CN110988117A - 标定frp加固混凝土柱主动约束力与超声波的试验方法 - Google Patents

标定frp加固混凝土柱主动约束力与超声波的试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种标定FRP加固混凝土柱主动约束力与超声波的试验方法。根据FRP加固混凝土柱的受力特性，利用自锁式预应力张拉装置对FRP进行可控张拉，同时在约束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收内部透射过核心混凝土的的超声波测试信号。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FRP加固混凝土加载全过程中FRP对核心混凝土的提供的主动约束力。

Description

标定FRP加固混凝土柱主动约束力与超声波的试验方法
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FRP加固混凝土柱主动约束力与超声波的试验方法。
背景技术
纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土柱是一种在普通混凝土柱外侧包裹FRP所形成的新型组合柱，由于内部混凝土在外部FRP的约束作用下处于三向受力状态，从而使FRP加固混凝土柱具有很高的承载能力和较好轴向延性，同时外部的FRP可保护内部的混凝土使FRP加固混凝土柱具有较好的耐久性，因此FRP加固混凝土柱开始逐渐应用于工程修复加固中。
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FRP提供的主动约束力存在于FRP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FRP加固混凝土柱主动约束力与超声波声-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FRP加固混凝土柱主动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FRP加固混凝土柱主动约束力与超声波的试验方法，其特征在于：该方法利用自锁式预应力张拉装置对FRP进行可控张拉，同时在混凝土柱结构内部布设一声波发射传感器，在所述混凝土柱结构FRP外表面布设一声波接收装置，在张拉过程中不断接收内部透射过混凝土柱中核心混凝土的超声波测试信号；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)预埋超声波发射传感器，在核心混凝土浇筑前超声波将发射传感器埋置于混凝土柱中所需量测截面的中心位置；
(2)通过自锁式预应力装置张拉FRP，同时施加给柱一个轴向压力，大小为0.6Nu，Nu为其承载力；对FRP的张拉采用分级加载制张拉，施加给FRP一已知的预应力，每级增加5％的极限拉应变，直至FRP加固混凝土柱破坏为止；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，将超声波接收装置通过超声耦合剂与FRP加固混凝土柱外表面良好接触；测试时超声波发射传感器向待测FRP加固混凝土柱发射超声波，超声波接收装置接收透射穿过FRP加固混凝土柱中核心混凝土的超声波，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传感器接收到的超声波测试信号，根据FRP约束混凝土柱力学特性可知，FRP对核心混凝土的约束作用可被认定为均匀的，其大小σ可以按照下式计算：
Figure BDA0002240824500000021
式中：Efrp，εfrp为FRP的弹性模量和所发生的应变；t为FRP的厚度，d为混凝土柱的直径；因此，通过可控的FRP张拉得到了可控的约束力；而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：
Figure BDA0002240824500000031
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函数关系：
Figure BDA0002240824500000032
式中的参数A、B、C和D与所采用混凝土材料和纤维树脂胶体性能有关，不同骨料大小和不同强度配比的混凝土和不同配比的纤维树脂胶体，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，构建不同主动约束力与所对应的声-应力敏感性参数之间的函数关系。
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FRP加固混凝土柱主动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FRP加固混凝土柱的受力特性，利用自锁式预应力张拉装置对FRP进行可控张拉，同时在核心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收透射穿过内部核心混凝土的超声波。自锁式预应力张拉装置对FRP进行可控张拉，提供给FRP一已知预应力，通过该已知预应力可根据力学知识推算出FRP对核心混凝土的主动约束力，同时通过超声测试获得张拉过程的声波信号，进而构建不同主动约束力与所对应的声-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FRP加固混凝土柱加载全过程中FRP对核心混凝土的主动约束力。
附图说明
图1为本发明标定FRP加固混凝土柱主动约束力与超声波的试验方法对应的FRP预应力张拉控制示意图；
图2为本发明标定FRP加固混凝土柱主动约束力与超声波的结构横截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种标定FRP加固混凝土柱主动约束力与超声波的试验装置的的结构示意图。
图中：1、FRP加固混凝土柱，2、自锁式预应力张拉装置锚头，3、自锁式预应力张拉装置螺母，4、自锁式预应力张拉装置螺杆，5、超声波发射传感器，6、超声波接收装置，7、计算机。
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主动约束力与超声波的试验方法。该标定方法包括待测FRP加固混凝土柱1、自锁式预应力装置(包括自锁式预应力张拉装置锚头2、自锁式预应力张拉装置螺母3、自锁式预应力张拉装置螺杆4)、超声波发射传感器5、信号放大装置、超声波接收装置6和计算机7。其中，该待测FRP加固混凝土柱1优选为自密实混凝土浇筑成型，该超声波发射传感器5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6紧贴于待测FRP加固混凝土柱1柱中截面FRP外表面，优选地，该超声波发射传感器5与该超声波接收装置6为同步工作状态；进一步，该超声波接收装置6还连接有一计算机，该计算机用于对该超声波接收装置6接收到的超声波测试信号进行分析处理；该自锁式预应力装置6对FRP进行可控张拉，施加给FRP一已知的预应力，通过该已知预应力可根据力学知识推算出FRP对核心混凝土的主动约束力，同时通过超声测试获得张拉过程的声波信号，进而构建不同预应力下所对应的声-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)预埋超声波发射传感器5，在核心混凝土浇筑前超声波将发射传感器5埋置于柱中所需量测截面的中心位置；
(2)通过自锁式预应力装置(包括自锁式预应力张拉装置锚头2、自锁式预应力张拉装置螺母3、自锁式预应力张拉装置螺杆4)张拉FRP，同时施加给柱一个轴向压力，大小为0.6Nu(Nu为其承载力)。对FRP的张拉采用分级加载制张拉，施加给FRP一已知的预应力，每级增加5％的极限拉应变，直至FRP加固混凝土柱1破坏为止；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6通过超声耦合剂与FRP外表面良好接触。测试时超声波发射器5向待测FRP加固混凝土柱1发射超声波，超声波接收装置6接收透射穿过内部核心混凝土的超声波，同时记录该透射的超声波对应的波束曲线。
(4)根据FRP约束混凝土圆柱力学特性可知，FRP对核心混凝土的约束作用可被认定为均匀的，其大小σ可以按照下式计算：
Figure BDA0002240824500000061
式中：Efrp，εfrp为FRP的弹性模量和所发生的应变。t为FRP的厚度，d为混凝土柱的直径。因此，通过可控的FRP张拉得到了可控的约束力。而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
Figure BDA0002240824500000062
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函数关系：
Figure BDA0002240824500000063
式中的参数A、B、C和D与所采用混凝土材料和纤维树脂胶体性能有关，不同骨料大小、不同强度配比等的混凝土和不同配比的纤维树脂胶体，其参数值均不相同。对多个FRP约束混凝土柱进行试验，结果表明均近似符合上述函数关系，回归平方和与总离差平方和的比值R2在0.815～0.912范围内，表明模型拟合优度比较高。由此，可得到不同FRP张拉应力下所对应的声-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 (1)

