用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋及制备方法与流程

本发明涉及无损结构健康监测领域，特别涉及用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋及制备方法。

背景技术：

1、钢筋混凝土材料具有强度高，耐久性好和经济性等优点，因此成为我国基础设施建设中应用最为广泛的建筑材料之一。然而，随着时间的推移，长期使用下的结构也会遭受外界冲击和腐蚀等影响，导致结构老化、开裂，以及钢筋锈蚀和界面脱粘等问题的出现。这些问题可能引发严重的安全隐患和结构稳定性问题，对于整个建筑乃至周围环境都可能造成不可预测的危害。因此，在结构运营的过程中，进行结构健康监测显得至关重要。这样的监测能够及时发现和诊断结构潜在的问题，使得针对性的维护和修复能够在问题进一步恶化之前实施。

2、结构健康监测领域的无损检测技术中，基于压电陶瓷的波动法因其高灵敏度和对边界条件的敏感性而备受瞩目，受到广泛的研究关注。压电陶瓷作为波动法的载体，具备多重优势。其压电效应赋予了双重功能，既可作为波动法的信号激励器，又能充当传感器。波动法对结构微小变化极为敏感，能够捕捉到结构中微小的损伤或变形，因此在混凝土结构健康监测领域的应用日益广泛。这种技术方法已在混凝土结构的裂纹、损伤和变形等相关研究中得到了广泛应用。

3、钢筋混凝土结构中与钢筋相关的损伤是目前结构健康监测关注的重点。由于钢筋作为钢筋混凝土结构内部的承拉构件，钢筋和混凝土之间存在着重要的接触应力。钢筋周围混凝土的开裂、钢筋锈蚀以及脱粘等问题都可能造成严重的结构问题。为了解决这些挑战，一些学者考虑将压电陶瓷粘贴至钢筋端部，利用压电陶瓷厚度方向的振动能量进行钢筋周边区域和钢筋界面的结构健康监测。然而，目前的方法存在一些问题，如压电陶瓷厚度方向能量转换效率低、无法限制其三方向的自由度以及布置在端部限制了钢筋长度。此外，传统方法未对压电陶瓷进行封装和保护，可能在浇筑过程中遭受进水或骨料撞击而损坏。这些挑战使得目前基于压电陶瓷监测钢筋周边区域损伤的方法亟需改进，以克服现有监测方法受限的困境。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的是用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋，这种钢筋具备高信号输出能力、与混凝土材料相容性强、无需额外保护措施，并能实时在线监测钢筋混凝土结构内部健康情况。

2、实现本发明第一个目的的技术方案是：本发明中用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋，包括钢筋主体；所述钢筋主体上固定设有压电传感器；所述压电传感器包括固定粘贴在钢筋主体上的压电陶瓷；压电陶瓷的表面从内之外依次包裹涂覆有防水涂料层、屏蔽涂料层和环氧树脂层；所述压电陶瓷上连接并引出有屏蔽电缆；所述压电陶瓷为外翻电极式长条形压电陶瓷；所述钢筋主体上设有至少一个用于安装压电传感器的安装部；所述钢筋主体上各安装部处沿钢筋主体的轴线圆周均匀分布有偶数个用于形成激励和传感阵列的压电传感器。即，偶数个压力传感器中，每两个压力传感器相对对称设置。

3、进一步，各安装部处沿钢筋主体的轴线圆周均匀分布有两个或者四个用于形成激励和传感阵列的压电传感器。

4、进一步，各安装部处的压电传感器的屏蔽电缆形成并联的电连接。

5、进一步，上述压电陶瓷为d31型外翻电极式长条形压电陶瓷。

6、进一步，上述环氧树脂采用高强度环氧树脂，如：艾必达6005。

7、本发明的第二个目的是提供一种用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋的制备方法。

8、实现本发明第二个目的的技术方案是：本发明中用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋的方法，包括以下步骤：

