一種鋼筋混凝土主梁結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂參數(shù)監(jiān)測(cè)方法與流程

本發(fā)明涉及一種鋼筋混凝土主梁結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂參數(shù)監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于大氣環(huán)境下、近海環(huán)境下以及使用除冰鹽的鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，腐蝕介質(zhì)(氯離子或者二氧化碳)將引發(fā)混凝土中的鋼筋銹蝕，銹蝕產(chǎn)物導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開(kāi)裂、甚至剝落，進(jìn)一步可能引起鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)主梁斷裂等問(wèn)題。為了維持此類(lèi)結(jié)構(gòu)的正常服役功能，需要消耗大量的人力物力進(jìn)行修補(bǔ)。以維持服役橋梁使用功能混凝土結(jié)構(gòu)劣化的主要原因是鋼筋腐蝕和混凝土銹脹裂縫開(kāi)裂。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年用于橋梁維修加固的資金投入達(dá)到數(shù)百億元。歸納起來(lái)主要有如下原因：1)我國(guó)橋梁數(shù)量多；2)橋梁維修管理的主動(dòng)性不夠；3)現(xiàn)有的橋梁使用性能預(yù)測(cè)模型精度不高，這主要由于橋梁銹脹裂縫開(kāi)裂的開(kāi)始時(shí)間、裂縫的寬度與深度監(jiān)測(cè)手段有待于進(jìn)一步完善，為建立可靠的預(yù)測(cè)模型提供有力支持。

目前對(duì)鋼筋混凝土主梁結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂參數(shù)監(jiān)測(cè)手段主要存在下列問(wèn)題：1)對(duì)結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂開(kāi)始時(shí)間的監(jiān)測(cè)不及時(shí)，現(xiàn)有的銹脹裂縫開(kāi)裂開(kāi)始時(shí)間模型主要是基于實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)，對(duì)實(shí)橋的應(yīng)用還有一定的差距；2)銹脹裂縫的寬度監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)，現(xiàn)有的銹脹裂縫寬度模型大部分根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)擬合，實(shí)橋環(huán)境更為復(fù)雜，尚難以完全應(yīng)用到實(shí)橋；3)銹脹裂縫的深度監(jiān)測(cè)方法目前尚無(wú)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種鋼筋混凝土主梁結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂參數(shù)監(jiān)測(cè)方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種鋼筋混凝土主梁結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂參數(shù)監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

1)在主梁結(jié)構(gòu)1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8截面以及主梁結(jié)構(gòu)的兩端各安裝兩個(gè)pzt壓電智能傳感器，對(duì)于任一截面或者主梁結(jié)構(gòu)任一端的兩個(gè)pzt壓電智能傳感器，其中一個(gè)pzt壓電智能傳感器沿著水平縱向安裝，用以記錄混凝土結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂的寬度，另外一個(gè)pzt壓電智能傳感器垂直于水平方向安裝，用以記錄結(jié)構(gòu)銹脹裂縫的深度；

2)基于pzt正壓電效應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系以及混凝土銹脹裂縫開(kāi)裂效應(yīng)力學(xué)原理，建立橢圓形壓電智能骨料與銹脹裂縫開(kāi)裂時(shí)間參數(shù)的力學(xué)模型及變換模型，tcrack＝d水平/vg1+d縱向/vg2+tok，tcrack為銹脹裂縫開(kāi)裂時(shí)間，d水平為pzt壓電智能傳感器攜帶的水平開(kāi)裂信號(hào)，d縱向?yàn)閜zt壓電智能傳感器攜帶的縱向開(kāi)裂信號(hào)，vg1為信號(hào)水平傳播速度，vg2為信號(hào)水平傳播速度；tok為時(shí)間延誤信息，并認(rèn)為橢圓形傳感器主要受軸向力以及軸向力在傳感器極化面上均勻分布，求解橢圓形壓電智能傳感器與混凝土銹脹裂縫開(kāi)裂參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析銹脹裂縫開(kāi)裂特征與傳感器激勵(lì)信號(hào)隨應(yīng)力波頻率的關(guān)系；

