CN102865952B - 一种混凝土工作应力的无损测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土工作应力的无损测试方法，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件；从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，求取每一级荷载下超声波信号的加权边际谱面积；计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率ΔV_P(k)、首波振幅相对变化率ΔA(k)、加权边际谱面积相对变化率依据每级荷载的数值以及超声波声学参数相对变化率，以应力为横坐标，超声波声学参数相对变化率为纵坐标，得到ΔA_P(k)-σ曲线、ΔA(k)-σ曲线、曲线；超声波测试沿垂直于应力方向，得到混凝土结构在应力状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，得到三个应力值，对应力值取算术平均值，得到混凝土结构的工作应力。

Description

一种混凝土工作应力的无损测试方法

技术领域

本发明属于混凝土工作应力检测技术领域，尤其涉及一种混凝土工作应力的无损测试方法。

背景技术

作为最主要建筑材料的混凝土以其材料来源广泛、成本低廉、施工方便和耐久性好等特点，在土木工程中得到广泛的应用。国内外诸多由于混凝土性能的弱化引起的事故表明：混凝土结构的健康诊断对于混凝土结构的正常运行起着非常重要的作用，而对其工作应力的准确测试又是混凝土结构健康诊断的重要环节。目前，对于混凝土工作应力的测试主要采用埋设传感器法，通过利用应变计测量混凝土的应变来间接反应混凝土的应力水平。由于混凝土温度变化、收缩徐变以及其它因素的影响，应变计所测量的应变与混凝土实际应变之间存在差异，而且混凝土弹性模量的实测值与规范取值之间也存在差别，从而导致混凝土的测试应力值与实际应力值不符，如果偏差过大，将给混凝土结构的健康诊断带来诸多困难。同时，由于价格较高，传感器不可能大面积埋设，存在以点代面的缺陷，一旦在监测过程中失效，则难以挽救。因此，研究低成本、无损伤、快速并可进行全面监测的应力测试手段已成为目前混凝土结构健康诊断中亟待解决的关键技术问题。

超声波在有应力的固体材料中的传播速度不仅取决于材料的二阶弹性常数和密度，还与高阶弹性常数和应力有关，声弹性方法正是利用这种声速与应力之间的相关性进行应力测量的。声弹性方法具有对人体无害、对被测物无损伤、量测速度快等特点，而且不需要像光弹性那样的透明模型，可直接应用于原型构件，因此，成为解决非透明构件原型三维应力分析难题的重要途径。

混凝土是一种很复杂的复合材料，在低应力状态下混凝土呈现一定的线弹性，而在应力较大时，则呈现出明显的非线性。声弹性理论表明，超声波波速与应力状态有关的现象，不论在弹性范围还是在非线性应力-应变范围均存在，因此，利用声弹性法测试混凝土的工作应力是可行的。

发明内容

本发明提供了一种混凝土工作应力的无损测试方法---，旨在解决目前混凝土工作应力测试，主要采用的埋设传感器法存在的问题，埋设传感器法通过利用应变计测量混凝土的应变来间接反应混凝土的应力水平，由于混凝土温度变化、收缩徐变以及其它因素的影响，应变计所测量的应变与混凝土实际应变之间存在差异，而且混凝土弹性模量的实测值与规范取值之间也存在差别，从而导致混凝土的测试应力值与实际应力值不符，如果偏差过大，将给混凝土结构的健康诊断带来诸多困难，同时由于价格较高，传感器不可能大面积埋设，存在以点代面的缺陷，一旦在监测过程中失效，则难以挽救。

本发明的目的在于提供一种混凝土工作应力的无损测试方法，该无损测试方法包括以下步骤：

步骤1，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试；

步骤2，从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，并利用希尔伯特一黄变换求取每一级荷载下的超声波信号的加权边际谱面积；

步骤3，计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率ΔV_P(k)、首波振幅相对变化率ΔA(k)、加权边际谱面积相对变化率

步骤4，依据每级荷载的数值以及超声波声学参数相对变化率，建立标定曲线，以应力为横坐标，超声波声学参数相对变化率为纵坐标，得到ΔV_P(k)-σ曲线、ΔA(k)-σ曲线、曲线；

步骤5，在进行混凝土结构工作应力测试时，沿垂直于应力方向对混凝土结构进行超声波测试，同步骤2和步骤3得到混凝土结构在应力状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，将这些值带入步骤4得到的三条曲线，可得到对应的三个应力值，对这些应力值取算术平均值，得到混凝土结构的工作应力。

进一步，在步骤1中，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试的实现方法为：

以试件的捣制侧面为测试面，将另一对侧面作为承压面置于压力机上，采用分级加载方式，每级荷载20kN，加荷速率为0.3MPa/s，均匀加载，直至试件破坏。首先采集混凝土试件在加载前的超声波信号，每级荷载加载完毕，待变形稳定后，采集该级荷载下的超声波信号。

进一步，在步骤2中，加权边际谱面积根据下式计算：

$\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)=\frac{\underset{J}{\mathrm{\Σ}}{M}_k^j\·M_k^j}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{M}_k^j}(j=\mathrm{2,3},...,J-1)$

