建筑结构的无损伤安全监测分析

建　筑　技　术　第４４卷第７期２０１３年７月　Ｖｏ１．４４　Ｎｏ．７　Ｊｕ１．２０１３　Ａｒｃｈｉｔｅｅｔｕｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣　建筑结构的无损伤安全监测分析　孔　乐　，郭青松２。王　花　（１．泰州职业技术学院，２２５３００，江苏泰州；２．吉林大学建设工程学院，１３００２６，长春）　摘要：从计算机控制系统设计应变片制作材料选择、应变片选用原则及种类和尺寸选择、应变片敏感栅　或基底材料和敏感栅结构型式选择、应变片预埋施工要点、应变片测得数据采集与处理、超声波波速比检测原理　与应用等方面进行研究。通过在施工期间对要进行安全监测的建筑结构预埋应变片以及在建筑投入使用后对建　筑结构进行超声波波速检测研究，实现了对建筑结构的在使用期内的无损伤安全性监测。　关键词：无损伤安全监测；预埋应变片；超声波；波速检测　中图分类号：ＴＵ　１９６：ＴＵ　１１２．７　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—４７２６（２０１３）０７—０６５８—０３　ＮｏＮＤＥＳＴＲＵＣＴＩＶＥ　ＳＡＦＥＴＹ　ＭｏＮＩＴｏⅪＮＧ　ＡＮＤ　ＡＮＡＬＹＳＩＳ　ｏＦ　ＢＵＵＤＩＮＧ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　ＫＯＮＧ　Ｌｅ　，ＧＵＯ　Ｑｉｎｇ－ｓｏｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｈｕａ　（１．Ｔａｉｚｈｏｕ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，２２５３００，Ｔａｉｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１３００２６，Ｃｈａｎｇｅｈｕｎ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ－ｄｅｐｔｈ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ａｓｐｅｃｔｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｙｐｅ　ａｎｄ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ，ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｄ　ｏｒ　ｂａｓｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ，　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｇｒｉｄ，ｋｅｙ　ｐｏｉｎｔｓ　ｆｏｒ　ｐｒｅ—ｅｍｂｅｄｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ，ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｒａｔｉｏ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｅｔｃ．　Ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ　ｉｓ　ｐｒｅ－ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｈｏｓｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｓｈａｌｌ　ｂｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｈｒａｓｏｎｉｃ　ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｔｏ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｏｎｄｅｓｔｕｃｔｉｖｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｍｏｎｉｒｔｏｒｉｎｇ；ｐｒｅ－ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｗａｖｅ；ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　应力与应变信息收集系统主要由其末端的布置在　对震后建筑物安全的思考，人们对建筑结构在使用期　建筑结构监控部位的应力与应变远程监测传感器（应　内的安全越来越关注。人们期待着有一种便捷、快速的　变片）构成。