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月建筑材料學報J0URNALOFBUILDINGMATER]【ALSVo118，No4Aug。2015文章編號：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(1大連理工大學土木工程學院，遼寧大連116024；2青島北洋建筑設計有限公司，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鎳粉

2、水泥基傳感器與其周圍混凝土應力／應變協(xié)調性的影響，進而對該傳感器的制作參數(shù)進行了優(yōu)化，并對優(yōu)化傳感器埋入混凝土后其自身及周圍混凝土的受力狀態(tài)進行了分析結果表明：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)，其與周圍混凝土的應力差別較大，應變基本協(xié)調，將其應用于混凝土結構健康監(jiān)測時需對測試結果進行修正關鍵詞：鎳粉水泥基傳感器；應變協(xié)

3、調；制作參數(shù)；受力狀態(tài)；數(shù)值計算中圖分類號：TB381文獻標志碼：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，其內部微觀結構發(fā)生變化，會導致其電學

9、性能發(fā)生有規(guī)律的變化因此，可通過測試自感知水泥基材料的電學性能變化來對混凝土結構的應力／應變、裂縫或損傷進行監(jiān)測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基金項目：教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET一11—0798)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAK02B01)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(DUT15LK09)第一作者；王云洋(1986一)，男，

10、湖南常德人，大連理工大學博士生Email：hnlingdingyang~163corn通信作者：韓寶國(1976一)，男，黑龍江勃利人，大連理工大學教授，博士生導師，博士hithanbaoguo@163com學兔兔www.xuetutu.com548建筑材料學報第18卷Sensorheight／mm(a)Averagestrainofthesensors專耄罷重毫壹SensorheighfmmAveragestrainoftheconc

11、retewhichsurfot111osthesensors圖2不同尺寸傳感器及其周圍混凝土的平均應變Fig2Averagestrainsofsensorswithdifferentsizesandthesurroundingconcrete圖3為不同尺寸傳感器的應變相對差由圖3(a)可見，當傳感器截面寬度一定時，隨高度增大，應變相對差1逐漸減小當傳感器高度一定時，隨截Sensorheight／mm(a)△坤h1面寬度增大，應變相對差1

12、逐漸增大由圖3(b)可見，應變相對差2隨截面寬度和傳感器高度變化的規(guī)律與應變相對差1相同Sensorheight／mm(b)△s刪“2圖3不同尺寸傳感器的應變相對差Fig3Strainrelativedifferencesofsensorswithdifferentsizes根據(jù)圖2，3，要使傳感器的應變相對差較小，應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，傳感器的線剛度會減小，且容易產生較大的附加偏心，從而導致脆性破壞

13、參考GB／T500812002((普通混凝土力學性能試驗方法標準》，高寬比取2尺寸較大的傳感器會影響結構／構件的工作性能，而尺寸較小的傳感器制作和布設難度會加大綜上所述，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，傳感器的平均應變也不同本文選取6種電壓電極間距(5，1O，15，2O，25，30ram)來分析傳感器與混凝土的應變協(xié)調程度圖4為不同電壓電極間距下傳感器及其周圍

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