3)利用在第2)步中建立的橢圓形壓電智能骨料與銹脹裂縫開(kāi)裂參數(shù)的力學(xué)模型，通過(guò)設(shè)備對(duì)橋梁主梁結(jié)構(gòu)在基準(zhǔn)時(shí)間t0時(shí)的信號(hào)的激勵(lì)和獲取，對(duì)基準(zhǔn)時(shí)刻t0時(shí)的信息進(jìn)行傅里葉變化以及小波技術(shù)處理，記錄新建橋梁在沒(méi)有銹脹裂縫開(kāi)裂時(shí)刻的頻率、振幅參數(shù)信息，并記錄在當(dāng)時(shí)條件下的環(huán)境參數(shù)；

4)利用銹脹裂縫開(kāi)裂時(shí)刻的頻率、振幅參數(shù)信息，通過(guò)信號(hào)標(biāo)定處理，將主梁結(jié)構(gòu)有銹脹裂縫開(kāi)裂時(shí)的橫向應(yīng)力波和縱向應(yīng)力波進(jìn)行降噪處理，結(jié)合溫度、濕度，對(duì)混凝土主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期地、長(zhǎng)期地監(jiān)測(cè)，剔除不穩(wěn)定數(shù)據(jù)，得到混凝土橋梁主梁結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂的開(kāi)始時(shí)間、銹脹裂縫開(kāi)裂的寬度和深度數(shù)據(jù)。

步驟2)中，橢圓形壓電智能傳感器與混凝土銹脹裂縫開(kāi)裂參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系求解過(guò)程包括：

1)橋梁剛建成時(shí)，設(shè)立基準(zhǔn)時(shí)間t0，獲得銹脹裂縫還沒(méi)有發(fā)生時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào)并記錄基準(zhǔn)信號(hào)

2)獲取任意時(shí)間t主梁結(jié)構(gòu)有銹脹裂縫開(kāi)裂時(shí)的橫向應(yīng)力波信號(hào)sti-h和縱向應(yīng)力波信號(hào)sti-z；

3)通過(guò)帶通濾波器，利用時(shí)域卷積和小波變換技術(shù)，進(jìn)行帶有銹脹裂縫開(kāi)裂的橫向應(yīng)力波信號(hào)和縱向應(yīng)力波信號(hào)過(guò)濾，去除噪音的影響；

4)將過(guò)濾后的帶有銹脹裂縫開(kāi)裂的橫向應(yīng)力波信號(hào)和縱向應(yīng)力波信號(hào)分別與無(wú)銹脹裂縫開(kāi)裂時(shí)的橫向應(yīng)力波信號(hào)和縱向應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，校準(zhǔn)帶銹脹裂縫開(kāi)裂信息的橫向應(yīng)力波與縱向應(yīng)力波的傳播速度；

5)將當(dāng)次測(cè)試信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)頻域計(jì)算分析，得到帶有銹脹裂縫開(kāi)裂信息的隨距離變化的橫向應(yīng)力波信號(hào)和縱向應(yīng)力波信號(hào)；

6)對(duì)帶有銹脹裂縫開(kāi)裂信息的橫向應(yīng)力波信號(hào)和縱向應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到殘差信號(hào)，并對(duì)殘差信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變化，對(duì)橫向應(yīng)力波信號(hào)和縱向應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性和歸一化處理；

