復(fù)合型鋼?混凝土組合梁的制備方法、組合梁及監(jiān)測(cè)裝置與流程

本發(fā)明涉及土木、交通等領(lǐng)域的梁橋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,特別是一種復(fù)合型鋼-混凝土組合梁的制備方法、組合梁及監(jiān)測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

型鋼-混凝土組合梁是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)型式。它主要通過在鋼梁和混凝土翼緣板之間設(shè)置剪力連接件(栓釘、槽鋼、彎筋等)，抵抗兩者在交界面處的掀起及相對(duì)滑移，使之成為一個(gè)整體而共同工作。型鋼-混凝土組合梁以其承載能力強(qiáng)、自重輕(在同等強(qiáng)度與剛度的情況下，組合梁的截面比非組合梁小，梁高可以減少約10％)、材料省(相對(duì)于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材約20％～40％)、抗震性能好和施工周期短等優(yōu)良性能使得鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層及超高層建筑、大跨橋梁、地下工程、礦山工程、港口工程以及組合加固和修復(fù)工程等方面顯示著它廣闊的應(yīng)用前景。但實(shí)際工程中大量使用的柔性剪力連接件不存在完全剛性，因而組合梁交界面上的相對(duì)滑移是不可避免的。而滑移導(dǎo)致的組合梁截面承載力下降、截面曲率增大、產(chǎn)生附加變形等影響，稱之為滑移效應(yīng)，它是組合梁設(shè)計(jì)中需要考慮的重要影響因素。

活性粉末混凝土(reactivepowderconcrete，簡(jiǎn)稱rpc)是繼高強(qiáng)、高性能混凝土(highperformanceconcrete，簡(jiǎn)稱hpc)后開發(fā)出的超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料。它是dsp(densifiedsystemcontainingultra-finepartciles)材料與纖維增強(qiáng)材料相復(fù)合的高技術(shù)混凝土。采用rpc相比于傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土，有著優(yōu)異的力學(xué)性能(強(qiáng)度更高、韌性更大、耐久性更好)、自重輕(rpc梁的重量?jī)H為鋼筋混凝土梁的1/2～1/3)、極低的收縮和徐變性能(rpc基本徐變減少到普通混凝土或是高性能混凝土的10％左右)、優(yōu)越的耐久性能和良好的經(jīng)濟(jì)效益，非常適合于大跨度的型鋼-混凝土組合梁的應(yīng)用中來。

目前，對(duì)型鋼-混凝土組合梁滑移檢測(cè)的方法主要有渦流法(eddycurrent)、聲學(xué)(acoustic)或超聲(ultrasonic)損傷檢測(cè)技術(shù)和激光攝影(radiographic)技術(shù)等。但這些技術(shù)都存在價(jià)格昂貴、監(jiān)測(cè)過程復(fù)雜、對(duì)監(jiān)測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)技術(shù)要求比較高。而壓電材料如pzt(錯(cuò)鈦酸鉛)具有價(jià)格低廉、良好的壓電效應(yīng)、易加工且穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域所關(guān)注。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種復(fù)合型鋼-混凝土組合梁的制備方法、組合梁及監(jiān)測(cè)裝置，提高型鋼-混凝土組合梁的跨度，改善型鋼-混凝土組合梁的力學(xué)性能，使型鋼-混凝土組合梁不但可用于土木結(jié)構(gòu)的新建結(jié)構(gòu)，而且可以應(yīng)用于型鋼-混凝土組合梁的滑移監(jiān)測(cè)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種復(fù)合型鋼-混凝土組合梁的制備方法，包括以下步驟：

1)用無水酒精將壓電陶瓷片pzt的表面清潔干凈，靜置，待壓電陶瓷片自然干燥后，在壓電陶瓷片上焊接導(dǎo)線；

2)在復(fù)合型鋼-混凝土組合梁的工字鋼梁上翼緣上表面中心線位置處沿跨徑方向開設(shè)多個(gè)凹槽，所述凹槽與壓電陶瓷片pzt大小匹配并位于型鋼-混凝土組合梁中剪力連接件位置中心；

