混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置及方法

摘要

本发明公开了混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置及方法，属于混凝土工程隐性缺陷探测技术领域，本申请装置在超声激振器激励行程内，系统刚度对耦合压力产生的力扰动相比于耦合压力本身，可忽略；激励行程自适应装置的韧性和疲劳强度满足4000N耦合压力作用、连续长时间100kHz频率激振时，不脆断；此外，本发明装置是装配式结构，操作简易，布设便捷，收回高效，适于实际工程大范围长度时间跨度的多激励源探测。

权利要求

1.混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置，包括：刚性固定单元（1）、半柔性支撑单元（2）和刚性加载单元（3），其特征在于：所述刚性固定单元（1）与被激励对象之间通过固化的粘接剂粘接连接，所述刚性固定单元（1）上侧与半柔性支撑单元（2）下端螺纹连接，所述半柔性支撑单元（2）上端与刚性加载单元（3）下侧螺纹连接，所述刚性固定单元（1）、半柔性支撑单元（2）和刚性加载单元（3）从下至上依次连接形成由粘接剂、刚性固定单元（1）和刚性加载单元（3）组成的刚性系统，匹配半柔性支撑单元（2）的耦合压力稳定施加的超声热激励行程自适应加载装置，所述激励行程自适应加载装置作用对象为超声激振器；

所述半柔性支撑单元（2）设置为3支半柔性圆柱棒（201），且所述半柔性圆柱棒（201）两端设置有螺纹，且所述半柔性圆柱棒（201）两端头与刚性固定单元（1）的螺栓孔相匹配，所述半柔性圆柱棒（201）长度设置为100 150mm，所述半柔性圆柱棒（201）采用加玻纤维尼龙~PA66加GF30材质制成。

2.根据权利要求1所述的混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置，其特征在于：所述刚性固定单元（1）设置为环形圆柱体，所述刚性固定单元（1）内径设置为激振器直径加上0.3 0.5mm，所述刚性固定单元（1）外径与内径之差为15 20mm；所述刚性固定单元~ ~（1）高度设置在10 20mm，所述刚性固定单元（1）沿环形圆柱体高度方向均匀设置有3个贯穿~的螺栓孔，所述螺栓孔孔径设置为10 15mm；所述刚性固定单元（1）采用7050 T7451铝合金~ ~材质制成。

3.根据权利要求1所述的混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置，其特征在于：所述刚性加载单元（3）包括圆盘法兰（301）、加载杆（302）、自锁环（303）、锁定螺栓（304）和吸能阻尼片（305）；所述圆盘法兰（301）直径与刚性固定单元（1）外径相同，且所述圆盘法兰（301）厚度设置为10 12mm，所述圆盘法兰（301）设置有与刚性固定单元（1）对应位置相匹~配的螺栓孔，所述圆盘法兰（301）中心处设置有直径为10 12mm的贯穿螺栓孔；所述加载杆~（302）直径与圆盘法兰（301）中心孔相匹配，长度120 150mm，加载杆（302）表面设有螺纹，通~过圆盘法兰（301）中心处的螺栓孔与圆盘法兰（301）螺纹连接；所述自锁环（303）为六角棱柱体，内径与加载杆（302）直径相匹配，外径与内径之差为5 8mm，所述自锁环（303）与所述~加载杆（302）下端螺纹连接；所述锁定螺栓（304）为六角棱柱体，内径与半柔性圆柱棒（201）上端直径相匹配，外径与内径之差为5 8mm，所述锁定螺栓（304）与半柔性圆柱棒（201）栓~接；所述吸能阻尼片（305）内径、外径分别与锁定螺栓（304）内径、外径相匹配，厚度为1~

2mm，采用四氟GYZ橡胶材质制成，所述吸能阻尼片（305）置于所述锁定螺栓（304）与所述圆盘法兰（301）之间，吸收振动能量；所述圆盘法兰（301）、加载杆（302）、自锁环（303）和锁定螺栓（304）采用7050‑T7451铝合金材质制成。

4.根据权利要求1所述的混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置，其特征在于：所述粘接剂采用环保型改性环氧树脂HM 120结构粘钢胶。

~

5.一种采用权利要求3所述装置进行的混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、选取待激励构件表面光洁处，利用粘接剂将刚性固定单元（1）固定于构件表面，静置待粘接剂固化；

S2、将半柔性支撑单元（2）逐一通过螺栓孔与刚性固定单元（1）连接，将刚性加载单元（3）中的加载杆（302）与圆盘法兰（301）通过中心螺栓孔连接为一体，将自锁环（303）与加载杆（302）通过螺纹连接，将加载杆（302）、自锁环（303）与圆盘法兰（301）形成的整体通过圆盘法兰（301）中的螺栓孔及锁定螺栓（304）与半柔性支撑单元（2）栓接，将吸能阻尼片（305）置于锁定螺栓（304）与圆盘法兰（301）之间；

