CN111521136B - 一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程结构无损检测技术领域，提出了一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法及检测装置。首先，在完好区域检测获得水平剪切波在混凝土中的传播速度；其次，在裂缝处检测获得裂缝端衍射后的初至波走时；接着，结合测得的波速、传感器距发射端的水平距离及裂缝衍射后的初至波走时计算裂缝深度。开发的设备的接收端具有多个传感器能够同时接受同一波源端发射但是经过不同传播路径的多个信号，利用一次检测的多个信号计算裂缝深度的平均值作为一次检测的最优估计值。发展混凝土裂缝深度的精确无损检测方法，对于定量化评估混凝土病害和确保结构的使用安全具有重要的工程意义。

Description

一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法及 检测装置

技术领域

本发明属于土木工程结构无损检测技术领域，提出了一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法及检测装置。

背景技术

混凝土收缩、应力作用、碱骨料反应及养护不当等都会导致混凝土开裂，裂缝是在役钢筋混凝土结构常见的一种病害。裂缝的发展会加速混凝土内部钢筋的腐蚀，导致结构承载力和耐久性的降低，最终威胁结构的使用安全。虽然混凝土裂缝的开口在混凝土表面是可见的，但是开口往往很小，无法直接测量裂缝深度。在裂缝处钻孔取样的方法虽然能精确测量裂缝深度，但是会给结构造成一定程度的损伤。因此，发展混凝土裂缝深度的无损检测方法，对于定量化评估混凝土病害和确保结构的使用安全具有重要的工程意义。

研究表明，虽然现有的混凝土裂缝深度无损检测方法可以检测裂缝，但是检测的精度往往较低，而且在裂缝较深时通常无法检测。导致现有方法局限性的主要原因是现有的方法是基于压缩波在裂缝端部的衍射现象检测裂缝，而压缩波在混凝土内部传播时衰减快，且压缩波在裂缝端部衍射后会发生波形转化产生其他类型的波进一步降低了检测信号的信噪比。而且现有的方法采用单传感器的方式，往往需要多次测量才能给出深度估计，检测速度慢无法实现实时检测。本发明首次发现了水平剪切波具有在带裂缝混凝土内部传播时衰减率低且在裂缝端衍射后不会发生波形转换的优点。开发基于水平剪切波的混凝土裂缝检测设备，在设备接触带裂缝区域时能实时给出检测结果，成为本发明需要解决的问题。

发明内容

本发明旨在基于发现的水平剪切波在带裂缝混凝土内部传播时信噪比高的特点，提出混凝土裂缝深度检测方法并发明相应的检测装置。具体技术方案如下：首先，利用希尔伯特变换处理板底反射波和裂缝处衍射波以获得反射波和衍射波的绝对幅值信息；其次，从波的绝对幅值中提取反射波和衍射波走时，并利用不同距离的多个传感器获得不同传播路径的波走时和传感器距离的关系；接着，结合板底反射波的走时和深度的函数关系计算出波在混凝土中的传播速度，结合波的传播速度和裂缝处衍射波的走时计算裂缝深度；最后，集成上述理论开发基于水平剪切波衍射的裂缝深度检测设备，设备包括波源发射端、传感器接收端、信号采集芯片、CPU处理器、控制面板、数据存储及显示屏。

本发明的技术方案：

一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测装置，包括主机1、脉冲输出控制2、波源发射端3、传感器接收端4、数据采集芯片5、I/O接口6、CPU处理器7、控制面板8、显示屏9和数据存储盘10；检测装置通过主机1集成所有组成部分；脉冲输出控制2输出指定的脉冲波到波源发射端3，波源发射端3与检测混凝土表面耦合接触将脉冲波发射到混凝中，传感器接收端4接收得到波源发射端3发射的且穿过混凝土裂缝区域的信号，数据采集芯片5利用指定采样频率采集传感器接收端4接收到的信号，I/O接口6将采集到的信号传输给CPU处理器7，CPU处理器7按照控制面板8设定的参数进行计算分析，计算结果传递给显示屏9并在数据存储盘10中保存。