7)利用相關(guān)性和歸一化處理后的橫向應(yīng)力波信號(hào)和縱向應(yīng)力波信號(hào)，對(duì)主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部任意關(guān)心位置的圖像值進(jìn)行卷積分析，對(duì)上述步驟進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和標(biāo)定，得到相應(yīng)位置的總體圖像信息；利用激勵(lì)器對(duì)總體圖像信息進(jìn)行處理，得到銹脹裂縫開(kāi)裂的圖像以及開(kāi)裂的信息。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明通過(guò)將智能骨料傳感器嵌入混凝土中，將骨料作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)混凝土發(fā)生銹脹裂縫開(kāi)裂以及裂縫擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)力波傳播的信號(hào)發(fā)生變化，與標(biāo)定信號(hào)進(jìn)行比較，利用多重延時(shí)成像技術(shù)，結(jié)合小波變換處理技術(shù)，可以得到銹脹裂縫發(fā)生的時(shí)間以及裂縫擴(kuò)展的寬度和深度。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；施工過(guò)程中嵌入混凝土中，不對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷，與結(jié)構(gòu)和為一體；能夠測(cè)試銹脹裂縫開(kāi)裂的深度，彌補(bǔ)了現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)的不足；結(jié)合現(xiàn)有的損傷識(shí)別技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，提高了測(cè)試的精度和智能化。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明橢圓形pzt智能骨料傳感器示意圖；

圖2為本發(fā)明新建橋梁片主梁結(jié)構(gòu)傳感器的布置圖；

圖3為本發(fā)明測(cè)試信號(hào)連接圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明制作嵌入式橢圓形pzt壓電智能骨料傳感器1，將橢圓形pzt壓電陶瓷傳感器用防水層2和保護(hù)層3包好，在壓電陶瓷傳感器上涂抹一層環(huán)氧樹(shù)脂防水層，用以絕緣和粘結(jié)外包層。在防水層外再包一層與主梁結(jié)構(gòu)同一級(jí)配的混凝土外包層，防止傳感器在結(jié)構(gòu)內(nèi)部被壓碎，起到保護(hù)的作用。

在新建橋梁主梁結(jié)構(gòu)4施工過(guò)程中，綁扎于受力主鋼筋5下表面，以保護(hù)在混凝土澆注過(guò)程中遭受破壞。一片主梁結(jié)構(gòu)分別1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8，7/8截面以及梁的兩端各安裝兩個(gè)傳感器，一個(gè)是沿著水平縱向安裝，用以記錄混凝土結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂的寬度，另外一個(gè)是垂直于水平方向安裝，用以記錄結(jié)構(gòu)銹脹裂縫的深度，同時(shí)將主梁結(jié)構(gòu)分成7個(gè)區(qū)，目的是為了獲取不同方向的銹脹裂縫開(kāi)裂信號(hào)。共計(jì)18個(gè)傳感器，具體的安裝方法見(jiàn)圖2。

建立橢圓形壓電陶瓷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)力學(xué)模型。基于pzt正壓電效應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系以及混凝土銹脹裂縫開(kāi)裂效應(yīng)力學(xué)原理，建立了橢圓形壓電智能骨料力學(xué)模型及變換模型，并認(rèn)為橢圓形傳感器主要受軸向力以及軸向力在傳感器極化面上均勻分布，求解了橢圓形壓電智能傳感器與混凝土銹脹裂縫開(kāi)裂參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析了銹脹裂縫開(kāi)裂特征與傳感器激勵(lì)信號(hào)隨應(yīng)力波頻率的關(guān)系。

橢圓形pzt智能傳感器信號(hào)標(biāo)定以及混凝土橋梁主梁結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中的測(cè)試涉及到的設(shè)備有信號(hào)數(shù)字發(fā)生器6、壓電驅(qū)動(dòng)電源7、數(shù)字示波器8、數(shù)據(jù)終端處理器9，其連接順序見(jiàn)圖3。利用在第3)步中建立的橢圓形壓電智能骨料與銹脹裂縫開(kāi)裂參數(shù)的力學(xué)模型，通過(guò)設(shè)備對(duì)橋梁主梁結(jié)構(gòu)4在基準(zhǔn)時(shí)間t0時(shí)的信號(hào)的激勵(lì)和獲取，經(jīng)過(guò)數(shù)字示波器8，利用數(shù)據(jù)終端處理器9對(duì)基準(zhǔn)時(shí)刻t0時(shí)的信息進(jìn)行傅里葉變化以及小波技術(shù)處理，記錄新建橋梁在沒(méi)有銹脹裂縫開(kāi)裂時(shí)刻時(shí)頻率、振幅等參數(shù)信息，并儲(chǔ)存起來(lái)，并記錄在當(dāng)時(shí)條件下的環(huán)境參數(shù)。