S3、将喇叭状超声激振器放入激励行程自适应加载装置中，按拟施加的耦合压力设计值旋转加载杆（302）为激振器施加压力，锁住加载杆（302），接通超声波发生电路驱动激振器激励超声波；

S4、激励结束后，收回激振器，拆除半柔性支撑单元（2）以及刚性加载单元（3），加热刚性固定单元（1）与被激励构件间固化的粘接剂，待粘接剂软化，取回刚性固定单元（1）。

6.根据权利要求5所述的混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载方法，其特征在于：所述S1中粘接剂均匀涂抹在固定单元表面，厚度为0.5 1.0mm；涂抹后静置18 24小时。

~ ~

7.根据权利要求5所述的混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载方法，其特征在于：所述S4中加热粘接剂至80℃以上并持续10s，然后敲击刚性固定单元（1）将其取下。

说明书

混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及混凝土工程隐性缺陷探测技术领域，尤其涉及混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置及方法。

背景技术

[0002] 混凝土工程服役环境下，缺陷从产生到引发结构破坏有一定时间跨度，若能有效识别发育早期的细观缺陷，可将灾变处置水平推前至危害萌芽阶段，从根本上提升工程风
险防控能力。然而，由于细观缺陷存在较强的隐蔽性，探测难度较大。近年来，基于超声激励红外热像法发现混凝土微裂纹，逐渐得到研究，但尚未在工程中广泛运用。其中的重要原因之一是，超声激励时耦合压力的稳定加载装置较为复杂，加载要求苛刻，难以在现场环境中大量配置。

[0003] 当前，超声激励耦合压力加载方法可分为两类：第一类包括气动伺服加载法、人工手持加载法以及加载套法，此类方法易引起耦合压力较大程度波动，影响声能量输出效果；第二类是基于电磁吸力的负反馈控制加载方法，负反馈加载过程要求苛刻，加载装置复杂，不适合现场大范围、多激励源的探测需求。

[0004] 超声激励红外热成像发现混凝土细观缺陷是一项具有重大价值的创新技术，当前，耦合压力的施加仍然是该项技术推广运用的卡脖子环节，现有技术不能满足工程现场
的大范围高效探测要求。

发明内容

[0005] 本发明为解决现有技术具有耦合压力施加装置复杂、过程控制要求苛刻，难以适应工程条件下混凝土构件细观缺陷大范围、多激励源的探测需求，而提出的混凝土细观缺
陷超声热激励行程自适应加载装置及方法。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

[0007] 混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置，包括：刚性固定单元、半柔性支撑单元和刚性加载单元，所述刚性固定单元与被激励对象之间通过固化的粘接剂粘接连接，所述刚性固定单元上侧与半柔性支撑单元下端螺纹连接，所述半柔性支撑单元上端与
加载单元下侧螺纹连接，所述刚性固定单元、半柔性支撑单元和刚性加载单元从下至上依
次连接形成由粘接剂、刚性固定单元和刚性加载单元组成的刚性系统，匹配半柔性支撑单
元的耦合压力稳定施加的超声热激励行程自适应加载装置，所述激励行程自适应加载装置
作用对象为超声激振器。

[0008] 优选地，所述刚性固定单元设置为环形圆柱体，所述刚性固定单元内径设置为激振器直径加上0.3 0.5mm，所述刚性固定单元外径与内径之差为15 20mm，所述刚性固定单
~ ~
元高度10 20mm；所述刚性固定单元沿环形圆柱体高度方向均匀设置有3个贯穿的螺栓孔，
~
所述螺栓孔孔径设置为10 15mm；所述刚性固定单元采用7050‑T7451铝合金材质制成。
~

[0009] 优选地，所述半柔性支撑单元设置为3支半柔性圆柱棒，且所述半柔性圆柱棒两端设置有螺纹，且所述半柔性圆柱棒两端头与刚性固定单元的螺栓孔相匹配，所述半柔性圆
柱棒长度设置为100 150mm，所述半柔性圆柱棒采用加玻纤维尼龙PA66加GF30材质制成。
~