一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法，步骤如下：

步骤一：获取水平剪切波的绝对幅值信息

令u(t)为从裂缝一侧的波源发射后经过裂缝端衍射在裂缝另一侧被传感器记录到的实信号，v(t)为它的Hilbert变换，在信号处理中，称之为实信号的投影。

Hilbert变换定义为：

Hilbert变换的作用相当于在没有改变原信号的振幅和频率的情况下，将其相位平移了

这样将实信号及其投影写成实部加上虚部的复合函数形式：

Y(t)＝u(t)+i·v(t)

根据欧拉公式e^iθ(t)＝cosθ(t)+i·sinθ(t)，Y(t)可以写成：

Y(t)＝|A(t)|e^iθ(t)

其中，|A(t)|为实信号幅值。因此，对于任一个波动信号，可以得到它所对应的振幅：

步骤二：提取波走时并建立波走时和传感器距离的关系

从波的振幅中提取波走时，也就是波动信号开始出现非零的点对应的传播时间(T)，并利用不同距离(x₁,x₂,…,x_n)的n个传感器获得不同传播路径的波走时(T₁,T₂,…,T_n),建立波走时和传感器距离的关系(x-T)。

步骤三：获取水平剪切波在混凝土中的传播速度

在混凝土无裂缝的完好区域获取板底反射波的走时和传感器距离的关系(x-T)，根据x-T关系的斜率获得水平剪切波在混凝土中的传播速度：

式中，H完好区域板厚，x_i为传感器距离，ΔT_i为第i个传感器记录到板底反射后的反射波走时。

再将所有传感器获得的波速估计值取平均作为混凝土波速的最优估计值：

步骤四：结合裂缝端衍射后的衍射波走时和裂缝深度的函数关系计算出裂缝深度

根据第i个传感器记录到的衍射波走时和裂缝深度的关系可计算出裂缝深度：

式中，V水平剪切波在被检测混凝土中的传播速度，T_i为第i个传感器记录到裂缝端衍射后的衍射波走时，x_i为传感器距离波源的水平距离。再将所有传感器获得的深度估计值取平均作为裂缝深度的最优估计值：

本发明的有益效果：基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法，利用了水平剪切波衰减率低和衍射后不会发生波形转换的优点，由于检测信号信噪比高，对提升在役钢筋混凝土结构裂缝深度的检测精度具有重要价值。

附图说明

图1是本发明检测方法的流程图；

图2是本发明检测装置的连接图；

图3是本发明检测装置的结构示意图；

图4是混凝土完好区域的板底反射波；

图5是混凝土完好区域反射波的绝对幅值；

图6是混凝土裂缝区域的裂缝衍射波；

图7是混凝土完好区域衍射波的绝对幅值；

图中：1主机；2脉冲输出控制；3波源发射端；4传感器接收端；5数据采集芯片；6 I/O接口；7 CPU处理器；8控制面板；9显示屏；10数据存储盘。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

采用一块带裂缝的混凝土桥板上的检测数据以验证本方法的有效性，裂缝真实深度为94毫米。

具体实施方式如下：

(1)选取混凝土桥板上的完好区域，利用本发明装置(图3)进行检测，检测时需保证设备的波源发射端和传感器接收端接触良好，获取混凝土完好区域的板底反射波(见图4)，利用Hilbert变换获取波的绝对幅值信息(见图5)，从绝对幅值信息中提取反射波走时，也就是反射波动信号开始出现非零的点对应的传播时间(见图5)，并利用不同距离多个传感器获得不同传播路径的反射波走时，建立反射波走时和传感器距离的关系以计算波在混凝土中的传播速度。

