专利名称：一种混凝土工作应力的无损测试方法
技术领域：
本发明属于混凝土工作应カ检测技术领域，尤其涉及ー种混凝土工作应カ的无损测试方法。
背景技术：
作为最主要建筑材料的混凝土以其材料来源广泛、成本低廉、施工方便和耐久性好等特点，在土木工程中得到广泛的应用。国内外诸多由于混凝土性能的弱化引起的事故表明混凝土结构的健康诊断对于混凝土结构的正常运行起着非常重要的作用，而对其エ作应カ的准确测试又是混凝土结构健康诊断的重要环节。目前，对于混凝土工作应カ的测试主要采用埋设传感器法，通过利用应变计測量混凝土的应变来间接反应混凝土的应力水平。由于混凝土温度变化、收缩徐变以及其它因素的影响，应变计所测量的应变与混凝土实际应变之间存在差异，而且混凝土弹性模量的实测值与规范取值之间也存在差別，从而导致混凝土的测试应力值与实际应カ值不符，如果偏差过大，将给混凝土结构的健康诊断带 来诸多困难。同吋，由于价格较高，传感器不可能大面积埋设，存在以点代面的缺陷，一旦在监测过程中失效，则难以挽救。因此，研究低成本、无损伤、快速并可进行全面监测的应カ测试手段已成为目前混凝土结构健康诊断中亟待解决的关键技术问题。超声波在有应カ的固体材料中的传播速度不仅取决于材料的ニ阶弹性常数和密度，还与高阶弹性常数和应カ有关，声弾性方法正是利用这种声速与应カ之间的相关性进行应カ测量的。声弾性方法具有对人体无害、对被测物无损伤、量测速度快等特点，而且不需要像光弾性那样的透明模型，可直接应用于原型构件，因此，成为解决非透明构件原型三维应カ分析难题的重要途径。混凝土是ー种很复杂的复合材料，在低应カ状态下混凝土呈现一定的线弹性，而在应カ较大时，则呈现出明显的非线性。声弹性理论表明，超声波波速与应カ状态有关的现象，不论在弹性范围还是在非线性应力-应变范围均存在，因此，利用声弾性法测试混凝土的工作应カ是可行的。
发明内容
本发明提供了ー种混凝土工作应カ的无损测试方法一，g在解决目前混凝土エ作应カ测试，主要采用的埋设传感器法存在的问题，埋设传感器法通过利用应变计測量混凝土的应变来间接反应混凝土的应力水平，由于混凝土温度变化、收缩徐变以及其它因素的影响，应变计所测量的应变与混凝土实际应变之间存在差异，而且混凝土弹性模量的实测值与规范取值之间也存在差別，从而导致混凝土的测试应力值与实际应カ值不符，如果偏差过大，将给混凝土结构的健康诊断带来诸多困难，同时由于价格较高，传感器不可能大面积埋设，存在以点代面的缺陷，一旦在监测过程中失效，则难以挽救。本发明的目的在于提供ー种混凝土工作应カ的无损测试方法，该无损测试方法包括以下步骤
步骤I，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试；步骤2，从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，并利用希尔伯特一黄变换求取每ー级荷载下的超声波信号的加权边际谱面积；步骤3，计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率A Vp (k)、首波振幅相对变化率AA(k)、加权边际谱面积相对变化率A^(Ar);步骤4，依据每级荷载的数值以及超声波声学參数相对变化率，建立标定曲线，以应カ为横坐标，超声波声学參数相对变化率为纵坐标，得到AVP(k)-0曲线、AA(k)-o曲线、M/(ん)-(T曲线；步骤5，在进行混凝土结构工作应カ测试时，沿垂直于应カ方向对混凝土结构进行超声波测试，同步骤2和步骤3得到混凝土结构在应カ状态下的超声波波速相对变化率、 首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，将这些值带入步骤4得到的三条曲线，可得到对应的三个应カ值，对这些应カ值取算术平均值，得到混凝土结构的工作应カ。进ー步，在步骤I中，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试的实现方法为以试件的捣制侧面为测试面，将另ー对侧面作为承压面置于压カ机上，采用分级加载方式，每级荷载20kN，加荷速率为0. 3MPa/s，均匀加载，直至试件破坏。首先采集混凝土试件在加载前的超声波信号，每级荷载加载完毕，待变形稳定后，采集该级荷载下的超声波信号。进ー步，在步骤2中，加权边际谱面积根据下式计算
—YjMi-MiM(Ar) = ノ亡 0=2,3,---,/-1)式中，及(ん)为第k级荷载下超声波信号的加权边际谱面积；M/为第k级荷载下用希尔伯持-黄变换求取的超声波信号第j阶固有模态函数分量的边际谱面积；j为正整数，且2彡j彡J-I J为通过希尔伯特-黄变换得到的固有模态函数MF
分量数量。进ー步，在步骤3中，计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率AVP(k)、首波振幅相对变化率AA(k)、加权边际谱面积相对变化率ん〖7(幻的公式分别为^pjk) = -p{k)~-^-M(た)=-雜)-と卿、=—ず°式中，AVP(k)、A A (k)、(ぇ)分别为超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率、加权边际谱面积相对变化率；VP(k)、A(k)、反(幻分别为k级荷载下的超声波波速、首波振幅、加权边际谱面积；
り、A°、及。分别为加载前的超声波波速、首波振幅、加权边际谱面积。本发明提供的混凝土工作应カ的无损测试方法，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试；从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，并利用希尔伯特-黄变换求取每ー级荷载下的超声波信号的加权边际谱面积；计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率△ Vp(k)、首波振幅相对变化率AA(k)、加权边际谱面积相对变化率AA7(た);依据每级荷载的数值以及超声波声学參数相对变化率，建立标定曲线，以应カ为横坐标，超声波声学參数相对变化率为纵坐标，得到AVpGO-O曲线、AA(k)-o曲线、A好(た)-a曲线；在进行混凝土结构工作应カ测试时，沿垂直于应カ方向对混凝土结构进行超声波测试，得到混凝土结构在应カ状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，将这些值带入得到的三条曲线，可得到对应的三个应カ值，对这些应カ值取算术平均值，得到混凝土结构的工作应カ，该无损测试方法成本低廉，不可回收一次性埋设设备为零，并可对混凝土结构进行快速、无损、全面长期的应カ监測。