[0010] 优选地，所述刚性加载单元包括圆盘法兰、加载杆、自锁环、锁定螺栓和吸能阻尼片；所述圆盘法兰直径与刚性固定单元外径相同，且所述圆盘法兰厚度设置为10 12mm，所~述圆盘法兰设置有与刚性固定单元对应位置相匹配的螺栓孔，所述圆盘法兰中心处设置有
直径为10 12mm的贯穿螺栓孔；所述加载杆直径与圆盘法兰中心孔相匹配，长度120 150mm，~ ~
加载杆表面设有螺纹，通过圆盘法兰中心处的螺栓孔与圆盘法兰螺纹连接；所述自锁环为
六角棱柱体，内径与加载杆直径相匹配，外径与内径之差为5 8mm，所述自锁环与所述加载~
杆下端螺纹连接；所述锁定螺栓为六角棱柱体，内径与半柔性圆柱棒上端直径相匹配，外径与内径之差为5 8mm，所述锁定螺栓与半柔性圆柱棒栓接；所述吸能阻尼片内径、外径分别~
与锁定螺栓内径、外径相匹配，厚度为1 2mm，采用四氟GYZ橡胶材质制成，所述吸能阻尼片~
置于所述锁定螺栓与所述圆盘法兰之间，吸收振动能量；所述圆盘法兰、加载杆、自锁环和锁定螺栓采用7050‑T7451铝合金材质制成。

[0011] 优选地，所述粘接剂采用环保型改性环氧树脂HM 120结构粘钢胶。~

[0012] 混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载方法，应用于混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置，包括以下步骤：

[0013] S1、选取待激励构件表面光洁处，利用粘接剂将刚性固定单元粘结于构件表面，静置待粘接剂固化；

[0014] S2、将半柔性支撑单元逐一通过螺栓孔与刚性固定单元连接，将刚性加载单元中的加载杆与圆盘法兰通过中心螺栓孔连接为一体，将自锁环与加载杆通过螺纹连接，将加
载杆、自锁环与圆盘法兰形成的整体通过圆盘法兰中的螺栓孔及锁定螺栓与半柔性支撑单
元栓接，将吸能阻尼片置于锁定螺栓与圆盘法兰之间；

[0015] S3、将喇叭状超声激振器放入激励行程自适应加载装置中，按耦合压力设计值旋转加载杆为激振器施加压力，锁住加载杆，接通超声波发生电路驱动激振器激励超声波；

[0016] S4、激励结束后，收回激振器，拆除半柔性支撑单元以及刚性加载单元，加热刚性固定单元与被激励构件间固化的粘接剂，待粘接剂软化，取回刚性固定单元。

[0017] 优选地，所述S1中粘接剂均匀涂抹在固定单元表面，厚度为0.5 1.0mm；涂抹后静~
置18 24小时。
~

[0018] 优选地，所述S4中加热粘接剂至80℃以上并持续10s，然后敲击刚性固定单元将其取下。

[0019] 与现有技术相比，本发明提供了混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置及方法，具备以下有益效果：

[0020] 1.本发明的有益效果是：本发明装置在超声激振器激励行程内，装置系统刚度对耦合压力产生的力扰动相比于耦合压力本身，可忽略；激励行程自适应装置的韧性和疲劳
强度满足4000N耦合压力作用下、连续长时间100kHz频率激振时，不脆断；此外，本发明装置是装配式结构，操作简易，布设便捷，收回高效，适于工程实际大范围长度时间跨度的多激励源探测。

附图说明

[0021] 图1为本发明提出的混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置及方法的激励行程自适应加载装置爆炸图；

[0022] 图2为本发明提出的混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置及方法的半柔性支撑单元立体图；

[0023] 图3为压力钳与本发明提出的激励行程自适应加载装置加载激励效果对比图，其中（a）压力钳加载激励图，（b）激励行程自适应装置加载激励；

[0024] 图4为本发明提出的混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置及方法的激励行程自适应加载装置组合立体图。

[0025] 附图标号：

[0026] 1、刚性固定单元；2、半柔性支撑单元；3、刚性加载单元；201、半柔性圆柱棒；301、圆盘法兰；302、加载杆；303、自锁环；304、锁定螺栓；305、吸能阻尼片。

具体实施方式

[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0028] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0029] 实施例1：

[0030] 混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置，包括：刚性固定单元1、半柔性支撑单元2和刚性加载单元3，刚性固定单元1与被激励对象之间通过固化的粘接剂粘接连
接，刚性固定单元1上侧与半柔性支撑单元2下端螺纹连接，半柔性支撑单元2上端与加载单元3下侧螺纹连接，刚性固定单元1、半柔性支撑单元2和刚性加载单元3从下至上依次连接
形成由粘接剂、刚性固定单元1和刚性加载单元3组成的刚性系统，匹配半柔性支撑单元2的耦合压力稳定施加的超声热激励行程自适应加载装置，激励行程自适应加载装置作用对象
为超声激振器。

[0031] 刚性固定单元1设置为环形圆柱体，刚性固定单元1内径设置为激振器直径加上0.3 0.5mm，刚性固定单元1外径与内径之差为15 20mm；刚性固定单元1高度设置在10
~ ~ ~
20mm，刚性固定单元1沿环形圆柱体高度方向均匀设置有3个贯穿的螺栓孔，螺栓孔孔径设
置为10 15mm；刚性固定单元1采用7050‑T7451铝合金材质制成。
~