1.一种标定FRP加固混凝土柱主动约束力与超声波的试验方法，其特征在于：该方法利用自锁式预应力张拉装置对FRP进行可控张拉，同时在混凝土柱结构内部布设一声波发射传感器，在所述混凝土柱结构FRP外表面布设一声波接收装置，在张拉过程中不断接收内部透射过混凝土柱中核心混凝土的超声波测试信号；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)预埋超声波发射传感器，在核心混凝土浇筑前超声波将发射传感器埋置于混凝土柱中所需量测截面的中心位置；
(2)通过自锁式预应力装置张拉FRP，同时施加给柱一个轴向压力，大小为0.6Nu，Nu为其承载力；对FRP的张拉采用分级加载制张拉，施加给FRP一已知的预应力，每级增加5％的极限拉应变，直至FRP加固混凝土柱破坏为止；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，将超声波接收装置通过超声耦合剂与FRP加固混凝土柱外表面良好接触；测试时超声波发射传感器向待测FRP加固混凝土柱发射超声波，超声波接收装置接收透射穿过FRP加固混凝土柱中核心混凝土的超声波，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传感器接收到的超声波测试信号，根据FRP约束混凝土柱力学特性可知，FRP对核心混凝土的约束作用可被认定为均匀的，其大小σ可以按照下式计算：
Figure FDA0002240824490000011
式中：Efrp，εfrp为FRP的弹性模量和所发生的应变；t为FRP的厚度，d为混凝土柱的直径；因此，通过可控的FRP张拉得到了可控的约束力；而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：
Figure FDA0002240824490000021
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函数关系：
Figure FDA0002240824490000022
式中的参数A、B、C和D与所采用混凝土材料和纤维树脂胶体性能有关，不同骨料大小和不同强度配比的混凝土和不同配比的纤维树脂胶体，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，构建不同主动约束力与所对应的声-应力敏感性参数之间的函数关系。
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