式中，为第k级荷载下超声波信号的加权边际谱面积；

为第k级荷载下用希尔伯特-黄变换求取的超声波信号第j阶固有模态函数分量的边际谱面积；

j为正整数，且2≤j≤J-1；J为通过希尔伯特-黄变换得到的固有模态函数IMF分量数量。

进一步，在步骤3中，计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率ΔVP(k)、首波振幅相对变化率ΔA(k)、加权边际谱面积相对变化率的公式分别为：

$\mathrm{\Δ}{V}_P\left(k\right)=\frac{V_P\left(k\right)-V_P^0}{V_P^0}$

$\mathrm{\ΔA}\left(k\right)=\frac{A\left(k\right)-A^0}{A^0}$

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)=\frac{\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)-{\stackrel{\‾}{M}}^0}{{\stackrel{\‾}{M}}^0}$

式中，ΔV_P(k)、ΔA(k)、分别为超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率、加权边际谱面积相对变化率；

V_P(k)、A(k)、分别为k级荷载下的超声波波速、首波振幅、加权边际谱面积；

A⁰、分别为加载前的超声波波速、首波振幅、加权边际谱面积。

本发明提供的混凝土工作应力的无损测试方法，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试；从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，并利用希尔伯特-黄变换求取每一级荷载下的超声波信号的加权边际谱面积；计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率ΔV_P(k)、首波振幅相对变化率ΔA(k)、加权边际谱面积相对变化率依据每级荷载的数值以及超声波声学参数相对变化率，建立标定曲线，以应力为横坐标，超声波声学参数相对变化率为纵坐标，得到ΔV_P(k)-σ曲线、ΔA(k)-σ曲线、曲线；在进行混凝土结构工作应力测试时，沿垂直于应力方向对混凝土结构进行超声波测试，得到混凝土结构在应力状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，将这些值带入得到的三条曲线，可得到对应的三个应力值，对这些应力值取算术平均值，得到混凝土结构的工作应力，该无损测试方法成本低廉，不可回收一次性埋设设备为零，并可对混凝土结构进行快速、无损、全面长期的应力监测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的混凝土试件超声波测试系统示意图；

图2是本发明实施例提供的ΔV_P(k)-σ曲线；

图3是本发明实施例提供的ΔA(k)-σ曲线；

图4是本发明实施例提供的曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

本发明的目的在于提供一种混凝土工作应力的无损测试方法，该无损测试方法包括以下步骤：

步骤1，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试；

步骤2，从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，并利用希尔伯特-黄变换求取每一级荷载下的超声波信号的加权边际谱面积；

步骤3，计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率ΔV_P(k)、首波振幅相对变化率ΔA(k)、加权边际谱面积相对变化率

步骤4，依据每级荷载的数值以及超声波声学参数相对变化率，建立标定曲线，以应力为横坐标，超声波声学参数相对变化率为纵坐标，得到ΔV_P(k)-σ曲线、Δ4(k)-σ曲线、曲线；

步骤5，在进行混凝土结构工作应力测试时，沿垂直于应力方向对混凝土结构进行超声波测试，同步骤2和步骤3得到混凝土结构在应力状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，将这些值带入步骤4得到的三条曲线，可得到对应的三个应力值，对这些应力值取算术平均值，得到混凝土结构的工作应力。

在本发明实施例中，在步骤1中，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试的实现方法为：

以试件的捣制侧面为测试面，将另一对侧面作为承压面置于压力机上，采用分级加载方式，每级荷载20kN，加荷速率为0.3MPa/s，均匀加载，直至试件破坏。首先采集混凝土试件在加载前的超声波信号，每级荷载加载完毕，待变形稳定后，采集该级荷载下的超声波信号。

在本发明实施例中，在步骤2中，加权边际谱面积根据下式计算：

$\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)=\frac{\underset{J}{\mathrm{\Σ}}{M}_k^j\·M_k^j}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{M}_k^j}(j=\mathrm{2,3},...,J-1)$

式中，为第k级荷载下超声波信号的加权边际谱面积；

为第k级荷载下用希尔伯特-黄变换求取的超声波信号第j阶固有模态函数分量的边际谱面积；

j为正整数，且2≤j≤J-1；J为通过希尔伯特-黄变换得到的固有模态函数IMF分量数量。

在本发明实施例中，在步骤3中，计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率ΔV_P(k)、首波振幅相对变化率ΔA(k)、加权边际谱面积相对变化率的公式分别为：

$\mathrm{\Δ}{V}_P\left(k\right)=\frac{V_P\left(k\right)-V_P^0}{V_P^0}$

$\mathrm{\ΔA}\left(k\right)=\frac{A\left(k\right)-A^0}{A^0}$

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)=\frac{\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)-{\stackrel{\‾}{M}}^0}{{\stackrel{\‾}{M}}^0}$

式中，ΔV_P(k)、ΔA(k)、分别为超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率、加权边际谱面积相对变化率；