[0032] 半柔性支撑单元2设置为3支半柔性圆柱棒201，且半柔性圆柱棒201两端设置有螺纹，且半柔性圆柱棒201两端头与刚性固定单元1的螺栓孔相匹配，半柔性圆柱棒201长度设置为100 150mm，半柔性圆柱棒201采用加玻纤维尼龙PA66加GF30材质制成。
~

[0033] 刚性加载单元3包括圆盘法兰301、加载杆302、自锁环303、锁定螺栓304和吸能阻尼片305；圆盘法兰301直径与刚性固定单元1外径相同，且圆盘法兰301厚度设置为10
~
12mm，圆盘法兰301设置有与刚性固定单元1对应位置相匹配的螺栓孔，圆盘法兰301中心处设置有直径为10 12mm的贯穿螺栓孔；加载杆302直径与圆盘法兰301中心孔相匹配，长度
~
120 150mm，加载杆302表面设有螺纹，通过圆盘法兰301中心处的螺栓孔与圆盘法兰301螺
~
纹连接；自锁环303为六角棱柱体，内径与加载杆302直径相匹配，外径与内径之差为5 8mm，~
自锁环303与加载杆302下端螺纹连接；锁定螺栓304为六角棱柱体，内径与半柔性圆柱棒
201上端直径相匹配，外径与内径之差为5 8mm，锁定螺栓304与半柔性圆柱棒201栓接；吸能~
阻尼片305内径、外径分别与锁定螺栓304内径、外径相匹配，厚度为1 2mm，采用四氟GYZ橡~
胶材质制成，吸能阻尼片305置于锁定螺栓304与圆盘法兰301之间，吸收振动能量；圆盘法兰301、加载杆302、自锁环303和锁定螺栓304采用7050‑T7451铝合金材质制成。

[0034] 粘接剂采用环保型改性环氧树脂HM 120结构粘钢胶。~

[0035] 混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载方法，应用于混凝土细观缺陷超声热激励行程自适应加载装置，包括以下步骤：

[0036] S1、选取待激励构件表面光洁处，利用粘接剂将刚性固定单元1固定于构件表面，静置待粘接剂固化；

[0037] S2、将半柔性支撑单元2逐一通过螺栓孔与刚性固定单元1连接，将刚性加载单元3中的加载杆302与圆盘法兰301通过中心螺栓孔连接为一体，将自锁环303与加载杆302通过
螺纹连接，将加载杆302、自锁环303与圆盘法兰301形成的整体通过圆盘法兰301中的螺栓
孔及螺栓与半柔性支撑单元2栓接，将吸能阻尼片置于螺栓与圆盘法兰之间；

[0038] S3、将喇叭状超声激振器放入激励行程自适应加载装置中，按拟施加的耦合压力设计值旋转加载杆302为激振器施加压力，锁住加载杆302，接通超声波发生电路驱动激振
器激励超声波；

[0039] S4、激励结束后，收回激振器，拆除半柔性支撑单元2以及刚性加载单元3，加热刚性固定单元1与被激励构件间固化的粘接剂，待粘接剂软化，取回刚性固定单元1。

[0040] 进一步，优选地，S1中粘接剂均匀涂抹在固定单元表面，厚度为0.5 1.0mm；涂抹后~静置18 24小时。
~

[0041] 进一步，优选地，S4中加热粘接剂至80℃以上并持续10s，然后敲击刚性固定单元1将其取下。

[0042] 实施例2：基于实施例1，但又有所不同的是：

[0043] 参考图3，应用实施例1中的方法进行使用，430mm×400mm×100mm的混凝土试块中部经楔入劈拉产生了横向裂缝，但裂缝并没有沿横向完全贯穿试块，裂缝张口宽度为0.01
~
0.38mm。依次使用压力钳及激振行程自适应加载装置对额定功率50W的40kHz超声换能器施
加1500N耦合压力，接通超声电路激振混凝土试样10s，捕捉热像图，如图3。

[0044] 从图3中可知，两种加载方式下热像图中裂纹处均被激励出了肉眼可辨的温升：图3（a）中可辨裂纹处温升与周围混凝土温升的差异主要集中在0.3 0.4℃，最高温升约0.7
~
℃；而图3（b）中大量裂纹处比周围混凝土温增高出0.6 1.0℃，最高温升约1.2℃。激振行程~
自适应装置加载激励时，将压力钳激励中隐现的隐裂纹段激励出了较显著的温升，甚至在
部分片段处激励出了显著温升；总体上，激振行程自适应装置加载热激励出的显著温升裂
纹段比压力钳的更多，且温升普遍高0.5℃以上。

[0045] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。