应力与应变中央信息处理系统主要由计算　方法和成套的设备、系统能够快速而又对建筑无任何　机硬件系统和整套处理由应力与应变远程监测传感器　目前，随着社会经济发展，科学技术提高以及基于　机械损伤和破坏地进行监测并对建筑结构安全给出准　（应变片）收集的建筑结构监测部位的应力与应变信息　确结果和安全预警。本研究试图通过在施工期间对安　的软件系统构成。应力与应变过大预警系统由计算机　全监测的建筑结构预埋应变片并使之在用户装修人住　输出设备、预警灯光及特殊音响等构成的。　１．１应力与应变远程监测传感器（应变片）　后与计算机系统相连，实现了计算机对监测数据自动　１．读取和处理，并与波速试验等方法得出结果对比，从而　应力与应变远程监测传感器（应变片）的工作原理　实现了对使用期内建筑结构安全、全程、科学的监测和　是所监测的建筑结构位置处的应力与应变信息经其转　变成电信号后实现了应力与应变信息的远距离传递，　预警。　１无损伤安全性监测计算机控制系统的设计　１．１无损伤安全性监测计算机控制系统的构成　从而确保应力与应变中央信息处理系统所接收到的应　力与应变信息准确、及时。　１．１．２计算机软件系统　计算机控制系统是由应力与应变信息收集系统、　处理由应力与应变远程监测传感器（应变片）收集　应力与应变中央信息处理系统、应力与应变过大预警　的拟监控部位应力与应变信息计算机软件系统由算　系统三部分构成。　法、建筑结构各监控点处的设计与实时应力与应变数　收稿日期：２０１３—０３—２５　作者简介：孔乐（１９７９一），女，江苏泰州人，讲师，ｅ－ｍａｉｌ：７３２５８８０９８＠ｑｑ　据库构成。建筑结构各监控点处实时应力与应变数据　由应力与应变远程监测传感器（应变片）实测、传递，各　监测点的实时应力与应变有三种状态：（１）预警值以　２０１３年７月　孔乐，等：建筑结构的无损伤安全监测分析　・６５９・　下，其值为０；（２）预警值以上、建筑结构破坏最大应力　学胜质相近。　与应变限值以下，其值为１；（３）建筑结构破坏最大应力　（１）在荷载、温度和收缩等各种外界因素作用下，　与应变限值以上。其值为２。　应能有效与混凝土共同承担外界荷载，这就要求为：　１．１．３预警灯光及特殊音响　１）应变片在混凝土硬化后与混凝土间产生良好　预警灯光的颜色设置为红色。当应力与应变值处　的粘结力；　于预警值以下，预警指示灯关闭；当应力与应变值处于　２）应变片表面的混凝土保护层应防止应变片遭　预警值以上，预警指示灯开启，并随即发出报警铃声。　受外界侵蚀：　１．２计算机系统的数据采集与处理　３）应变片与混凝土的温度线膨胀系数相近，当温　应变片与计算机相连，适时采集应变片的应力和　度变化时。两者间不会产生较大的相对滑移而使粘结　应变值、去除干扰后，与相应的建筑结构应变设计值及　力破坏　”。　建筑结构所允许的最大变形值进行比较，并及时将数　（２）材料应具有足够的强度，确保应变片在高应　据处理结果反馈给用户，如果应变片的应力和应变值　力下不被破坏（包括拉坏、压坏或剪坏）。　超过相应的建筑结构应变设计值及建筑结构所允许的　（３）应变片在高应力作用下依然可确保监测数据　最大变形值．计算机经所测数据综合分析给出该建筑　的准确。　结构安全的红色警报。　２．３应变片的选用原则　１．３计算机系统数据处理分析原则　选用应变片须考虑监测结构的几何形状及大小，　计算机的数据处理及综合分析遵循以下原则：按　监测部位的结构组成，监测导线的线路选择与保护，应　得出数值的在应力应变中的代表实际情况的程度和结　变片加压加热后的有效性；监测点的应力应变情况；环　构部位的安全重要性不同，分别赋予其不同权重，采用　境因素以及结构安全监测要求的精度等　２］。　模糊数学和层次分析方法进行确定计算。　２．４应变片种类选择　２应力与应变远程监测传感器（应变片）　电阻应变片的种类多，如表１所示。根据建筑结构　安全监测部位的实际情况以及监测精度要求选择应变　２．１应变片简介　片种类。　应变片是一种用于测量物体应力与应变的测试工　２．５应变片尺寸选择　具，一般应变片由绝缘基片与金属敏感栅组成。应变片　根据建筑结构安全监测对象材料、应力状态以及　需使用正确胶粘剂与物体相连。当被测部件受外力变　允许粘贴应变片面积，选择应变片尺寸。如果所监测的　形时，敏感栅亦随之变形，因此敏感栅的电阻值会产生　建筑物位于地震带，则选择应变片的栅长时应考虑对　相应变化。通过惠斯通电桥可测得该微小阻值变化量，　应变片的频率响应要求。对于沿栅长方向按正弦波传　而通过应变片生产厂商标明的应变片系数可将测量得　播的动态应变，可根据允许的动态响应误差选择应变　到的电阻变化量转换成实际应变值，最后通过虎克定　片栅长，动态响应误差的计算见式（１）。　律或广义虎克定律求出建筑结构内的实际应力值。应　ｅ　（札）２／（６Ａ　）　（１）　变片有很多种类。一般的应变片是在被称作基底的塑　式中：ｅ为动态响应的相对误差；　为栅长；Ａ为正　料薄膜（１５　１６　ｍ）上粘贴由薄金属箔材制成的敏感　弦应变波的波长。也可根据给定的误差和　／Ａ的比，得　栅（３～６　Ｗｉｎ），然后再覆盖上一层薄膜做成叠层构造。　到不同栅长的应变片所允许的最高工作频率。　２．