3)將步驟1)處理后的壓電陶瓷片pzt粘貼在型鋼-混凝土組合梁的工字鋼梁上翼緣上表面的凹槽內(nèi)作為傳感器，并用防水絕緣材料封裝壓電陶瓷片pzt，封裝后在室溫環(huán)境下固化一天；在rpc混凝土翼緣板澆筑rpc混凝土前，在剪力連接件兩側(cè)的rpc混凝土翼緣板內(nèi)分別埋入作為驅(qū)動(dòng)器的壓電智能骨料sa，剪力連接件兩側(cè)的壓電智能骨料sa沿型鋼-混凝土組合梁中軸對(duì)稱，且每個(gè)壓電智能骨料sa下表面與rpc混凝土翼緣板下表面平齊；待所有壓電智能骨料sa安裝并固定后澆筑rpc混凝土；

4)通過剪力連接件將經(jīng)3)處理后的工字鋼梁與rpc混凝土翼緣板連成整體共同工作，組成基于壓電陶瓷的復(fù)合型鋼-混凝土組合梁。

步驟3)中，壓電智能骨料sa的制備方法包括以下步驟：

1)制作內(nèi)徑尺寸為25mm×25mm×12mm的鋼模，并且在制成的鋼模底面設(shè)置15mm×15mm×0.2mm的凸臺(tái)，將鋼模清洗干凈，在鋼模表面涂抹油脂；

2)在經(jīng)步驟1)制備好的鋼模中注入配置好的水泥灌漿料，直至將模具填滿，通過反復(fù)敲打鋼模使水泥砂漿振搗密實(shí)，最后將水泥砂漿上表面抹平壓實(shí)，在25℃的恒溫下養(yǎng)護(hù)成型后，將成型的水泥砂漿塊在鋼模中放置3天，然后對(duì)成型的水泥砂漿塊進(jìn)行脫模處理，并將成型的水泥砂漿塊用濕布包裹在恒溫環(huán)境中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)14天，得到水泥殼體；

3)調(diào)制環(huán)氧樹脂膠，將環(huán)氧樹脂膠涂抹到水泥殼體的表面，以填充水泥殼體上的小氣泡孔，待環(huán)氧樹脂膠干了后，再用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷片粘貼在水泥殼體上；將壓電陶瓷片焊接上屏蔽線，該屏蔽線另外一頭與bnc接頭連接；

4)利用上述步驟1)和步驟2)制作另一個(gè)同樣的水泥殼體，并將制作好的水泥殼體與步驟3)得到的固定有壓電陶瓷片的水泥殼體粘接，將壓電陶瓷片包裹在里面，形成一個(gè)智能骨料；

5)在所述智能骨料表面再涂抹兩次環(huán)氧樹脂膠。

本發(fā)明中，防水絕緣材料厚度為0.08～0.12mm。

rpc混凝土的配比如下：水泥705kg/m³；微硅粉136.5kg/m³；礦粉14.2kg/m³；粉煤灰14.2kg/m³；高效減水劑23.8kg/m³；石英砂1220kg/m³；鋼纖維80kg/m³；水膠比0.19。

相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種利用上述方法制備而成的復(fù)合型鋼-混凝土組合梁，包括rpc混凝土翼緣板；所述rpc混凝土翼緣板下表面通過剪力連接件與工字鋼梁固定連接；所述工字鋼梁上翼緣上表面中心線位置處沿跨徑方向開設(shè)多個(gè)凹槽，每個(gè)所述凹槽內(nèi)均固定有壓電陶瓷片；所述剪力連接件兩側(cè)的rpc混凝土翼緣板內(nèi)均埋設(shè)有壓電智能骨料，且所述壓電智能骨料的下表面與所述rpc混凝土翼緣板下表面平齊；所述剪力連接件兩側(cè)的壓電智能骨料沿所述工字鋼梁的中軸線對(duì)稱設(shè)置。

所述壓電陶瓷片通過防水絕緣層封裝。

所述防水絕緣層材料為環(huán)氧樹脂，所述絕緣防水層厚度為0.08～0.12mm。

相應(yīng)地，本發(fā)明復(fù)合型鋼-混凝土組合梁的監(jiān)測(cè)裝置，包括函數(shù)發(fā)生器，所述函數(shù)發(fā)生器與所述壓電智能骨料電連接；所述壓電陶瓷片與數(shù)據(jù)采集儀電連接，所述數(shù)據(jù)采集儀接入計(jì)算機(jī)。

