基于电容-漏磁双模式传感技术的预应力管道结构质量检测方法研究

Prestressed pipe which consists of concrete and prestressed reinforcement, is the dominant component in the construction of large and medium span bridges in china. The grouting quality is not only related to the basic stress support of the bridge, but also provides the anti-corrosion protection for the prestressed tendon. The state of prestressed tendons damage and defect directly affect the safety and service life of the whole structure. Therefore, it is of great academic significance and engineering application value to study the quality inspection method of in-service prestressed pipe. In this project, a new method based on the integration of electric and magnetic sensing technique is proposed to evaluate the quality of prestressed concrete pipeline and the damage inspection of prestressed tendons, simultaneously. The main research contents are as follows, the nonlinear electric field distribution of the coplanar capacitive sensor changes with different multiphase flow modes, the mathematical model of the nonlinear electric field distribution is studied. The detection and localization mechanism of the interface of multi phase flow, especially the conductive liquid and slurry, is revealed. The mathematical model of the nonlinear electric field distribution is established with the introduction of curvature factor. The factors affecting the location of multiphase flow interface is analyzed, such as capacitive and leakage magnetic sensors, and optimization design and integration of the sensors. The accuracy and sensitivity of the sensor is determined. The damage signal of the prestressed tendon is analyzed, and the feature extraction and damage calibration are processed. The research results of this project can provide technical support for the quality inspection of in-service prestressed pipeline.

预应力管道主要构成包括预应力筋与灌浆体，该技术在我国大中跨径桥梁建设中占据主导地位。其中，预应力筋的损伤状态直接影响桥梁整体结构的运行安全和使用寿命，而灌浆质量同样关系到桥梁的基本应力支撑，也为预应力筋提供防腐保护。因此，对于预应力管道预应力筋损伤及灌浆质量检测的方法研究具有重要的学术意义与工程应用价值。本项目提出一种基于电-磁双模式传感技术的可同步检测灌浆质量及预应力筋损伤的方法。主要研究内容有：建立引入曲率因子后的非线性电场分布数学模型，对因极间多相流分布差异引起的场分布变化进行合理的数学描述；揭示弱导电液体与泥浆界面及预应力筋截面分布的检测定位机理。在此基础上，研究漏磁信号特征参量的提取及预应力筋损伤表征方法，完成电容-漏磁传感器双模优化设计与集成，最终提出一种预应力管道结构质量综合评价方法，针对灌浆质量以及预应力筋损伤状况进行有效的健康评价，为预应力管道结构质量检测提供技术支持。

预应力管道主要构成包括预应力筋与灌浆体，该技术在我国大中跨径桥梁建设中占据主导地位。其中，预应力筋的损伤状态直接影响桥梁整体结构的运行安全和使用寿命，而灌浆质量同样关系到桥梁的基本应力支撑，也为预应力筋提供防腐保护。因此，对于预应力管道预应力筋损伤及灌浆质量检测的方法研究具有重要的学术意义与工程应用价值。本项目的主要研究内容包括建立引入曲率因子后的非线性电场分布数学模型，对因极间多相流分布差异引起的场分布变化进行合理的数学描述；揭示弱导电液体与泥浆界面及预应力筋截面分布的检测定位机理；研究漏磁信号特征参量的提取及预应力筋损伤表征方法，完成电容-漏磁传感器双模优化设计与集成；提出了一种预应力管道结构质量综合评价方法，针对灌浆质量以及预应力筋损伤状况进行有效的健康评价，为预应力管道结构质量检测提供技术支持。研究结果表明：1）电容感测理论模型与实测结果间存在较明显差异性。原因在于与理论等效电路相比，实际等效电路包含了漏电阻（混凝土化学反应引起）和寄生电容（屏蔽层及传输线引起）的影响；2）传感器结构设计能够实质性提升检测结果的可靠性与准确性，三极板共曲面电容传感器能够实现高灵敏度且克服非对称结构引起的数据不对称问题，但需要注意的是，预应力筋截面的径向位置存在无效测量区域，即死区；3）在相同的内径提离距离下，漏磁信号横向分量和纵向分量随着缺陷深度的增加而增加；对于深度相同的缺陷，漏磁信号横向分量和纵向分量的峰值都随着内径提离距离的增加而减弱；此外漏磁信号的峰值强度随着激励信号强度的增加而增加，激励信号强度的增加并不能改变传感器漏磁模块的最大检测范围，漏磁信号横向分量的峰值信号优于纵向分量的峰值信号；4）四种电容-漏磁双模传感器结构对于不同预应力筋的检测效果各有优劣，需要进一步完善结构设计，以保证能够根据不同检测对象实现结构转换。