图I是本发明实施例提供的混凝土试件超声波测试系统示意图；图2是本发明实施例提供的A Vp (k)-O曲线；图3是本发明实施例提供的AA(k)-o曲线；图4是本发明实施例提供的—(た)-Cr曲线。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进ー步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。本发明的目的在于提供ー种混凝土工作应カ的无损测试方法，该无损测试方法包括以下步骤步骤I，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试；步骤2，从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，并利用希尔伯特-黄变换求取每ー级荷载下的超声波信号的加权边际谱面积；步骤3，计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率A Vp (k)、首波振幅相对变化率AA(k)、加权边际谱面积相对变化率AM(幻；步骤4，依据每级荷载的数值以及超声波声学參数相对变化率，建立标定曲线，以应カ为横坐标，超声波声学參数相对变化率为纵坐标，得到AVP(k)-0曲线、A4(k)-o曲线、AW(Ar)-Cr曲线；步骤5，在进行混凝土结构工作应カ测试时，沿垂直于应カ方向对混凝土结构进行超声波测试，同步骤2和步骤3得到混凝土结构在应カ状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，将这些值带入步骤4得到的三条曲线，可得到对应的三个应カ值，对这些应カ值取算术平均值，得到混凝土结构的工作应カ。
在本发明实施例中，在步骤I中，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试的实现方法为以试件的捣制侧面为测试面，将另ー对侧面作为承压面置于压カ机上，采用分级加载方式，每级荷载20kN，加荷速率为0. 3MPa/s，均匀加载，直至试件破坏。首先采集混凝土试件在加载前的超声波信号，每级荷载加载完毕，待变形稳定后，采集该级荷载下的超声波信号。在本发明实施例中，在步骤2中，加权边际谱面积根据下式计算
权利要求
1.ー种混凝土工作应カ的无损测试方法，其特征在于，该无损测试方法包括以下步骤 步骤I，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试； 步骤2，从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，并利用希尔伯特-黄变换求取每ー级荷载下的超声波信号的加权边际谱面积； 步骤3，计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率△ VP(k)、首波振幅相对变化率AA(k)、加权边际谱面积相对变化率(ぇ)； 步骤4，依据每级荷载的数值以及超声波声学參数相对变化率，建立标定曲线，以应力为横坐标，超声波声学參数相对变化率为纵坐标，得到AVP(k)-0曲线、AA(k)-o曲线、曲线； 步骤5，在进行混凝土结构工作应カ测试时，沿垂直于应カ方向对混凝土结构进行超声波测试，同步骤2和步骤3得到混凝土结构在应カ状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，将这些值带入步骤4得到的三条曲线，可得到对应的三个应カ值，对这些应カ值取算术平均值，得到混凝土结构的工作应カ。
2.如权利要求I所述的无损测试方法，其特征在于，在步骤I中，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试的实现方法为 以试件的捣制侧面为测试面，将另ー对侧面作为承压面置于压カ机上，采用分级加载方式，每级荷载20kN，加荷速率为0. 3MPa/s，均匀加载，直至试件破坏。首先采集混凝土试件在加载前的超声波信号，每级荷载加载完毕，待变形稳定后，采集该级荷载下的超声波信号。
3.如权利要求I所述的无损测试方法，其特征在于，在步骤2中，加权边际谱面积根据下式计算
4.如权利要求I所述的无损测试方法，其特征在于，在步骤3中，计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率△ VP(k)、首波振幅相对变化率 AA(k)、加权边际谱面积相对变化率W(ん)的公式分别为
全文摘要
本发明公开了一种混凝土工作应力的无损测试方法，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件；从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，求取每一级荷载下超声波信号的加权边际谱面积；计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率ΔVP(k)、首波振幅相对变化率ΔA(k)、加权边际谱面积相对变化率依据每级荷载的数值以及超声波声学参数相对变化率，以应力为横坐标，超声波声学参数相对变化率为纵坐标，得到ΔAP(k)-σ曲线、ΔA(k)-σ曲线、曲线；超声波测试沿垂直于应力方向，得到混凝土结构在应力状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，得到三个应力值，对应力值取算术平均值，得到混凝土结构的工作应力。
文档编号G01L1/25GK102865952SQ20121033701
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者许锡宾, 林军志 申请人:许锡宾