所述壓電陶瓷片與數(shù)據(jù)采集儀之間接有電荷適配器。

所述函數(shù)發(fā)生器的頻率為100hz～75khz。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明將壓電陶瓷片引入型鋼-混凝土組合梁中，可以在受力過程中在線監(jiān)測(cè)全過程損傷和梁中鋼筋的滑移，有利于及時(shí)了解它的工作狀態(tài)。相對(duì)于普通的型鋼-混凝土組合梁，該智能混雜復(fù)合的型鋼-混凝土組合梁具有實(shí)時(shí)在線自我監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)；智能混雜復(fù)合型鋼-混凝土組合梁采用rpc混凝土，具有極好的強(qiáng)度和耐久性；同時(shí)智能混雜復(fù)合型鋼-混凝土組合梁具有更好的延性和更輕的自重。本發(fā)明提高了型鋼-混凝土組合梁的跨度，改善了型鋼-混凝土組合梁的力學(xué)性能，使型鋼-混凝土組合梁不但可用于土木結(jié)構(gòu)的新建結(jié)構(gòu)；本發(fā)明的監(jiān)測(cè)裝置靈敏度高、響應(yīng)快、操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉，可以應(yīng)用于型鋼-混凝土組合梁的滑移監(jiān)測(cè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的智能混雜復(fù)合型鋼-混凝土組合梁示意圖；

圖2為本發(fā)明壓電陶瓷在智能混雜復(fù)合型鋼-混凝土組合梁安裝位置示意圖；

圖3為本發(fā)明的制作流程示意圖；

圖4為本發(fā)明的壓電陶瓷智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立步驟示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明復(fù)合型鋼-混凝土組合梁的制備方法如下：

1)用無水酒精將壓電陶瓷片pzt的表面清潔干凈，靜置，待壓電陶瓷片自然干燥后，在壓電陶瓷片上焊接導(dǎo)線；

2)在復(fù)合型鋼-混凝土組合梁的工字鋼梁上翼緣上表面中心線位置處沿跨徑方向開設(shè)多個(gè)凹槽，所述凹槽與壓電陶瓷片pzt大小匹配并位于型鋼-混凝土組合梁中剪力連接件位置中心；

3)將步驟2)處理后的壓電陶瓷片pzt沿跨徑方向在型鋼-混凝土組合梁的工字鋼上翼緣上表面的凹槽內(nèi)粘貼作為傳感器，并用防水絕緣材料封裝壓電陶瓷片，封裝后在室溫環(huán)境下固化一天；

4)在rpc混凝土翼緣板預(yù)制時(shí)，在其rpc混凝土翼緣板澆筑混凝土前，剪力連接件的兩側(cè)分別埋入并固定作為驅(qū)動(dòng)器的壓電智能骨料sa(smartaggregate)，兩個(gè)壓電智能骨料sa沿型鋼-混凝土組合梁中軸對(duì)稱，且每個(gè)壓電智能骨料sa下表面與rpc混凝土翼緣板下表面平齊；待所有壓電智能骨料sa安裝并固定后澆筑rpc混凝土；

5)待4)處理后的rpc混凝土翼緣板達(dá)到一定的強(qiáng)度后，通過剪力連接件將3)中處理后的工字鋼連成整體共同工作，組成基于壓電陶瓷的智能混雜復(fù)合型鋼-混凝土組合梁。

所述絕緣防水層材料為環(huán)氧樹脂，所述絕緣防水層厚度為0.08～0.12mm。

所述壓電智能骨料sa的制備方法如下：

1)制作內(nèi)徑尺寸為25mm×25mm×12mm的鋼模，并且在制成的鋼模底面留有15mm×15mm×0.2mm的凸臺(tái)，在使用模具前將其清洗干凈，在使用前預(yù)先在其表面涂抹油脂，以便于混凝土殼體達(dá)到強(qiáng)度后脫模。

2)在制備好的模具中注入配置好的水泥灌漿料，直至將模具填滿，通過反復(fù)敲打模具使水泥砂漿振搗密實(shí)，最后用抹子將凈漿上表面抹平壓實(shí)。將其在25℃的恒溫下養(yǎng)護(hù)成型后，將成型的水泥砂漿塊在模具中待強(qiáng)3天，對(duì)其進(jìn)行脫模處理，并將其用濕布包裹在恒溫環(huán)境中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)14天左右，即可取出待用。

3)調(diào)制環(huán)氧樹脂膠，將膠涂抹到水泥殼體的表面，以填充殼體上的小氣泡孔。待第一次環(huán)氧樹脂干了后，用環(huán)氧樹脂將pzt粘貼在殼體上。將pzt片焊接上屏蔽線，該屏蔽線另外一頭與bnc接頭連接。將制作的另一個(gè)同樣的混凝土殼體與已經(jīng)連好線的混凝土殼體用環(huán)氧樹脂粘接，將pzt片包裹在里面，形成一個(gè)智能骨料。

