埋入混凝土的自感知水泥基傳感器受力分析

1、第18卷第4期2015年8月建筑材料學(xué)報(bào)J0URNALOFBUILDINGMATER]【ALSVo118，No4Aug。2015文章編號(hào)：1OO7—9629(2O15)O4—0546—08埋入混凝土的自感知水泥基傳感器受力分析王云洋，薛常喜。，丁思齊，張晨宇，韓寶國(guó)(1大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連116024；2青島北洋建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東青島266000)摘要：采用有限元軟件ANSYS分析了尺寸、電壓電極間距和表面粗糙度對(duì)鎳粉

2、水泥基傳感器與其周?chē)炷翍?yīng)力／應(yīng)變協(xié)調(diào)性的影響，進(jìn)而對(duì)該傳感器的制作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化傳感器埋入混凝土后其自身及周?chē)炷恋氖芰顟B(tài)進(jìn)行了分析結(jié)果表明：鎳粉水泥基傳感器的合適尺寸為20mm20mm40mm，電壓電極間距為5mm，并盡量使其表面粗糙；鎳粉水泥基傳感器埋入混凝土中的受力狀態(tài)近似于單軸受力狀態(tài)，其與周?chē)炷恋膽?yīng)力差別較大，應(yīng)變基本協(xié)調(diào)，將其應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)時(shí)需對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正關(guān)鍵詞：鎳粉水泥基傳感器；應(yīng)變協(xié)

3、調(diào)；制作參數(shù)；受力狀態(tài)；數(shù)值計(jì)算中圖分類(lèi)號(hào)：TB381文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：103969／jissn1007—9629201504003ForceAnalysisofSelfsensingCement—BasedSensorsEmbeddedinConcreteWANGYunyang，XUEChangxi，DINGSiqi，ZHANGChenyu，HANBaoguo(1SchoolofCivilEngineering，DalianUni

4、versityofTechnology，Dalian116024，China；2QingdaoBeiyangDesignGroupCo，Ltd，Qingdao266000，China)Abstract：Inordertooptimizetheparametersofthenickelpowder—filledcementbasedsensors。effectofsize，electrodeseparationandsurfaceroug

5、hnessofsensorsonstress／straincompatibilitybetweensensorsandtheirsurroundingconcretewasinvestigatedwithfiniteelementsoftwareANSYSThestressstatesoftheoptimizednickelpowder——filledcement—basedsensorsandtheirsurroundingconcr

6、etewasanalyzedwhenthesensorsembeddedinconcreteTheresultsshowthatthesuitablesizeandelectrodeseparationofthesensorsare20mmX20mm40mmand5mmrespectivelyThesurfaceofsensorsshouldbeasroughaspossibleThesensorsarenearlysubjectedt

7、oauniaxialstressstatewhentheyareembeddedinconcreteThestressesofthesensorsandtheirsurroundingconcretearequitedifferent，Asthestrainiscompatible，thetestingresultsofsensorsneedtobemodifiedforensuringtestaccuracywhenthesensor

8、sareusedforhealthmonitoringofconcretestructuresKeywords：nickelpowder—filledcement—basedsensor；straincompatibility；makingparameter；stressstates；numericalsire1Iiation自感知水泥基材料是在普通水泥基體材料中添加功能組分制備而成，在外力的作用下，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致其電學(xué)

9、性能發(fā)生有規(guī)律的變化因此，可通過(guò)測(cè)試自感知水泥基材料的電學(xué)性能變化來(lái)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力／應(yīng)變、裂縫或損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)引由于自感知水泥基材料與混凝土有著天然收稿日期：2013—12—24；修訂日期：2014—06—30基金項(xiàng)目：教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(NCET一11—0798)；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAK02B01)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DUT15LK09)第一作者；王云洋(1986一)，男，

10、湖南常德人，大連理工大學(xué)博士生Email：hnlingdingyang~163corn通信作者：韓寶國(guó)(1976一)，男，黑龍江勃利人，大連理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士hithanbaoguo@163com學(xué)兔兔www.xuetutu.com548建筑材料學(xué)報(bào)第18卷Sensorheight／mm(a)Averagestrainofthesensors專(zhuān)耄罷重毫壹SensorheighfmmAveragestrainoftheconc

11、retewhichsurfot111osthesensors圖2不同尺寸傳感器及其周?chē)炷恋钠骄鶓?yīng)變Fig2Averagestrainsofsensorswithdifferentsizesandthesurroundingconcrete圖3為不同尺寸傳感器的應(yīng)變相對(duì)差由圖3(a)可見(jiàn)，當(dāng)傳感器截面寬度一定時(shí)，隨高度增大，應(yīng)變相對(duì)差1逐漸減小當(dāng)傳感器高度一定時(shí)，隨截Sensorheight／mm(a)△坤h1面寬度增大，應(yīng)變相對(duì)差1

12、逐漸增大由圖3(b)可見(jiàn)，應(yīng)變相對(duì)差2隨截面寬度和傳感器高度變化的規(guī)律與應(yīng)變相對(duì)差1相同Sensorheight／mm(b)△s刪“2圖3不同尺寸傳感器的應(yīng)變相對(duì)差Fig3Strainrelativedifferencesofsensorswithdifferentsizes根據(jù)圖2，3，要使傳感器的應(yīng)變相對(duì)差較小，應(yīng)盡量增加傳感器的高度，減小其寬度但隨著傳感器高寬比增大，傳感器的線剛度會(huì)減小，且容易產(chǎn)生較大的附加偏心，從而導(dǎo)致脆性破壞

13、參考GB／T500812002((普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，高寬比取2尺寸較大的傳感器會(huì)影響結(jié)構(gòu)／構(gòu)件的工作性能，而尺寸較小的傳感器制作和布設(shè)難度會(huì)加大綜上所述，傳感器的尺寸宜為20mm20mm40mm212傳感器的電壓電極間距確定傳感器電極為四電極布置電壓電極間距不同，傳感器的平均應(yīng)變也不同本文選取6種電壓電極間距(5，1O，15，2O，25，30ram)來(lái)分析傳感器與混凝土的應(yīng)變協(xié)調(diào)程度圖4為不同電壓電極間距下傳感器及其周?chē)?/p>

14、混凝土的平均應(yīng)變由圖4可見(jiàn)，傳感器的平均應(yīng)變略大于其周?chē)炷恋钠骄鶓?yīng)變，而后者的平均應(yīng)變略大于未埋入傳感器時(shí)相同位置的混凝土的平均應(yīng)變(一50010)；隨電壓電極間距的減小，傳感器和其周?chē)炷恋钠骄鶓?yīng)變均緩慢減小5lOl52O253OSeparationbetweenvoltageelectrod／mm圖4不同電壓電極間距下傳感器及其周?chē)炷恋钠骄鶓?yīng)變Fig4Averagestrainsofsensorsandconcretewh