由pzt傳感器與pzt傳感器之間接收的信號(hào)獲取混凝土結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂圖像技術(shù)的主要步驟為：

a)橋梁剛建成，設(shè)立基準(zhǔn)時(shí)間t0，獲得銹脹裂縫還沒(méi)有發(fā)生時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào)并記錄下來(lái)；

b)獲取任意時(shí)間t結(jié)構(gòu)有銹脹裂縫開(kāi)裂時(shí)的橫向應(yīng)力波信號(hào)sti-h和縱向應(yīng)力波信號(hào)sti-z；

c)通過(guò)帶通濾波器，利用時(shí)域卷積和小波變換技術(shù)，進(jìn)行帶有銹脹裂縫開(kāi)裂的橫向應(yīng)力波和縱向應(yīng)力波信息進(jìn)行過(guò)濾，去除噪音的影響；

d)通過(guò)與無(wú)銹脹裂縫開(kāi)裂時(shí)的信號(hào)對(duì)比分析，校準(zhǔn)帶銹脹裂縫開(kāi)裂信息的橫向應(yīng)力波與縱向應(yīng)力波的傳播速度；

e)通過(guò)與基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)比分析，可以計(jì)算得到帶有銹脹裂縫開(kāi)裂信息的隨距離變化的衰減規(guī)律；

f)對(duì)帶有銹脹裂縫開(kāi)裂信息的橫向應(yīng)力波和縱向應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，得到殘差信號(hào)，并對(duì)殘差信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變化，并對(duì)橫向應(yīng)力波信號(hào)和縱向應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性和歸一化處理；

g)計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)部任意關(guān)心位置的圖像值，通過(guò)信號(hào)疊加處理，由于有多個(gè)傳感器和驅(qū)動(dòng)器，信號(hào)會(huì)發(fā)生反射以及衍射，一些反射和衍射脈沖中含有銹脹裂縫開(kāi)裂信息，對(duì)上述步驟進(jìn)行反復(fù)計(jì)算和標(biāo)定，以得到相應(yīng)位置的總體圖像信息；另外可以通過(guò)模擬軟件，利用激勵(lì)器對(duì)信息進(jìn)行相關(guān)處理，得到銹脹裂縫開(kāi)裂的圖像以及開(kāi)裂的信息，還可以將pzt傳感器中的反射信號(hào)的強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部pzt傳感器的分布設(shè)定的反射系數(shù)運(yùn)用到結(jié)構(gòu)的新的成像中，這樣可以提高銹脹損失監(jiān)測(cè)的精度。

6)混凝土主梁銹脹裂縫開(kāi)裂信息識(shí)別技術(shù)。利用第3)步建立的pzt智能傳感器與驅(qū)動(dòng)器的力學(xué)模型以及結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系表達(dá)式，通過(guò)信號(hào)標(biāo)定處理，將橫向應(yīng)力波和縱向應(yīng)力波進(jìn)行降噪處理，引入不確定性分析技術(shù)，結(jié)合環(huán)境參數(shù)，對(duì)混凝土主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期地、長(zhǎng)期地監(jiān)測(cè)，剔除不穩(wěn)定數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計(jì)以及小波變換，即可得到混凝土橋梁主梁結(jié)構(gòu)銹脹裂縫開(kāi)裂的開(kāi)始時(shí)間、銹脹裂縫開(kāi)裂的寬度和深度數(shù)據(jù)，為橋梁維修加固決策提供數(shù)據(jù)支持。