4)在第3)步制作完成的壓電智能骨料后，在其表面再涂抹兩次環(huán)氧樹脂膠，由于環(huán)氧樹脂在未凝固之前具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，因此為了保證制作的智能骨料表面全部被樹脂包裹，因此采用兩次在表面涂抹樹脂的方式進(jìn)行保護(hù)。

所述rpc混凝土的制備配合比如下：

所述壓電陶瓷pzt均為pzt5壓電材料。

本發(fā)明提供了一種基于壓電陶瓷的型鋼-混凝土組合梁滑移監(jiān)測(cè)裝置，包括上述復(fù)合型鋼-混凝土組合梁，所述多個(gè)用作傳感器的壓電智能骨料均與函數(shù)發(fā)生器連接，所述用作驅(qū)動(dòng)器的壓電智能骨料均與數(shù)據(jù)采集儀連接，所述數(shù)據(jù)采集儀接入計(jì)算機(jī)。

每一個(gè)用作驅(qū)動(dòng)器的壓電陶瓷片與數(shù)據(jù)采集儀之間均接有電荷適配器。

所述函數(shù)發(fā)生器的頻率為100hz～75khz。

如圖1、2所示，本發(fā)明復(fù)合型鋼-混凝土組合梁包括rpc混凝土翼緣板1、工字鋼梁2和剪力連接件3，rpc混凝土翼緣板1中剪力連接件3兩側(cè)分別埋入用作驅(qū)動(dòng)器的壓電智能骨料4，其中壓電智能骨料4下表面與rpc混凝土翼緣板1下表面平齊，且兩組壓電智能骨料4兩側(cè)沿梁的中軸線對(duì)齊；所述工字鋼梁2上翼緣上表面中心線位置處沿跨徑方向開設(shè)多個(gè)凹槽，每個(gè)凹槽與剪力連接件位置平齊且固定有一個(gè)作為傳感器的壓電陶瓷片5，并用防水涂料環(huán)氧樹脂封裝壓電陶瓷片5，且所有壓電陶瓷片與所述凹槽之間均設(shè)有絕緣層。

如圖3，本發(fā)明基于壓電陶瓷分析的復(fù)合型鋼-混凝土組合梁智能監(jiān)測(cè)裝置制備和監(jiān)測(cè)過程如下：

1)在凹槽內(nèi)粘貼并封裝用作傳感器(接收器)的壓電陶瓷片5，在rpc混凝土翼緣板中埋入多個(gè)用作驅(qū)動(dòng)器的壓電智能骨料4，然后由信號(hào)函數(shù)發(fā)生器6產(chǎn)生的信號(hào)激勵(lì)用作驅(qū)動(dòng)器的壓電智能骨料4，用作接收器的壓電陶瓷片5與數(shù)據(jù)采集儀8連接，由數(shù)據(jù)采集儀8將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)。

2)所述用作接收器的壓電陶瓷片5與數(shù)據(jù)采集儀8連接之間設(shè)有電荷適配器7。

3)工字鋼梁2凹槽表面預(yù)先設(shè)有絕緣層。

4)用作驅(qū)動(dòng)器的壓電智能骨料4、用作接收器的壓電陶瓷片5粘貼并封裝在工字鋼梁2凹槽表面，導(dǎo)線連接后涂有防水層。

5)將采集到的信號(hào)通過計(jì)算機(jī)處理分析，根據(jù)離散信號(hào)的能量表達(dá)式：

式中：x(n)為信號(hào)對(duì)應(yīng)的離散序列；n為采樣點(diǎn)?？蓪⒔】禒顟B(tài)下的能量eh作為基準(zhǔn)信號(hào)，ei為結(jié)構(gòu)處于某一損傷狀態(tài)下的信號(hào)能量，那么該時(shí)刻結(jié)構(gòu)的相對(duì)健康狀態(tài)的損傷程度就可以表示為：

式中，xh(n)和xi(n)分別為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)和任意損傷狀態(tài)下傳感器采集到的離散信號(hào)。顯然di的取值范圍在0～1之間，di＝0表示結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)，當(dāng)di＝1表示結(jié)構(gòu)處于功能完全失效狀態(tài)。

所述函數(shù)發(fā)生器6產(chǎn)生的信號(hào)的頻率為100hz～75khz。

所述絕緣層為一層均勻的環(huán)氧樹脂絕緣層，該絕緣層厚度控制在0.08～0.12mm范圍內(nèi)。