(2)选取带裂缝区域，调整装置位置使得裂缝位于在发射端和接收端之间(图2)，利用本发明的设备进行检测，检测时需保证设备的波源发射端和传感器接收端接触良好，获取混凝土带裂缝区域的衍射波(见图6)，利用Hilbert变换获取衍射波的绝对幅值信息(见图7)，从绝对幅值信息中提取衍射波走时(见图7)，并利用不同距离多个传感器获得不同传播路径的衍射波走时，建立各个传感器衍射波走时和传感器距离的关系并结合波在混凝土中的传播速度计算出裂缝深度，再将所有传感器获得的深度估计值取平均作为裂缝深度的最优估计值；

(3)检测估计的裂缝深度为96.5毫米，对比检测估计的裂缝深度和实际裂缝深度表明，本发明的检测精确度达到96.5％。

Claims (1)

1.一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法，其特征在于，该方法基于一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测装置实现，所述装置包括主机(1)、脉冲输出控制(2)、波源发射端(3)、传感器接收端(4)、数据采集芯片(5)、I/O接口(6)、CPU处理器(7)、控制面板(8)、显示屏(9)和数据存储盘(10)；检测装置通过主机(1)集成所有组成部分；脉冲输出控制(2)输出指定的脉冲波到波源发射端(3)，波源发射端(3)与检测混凝土表面耦合接触将脉冲波发射到混凝中，传感器接收端(4)接收得到波源发射端(3)发射的且穿过混凝土裂缝区域的信号，数据采集芯片(5)利用指定采样频率采集传感器接收端(4)接收到的信号，I/O接口(6)将采集到的信号传输给CPU处理器(7)，CPU处理器(7)按照控制面板(8)设定的参数进行计算分析，计算结果传递给显示屏(9)并在数据存储盘(10)中保存；

所述的方法具体包含如下步骤：

步骤一：获取水平剪切波的绝对幅值信息

令u(t)为从裂缝一侧的波源发射后经过裂缝端衍射在裂缝另一侧被传感器记录到的实信号，v(t)为它的Hilbert变换，在信号处理中，称之为实信号的投影；Hilbert变换定义为：

Hilbert变换的作用相当于在没有改变原信号的振幅和频率的情况下，将其相位平移了

这样将实信号及其投影写成实部加上虚部的复合函数形式：

Y(t)＝u(t)+i·v(t)

根据欧拉公式e^iθ(t)＝cosθ(t)+i·sinθ(t)，Y(t)写成：

Y(t)＝|A(t)|e^iθ(t)

其中，|A(t)|为实信号幅值；因此，对于任一个波动信号，得到它所对应的振幅：

步骤二：提取波走时并建立波走时和传感器距离的关系

从波的振幅中提取波走时，也就是波动信号开始出现非零的点对应的传播时间T，并利用不同距离x₁,x₂,…,x_n的n个传感器获得不同传播路径的初至波走时T₁,T₂,…,T_n,建立波走时和传感器距离的关系x-T；

步骤三：获取水平剪切波在混凝土中的传播速度

在混凝土无裂缝的完好区域获取板底反射波走时和传感器距离的关系x-T，根据x-T关系获得水平剪切波在混凝土中的传播速度：

式中，H为完好区域板厚，x_i为传感器距离，ΔT_i为第i个传感器记录到板底反射后的反射波走时；

再将所有传感器获得的波速估计值取平均作为水平剪切波在被检测混凝土中传播速度的最优估计值：

步骤四：结合裂缝端衍射后的衍射波走时和裂缝深度的函数关系计算出裂缝深度

根据第i个传感器记录到的衍射波走时和裂缝深度的关系可计算出裂缝深度：

式中，V为水平剪切波在被检测混凝土中传播速度的最优估计值，T_i为第i个传感器记录到裂缝端衍射后的初至波走时，x_i为第i个传感器距离波源的水平距离；再将所有传感器获得的深度估计值取平均作为裂缝深度的最优估计值：

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