２应变片制作材料选择　’　２．ａ应变片敏感栅或基底材料选择　对应变片的制作材料应进行合理选择，其基本要　根据建筑结构安全监测对象的环境温度、监测时　求为制作应变片的材料应与结构的钢筋混凝土材料力　间和所需监测的最大应变量以及监测精度要求。’选择　表１金属电阻应变片的类型［３　用途　敏感栅结构　基底材料　敏感栅的制造方法　使用温度范围　安装方式　一般用途应变片　单轴应变片　纸基应变片　丝式应变片　低温应变片　粘贴式应变片　特殊用途应变片　多轴应变片　胶基应变片　箔式应变片　常温应变片　焊接式应变片　传感器专用应变片　复式应变片　金属基应变片　薄膜式应变片　中温应变片　喷涂式应变片　橡胶基应变片　液态金属应变片　高温应变片　埋入式应变片　浸胶玻璃纤维基应变片　箔丝组合式应变片　・６６０・　建筑技术　第４４卷第７期　敏感栅或基底材料。　２．７应变片敏感栅结构形式选择　度增大而增大。根据弹『生理论［６１，纵波的波速和横波的　波速定义公式为：　Ｐ＝｛　（１－ｖ）］／［ｐ（１　）（１一　）］）　ｓ：｛　（１　）］）　根据建筑结构安全监测对象的应力性质、主应力　方向是否已知以及其他要求，选择应变片的敏感栅结　构形式。　（２）　（３）　３应变片预埋施工要点　在将要实施安全『生监测结构的重要部位预埋应变　式中：Ｅ为弹性模量；Ｐ为材料的密度；　为泊松比。　两式相除得：　ｖ￣／Ｖｓ＝｛［２（１－ｖ）】／（１一　））　（４）　上式说明波速比与泊松比有关。而泊松比反映了　片。其施工要点：　（１）预埋应变片的部位选择要合理，且应具有　典型的代表性或其能代表结构最危险部位的应力应　变值；　（２）预埋应变片的数量要合理，以能为建筑结构　安全监测做出科学合理的判断为宜；　（３）预埋应变片不能破坏建筑结构的完整性和连　续性。　应变片应布置在受力条件最不利部位，即应力最　集中部位，而应力最集中部位同时也是混凝土结构设　计中应添加钢筋的地方，因此给应变片粘贴提供了有　利条件。但考虑到钢筋和混凝土一起工作的兼容性和　协调性，应变片不能大规模粘贴在钢筋上，而应适量粘　贴在应力最集中、弯矩最大处、剪力最大处以及最具有　普遍代表｝生的地方。另外，在确实需监测的无钢筋处也　应适当布置合适数量的应变片。　应变片与计算机相连，适时采集应变片的应力和　应变值、去除干扰后，与相应的建筑结构应变设计值及　建筑结构所允许的最大变形值进行比较，并及时将数　据处理结果反馈给用户，如果应变片的应力和应变值　超过相应的建筑结构应变设计值及建筑结构所允许的　最大变形值，计算机经所测数据综合分析给出该建筑　结构安全的红色警报。计算机的数据处理及综合分析　遵循以下原则：按得出数值的在应力应变中的代表实　际情况的程度和结构部位的安全重要洼不同，分别赋　予其不同权重，采用模糊数学和层次分析方法进行确　定计算。　４超声波波速检测研究　４．１波速比与混凝土结构泊松比及强度之间的关系　鉴于超声波在混凝土探测中的无损、快速及简便　等优点，本研究使用超声波波速检测法对使用阶段建　筑结构的安全进行监测　。由研究可知，超声波在混凝　土结构中的波速与混凝土结构的密度间有相关关系。　超声波纵波的波速与横波的波速均随混凝土结构的密　混凝土结构强度和抗变形能力，故可通过测定混凝土　结构的波速比来判定建筑结构的强度和抗变形能力。　４．２建筑结构超声波的波速比监测　根据ｊ单｝生理论，泊松比与波速比有关，所以可通过　直接测量超声波在混凝土结构中的波速比进而研究混　凝土结构的强度及变形性能以期达到对建筑结构在使　用阶段的安全监测。本研究利用式（５）计算超声波在建　筑结构中的传播速度［　，即：　ｃ＝２ｌ／（Ｔ－Ｔｏ）　（５）　式中：ｃ为声波波速；伪超声波穿过电子线路及试　件的总延迟时间；Ｔｏ为电子线路本身的延迟时间，ｚ为　试件的纵向尺寸。　５结语　两种方法得出的结果以施工期间预埋应变片法为　主，对比分析超声波的波速检测方法检验通过应变片　得出结果的正确性与可行性。　使用期内建筑结构的无损伤安全陛监测不仅可为　住户提供建筑结构的安全预警、保障人民群众的生命　财产安全，而且还可为震后轻微裂缝的建筑结构安全　评估做出科学依据。对于该项工程技术的研究也就具　有了很强的经济意义与社会意义，其实际应用也必将　会有一个良好的发展前景。　参考文献　【１】沈蒲生．混凝土结构设计原理［Ｍ１－第３版．北京：高等教育出版社，　２Ｏｏ７．　［２】李德葆．振动测试与应变电测基础【Ｍ】．北京：清华大学出版社，　１９８７．　［３】史洪宾，吴金昌，章晶．印制电路板应变测量用应变片选用方法研究　【ＪＪ．检验与测试，２００９，９．　［４］袁易全．近代超声原理与应用［Ｍ】．南京：南京大学出版社，１９９６．　【５】石怀理．水利电测技术『Ｍ］．西安：陕西科学技术出版社，１９９４．　【６】徐芝纶．弹『生力学【Ｍ】．北京：人民教育出版社，１９８３．　【７］彭万巍，袁易全．冻土纵、横波宽带超声换能器的研ＮＩＪ］．冰川冻　土，２０００，２２（１）．　［８】郭毅霖，田蕊，何玉珊，等．桥梁结构工程健康监测安全预警系统　建筑技术，２０１２，４３（２）．