9、step1、在钢筋主体的各安装部处将多个压电陶瓷片沿着钢筋主体周向对称布置固定，并在其表面涂抹防水涂料层和屏蔽涂料层；

10、step2、布置在同一安装部的压电陶瓷片使用屏蔽电缆并联连接；

11、step3、将所述压电陶瓷片用环氧树脂包裹，形成外保护层。

12、本发明具有积极的效果：(1)针对传统压电陶瓷易受损的问题，本发明采用了创新手段：预先将压电陶瓷粘贴在钢筋侧表面，再封装在高强度环氧树脂保护层中。这种封装后的智能钢筋可直接用于混凝土浇筑，无需担心内部损坏问题。

13、(2)本发明提出的智能压电钢筋作为波动法的载体，用于监测钢筋混凝土结构的界面损伤和裂缝。其主要构成包括钢筋和粘贴在侧表面的长条形压电陶瓷，外部覆盖高强度环氧树脂保护层。压电陶瓷沿钢筋主体周向对称布置，确保纯纵向模态导波的激励。所有压电陶瓷具有相同的电极结构和一致的正负电极位置，通过交叉连接实现电学上的并联和力学上的串联。压电陶瓷沿着钢筋主体轴向布置，充分利用了其对钢筋主体轴向导波的能量转换效率。这种设计提高了压电陶瓷片在相同电压下的输出变形量，实现了钢筋混凝土结构中导波的远距离传播。

14、(3)本发明中智能压电钢筋不仅可以作为承担结构荷载的构件，还能作为传感元件引导和记录纵向模态导波，为钢筋混凝土结构的维护和安全提供了高效的解决方案。

15、(4)本发明结构简单、材料经济实惠，制作和安装都十分便捷。它能够像普通结构钢筋一样直接铺设于混凝土中，无需额外保护。同时，它还能兼具传感器和驱动器的功能，能够有效监测钢筋混凝土结构的损伤情况，拥有广阔的市场应用前景。

技术特征：

1.一种用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋，包括钢筋主体；所述钢筋主体上固定设有压电传感器；其特征在于：所述压电传感器包括固定粘贴在钢筋主体上的压电陶瓷；压电陶瓷的表面从内之外依次包裹涂覆有防水涂料层、屏蔽涂料层和环氧树脂层；所述压电陶瓷上连接并引出有屏蔽电缆；所述压电陶瓷为外翻电极式长条形压电陶瓷；所述钢筋主体上设有至少一个用于安装压电传感器的安装部；所述钢筋主体上各安装部处沿钢筋主体的轴线圆周均匀分布有偶数个用于形成激励和传感阵列的压电传感器。

2.根据权利要求1所述的用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋，其特征在于：各安装部处沿钢筋主体的轴线圆周均匀分布有两个或者四个用于形成激励和传感阵列的压电传感器。

3.根据权利要求1或2所述的用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋，其特征在于：各安装部处的压电传感器的屏蔽电缆形成并联的电连接。

4.根据权利要求2所述的用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋，其特征在于：压电传感器的激励和传感阵列为两个或者四个压电传感器沿钢筋主体的轴线圆周分均匀分布。

5.根据权利要求1所述的用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋，其特征在于：所述压电陶瓷为d31型外翻电极式长条形压电陶瓷。

6.一种制备权利要求3所述的用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋的方法，其特征在于包括以下步骤：

技术总结本发明涉及一种用于钢筋混凝土结构健康监测的智能压电钢筋及制备方法，其中智能压电钢筋包括钢筋主体；所述钢筋主体上固定设有压电传感器；所述压电传感器包括固定粘贴在钢筋主体上的压电陶瓷；压电陶瓷的表面从内之外依次包裹涂覆有防水涂料层、屏蔽涂料层和环氧树脂层；所述压电陶瓷上连接并引出有屏蔽电缆；所述压电陶瓷为外翻电极式长条形压电陶瓷；所述钢筋主体上设有至少一个用于安装压电传感器的安装部；所述钢筋主体上各安装部处沿钢筋主体的轴线圆周分布有多个用于形成激励和传感阵列的压电传感器。本发明具备高信号输出能力、与混凝土材料相容性强、无需额外保护措施，并能实时在线监测钢筋混凝土结构内部健康情况。技术研发人员：乔丕忠,廖智威,王翔宇,徐德强受保护的技术使用者：常州中碳建筑产业有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/13