该钢板,在拉力传感器6对钢管进行可控张拉时厚钢板提供反作用力,起到固定整个装置的目的;该拉力传感器对半圆形(或半方形)钢管2进行可控张拉,通过该已知张拉力可根据力学知识推算出钢管对核心混凝土的径向约束力,同时通过超声测试获得张拉过程的声波信号,进而构建不同张拉力下所对应的声-应力敏感性参数与径向约束力之间的关系,从而达到标定的目的。
具体而言,包括如下步骤:
(1)在核心混凝土浇筑前将超声波发射传感器3埋置于柱中所需量测截面的中心位置,再浇筑成型半圆形(或半方形)钢管混凝土柱1;在成型的半圆形(或半方形)钢管混凝土柱的直径剖面位置放置一块长方形厚钢板5,长方形厚钢板面积略大于钢管混凝土柱直径所在剖面面积,在半圆形(或半方形)钢管两端2对应钢板位置开槽口,使钢管两端穿过钢板5;
(2)利用拉力传感器6对钢管伸出厚钢板的两端部同时进行可控张拉,同时施加给柱一个轴向压力,大小为0.6Nu(Nu为其承载力)。对半圆形钢管或半方形钢管2的张拉采用分级加载制张拉,每级增加10kN;每级持荷时间约2~3min,待拉力传感器表盘指针稳定后进行超声测试。
(3)超声测试,将超声波接收装置4通过超声耦合剂与钢管2外表面良好接触。测试时超声波发射传感器3向待测钢管混凝土柱1发射超声波,超声波接收装置4接收透射穿过钢管混凝土柱的超声波,同时记录该透射的超声波对应的波束曲线。
(4)以方钢管为例,当厚钢板5两段同时施加可控力F时,上表面处混凝土所收到的约束力可以被认为是均匀的,其大小σ可以按照下式计算:
式中:A为上表面钢管与混凝土接触面面积。因此,通过可控的张拉应力得到了可控的约束力。对于所接受到的超声波信号采用小波方式进行处理,利用公式(2)计算加权频域谱面积参数
式中:Sj为第2j尺度下的小波分量的频域谱面积的变化幅度值。利用拟合回归分析不同约束力及其作用下的谱面积参数,发现二者近似存在如下的二次函数关系:
式中的参数A、B和C与所采用混凝土材料性能有关,不同骨料大小、不同强度配比等的混凝土,其参数值均不相同。对C30~C60不同配比的钢管混凝土进行试验,结果表明均近似符合二次函数关系,回归平方和与总离差平方和的比值R2在0.887~0.943范围内,表明模型拟合优度比较高。由此,可得到不同张拉力下所对应的声-应力敏感性参数与约束力之间的函数关系。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (2)
1.一种标定钢管混凝土柱约束力与超声波的试验方法,其特征在于:该方法采用半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱进行模拟,利用拉力传感器对半圆形钢管或半方形钢管进行可控张拉,同时在所述半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱结构内部布设一声波发射传感器,在所述半圆形钢管或半方形钢管外表面布设一声波接收装置,在张拉过程中不断接受内部所发射的超声波;根据已知的拉力大小和张拉过程中测得的声-应力敏感性参数,建立对应的函数关系,对声-应力敏感性参数变化进行标定;包含如下步骤:
(1)在核心混凝土浇筑前将超声波发射传感器埋置于混凝土柱中所需量测截面的中心位置,再浇筑成型半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱;在成型的半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱的直径剖面位置放置一块长方形厚钢板,所述长方形厚钢板面积大于半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱直径所在剖面面积,在半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱两端对应钢板位置开槽口,使半圆形钢管或半方形钢管两端穿过长方形厚钢板;
(2)利用拉力传感器对半圆形钢管或半方形钢管伸出长方形厚钢板的两端部同时进行可控张拉,同时施加给柱一个轴向压力,大小为0.6Nu,Nu为其承载力;对半圆形钢管或半方形钢管的张拉采用分级加载制张拉,每级增加10kN,直至半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱破坏为止;每级持荷时间为2~3min,待拉力传感器表盘指针稳定后进行超声测试;
(3)超声测试,将超声波接收装置通过超声耦合剂与半圆形钢管或半方形钢管外表面良好接触;测试时超声波发射传感器向待测半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱发射超声波,超声波接收装置接收透射穿过半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱的超声波,同时记录该透射的超声波对应的波束曲线;
(4)计算机分析处理超声波接收装置接收到的超声波测试信号,以半方形钢管混凝土柱进行模拟时,当长方形厚钢板两段同时施加可控力F时,上表面处混凝土所收到的径向约束力被认为是均匀的,其大小σ按照下式计算:
式中:A为上表面钢管与混凝土接触面面积;因此,通过可控的张拉应力得到了可控的径向约束力;对于所接受到的超声波信号采用小波方式进行处理,利用公式(2)计算加权频域谱面积参数:
式中:Sj为第2j尺度下的小波分量的频域谱面积的变化幅度值;利用拟合回归分析不同径向约束力及其作用下的谱面积参数,发现二者近似存在如下的二次函数关系:
式中的参数A、B和C与所采用混凝土材料性能有关,不同骨料大小和不同强度配比的混凝土,其参数值均不相同;进而根据分析处理后的超声波声-应力敏感参数与张拉应力的相关性,构建不同张拉力下所对应的声-应力敏感性参数与径向约束力之间的函数关系。
2.根据权利要求1所述的标定钢管混凝土柱约束力与超声波的试验方法,其特征在于:所述步骤(1)中采用半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱进行模拟,在半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱的直径剖面位置放置一块长方形厚钢板,所述长方形厚钢板面积大于半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱直径所在剖面面积,在半圆形钢管混凝土柱或半方形钢管混凝土柱两端对应长方形厚钢板位置开槽口,使半圆形钢管或半方形钢管两端穿过长方形厚钢板;所述长方形厚钢板的作用是在拉力传感器对半圆形钢管或半方形钢管进行可控张拉时提供反作用力,起到固定整个装置的目的。
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钢筋混凝土水泥筒仓损伤检测与有限元分析;卢亦焱 等;《特征结构》;20181231;第35卷(第6期);第60-65页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN110907629A (zh) | 2020-03-24 |
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