V_P(k)、A(k)、分别为k级荷载下的超声波波速、首波振幅、加权边际谱面积；

A^0、 分别为加载前的超声波波速、首波振幅、加权边际谱面积。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明混凝土工作应力的无损测试方法基于纵波声弹性公式对混凝土工作应力进行测试，混凝土纵波声弹性公式揭示了超声纵波声学参数的相对变化率ΔP与混凝土受载应力σ的变化关系：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{P-P_0}{P_0}=C_P^{\′}\mathrm{\σ}$

式中，P为纵波声学参数，这里选用波速、首波振幅、加权边际谱面积；

P₀为无应力状态纵波声学参数；σ为混凝土受载应力；

C′_P为混凝土纵波声弹性系数，由于在应力作用下，混凝土内部裂纹的变化引起混凝土织构效应的变化，因此C′_P为一变化量，不仅与混凝土初始结构有关，还与混凝土应力状态有关。

该方法通过以下步骤实现：

步骤1、制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试，附图1为测试系统框图。

以试件的捣制侧面为测试面，将另一对侧面作为承压面置于压力机上，采用分级加载方式，每级荷载20kN，加荷速率为0.3MPa/s，均匀加载，直至试件破坏。首先采集混凝土试件在加载前的超声波信号，每级荷载加载完毕，待变形稳定后，采集该级荷载下的超声波信号。

步骤2、从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，并利用希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform，简称HHT)求取每一级荷载下的超声波信号的加权边际谱面积。加权边际谱面积根据下式计算：

$\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)=\frac{\underset{J}{\mathrm{\Σ}}{M}_k^j\·M_k^j}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{M}_k^j}(j=\mathrm{2,3},...,J-1)$

式中，为第k级荷载下超声波信号的加权边际谱面积；

为第k级荷载下用HHT求取的超声波信号第j阶固有模态函数(Intrinsic Mode Function，简称为固有模态函数IMF)分量的边际谱面积；

j为正整数，且2≤j≤J-1；J为通过HHT得到的固有模态函数IMF分量数量。

步骤3、根据下式计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率

ΔV_P(k)、首波振幅相对变化率ΔA(k)、加权边际谱面积相对变化率

$\mathrm{\Δ}{V}_P\left(k\right)=\frac{V_P\left(k\right)-V_P^0}{V_P^0}$

$\mathrm{\ΔA}\left(k\right)=\frac{A\left(k\right)-A^0}{A^0}$

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)=\frac{\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)-{\stackrel{\‾}{M}}^0}{{\stackrel{\‾}{M}}^0}$

式中，ΔV_P(k)、ΔA(k)、分别为超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率、加权边际谱面积相对变化率；

V_P(k)、A(k)、分别为k级荷载下的超声波波速、首波振幅、加权边际谱面积；

A⁰、分别为加载前的超声波波速、首波振幅、加权边际谱面积；

步骤4、依据每级荷载的数值以及超声波声学参数相对变化率(即超声波速相对变化率、首波振幅相对变化率、加权边际谱面积相对变化率)，建立标定曲线，以应力为横坐标，超声波声学参数相对变化率为纵坐标，得到ΔV_P(k)-σ曲线、ΔA(k)-σ曲线、曲线，附图2-图4所示为对某混凝土试件进行超声波测试得到的声学参数相对变化率和应力的关系曲线。

步骤5、在进行混凝土结构工作应力测试时，沿垂直于应力方向对混凝土结构进行超声波测试，同步骤2和步骤3得到混凝土结构在应力状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，将这些值带入步骤4得到的三条曲线，可得到对应的三个应力值，对这些应力值取算术平均值，即得到混凝土结构的工作应力。

本发明混凝土工作应力的无损测试方法，包括以下步骤：

(1)、利用混凝土的纵波声弹性公式，选取声速、首波振幅、加权边际谱面积等三个声学参数，作为主要控制参数进行混凝土结构的工作应力测试。

(2)、对制作的与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件进行超声波测试，测试轴线与加载方向垂直。采用分级加载方式，每级荷载20kN，加荷速率为0.3MPa/s，均匀加载，直至试件破坏。分别采集加载前和各级荷载下的的超声波信号。

(3)、利用希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform，简称HHT)求取每一级荷载下的超声波信号的各阶固有模态函数分量(简称固有模态函数IMF分量)的边际谱面积，略去第一阶和最后一阶固有模态函数IMF分量，对剩余的固有模态函数IMF分量边际谱面积进行自身加权，得到加权边际谱面积。

(4)、依据每级荷载的数值以及超声波声学参数相对变化率(即超声波速相对变化率、首波振幅相对变化率、加权边际谱面积相对变化率)，建立标定曲线，得到ΔV_P(k)-σ曲线、ΔA(k)-σ曲线、曲线，作为混凝土工作应力测试的基准曲线。

(5)、在进行混凝土结构工作应力测试时，沿垂直于应力方向对混凝土结构进行超声波测试，通过计算分析得到混凝土结构在应力状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，将这些值带入ΔV_P(k)-σ曲线、ΔA(k)-σ曲线、可得到对应的三个应力值，对这些应力值取算术平均值，即得到混凝土结构的工作应力。

本发明实施例提供的混凝土工作应力的无损测试方法，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试；从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，并利用希尔伯特-黄变换求取每一级荷载下的超声波信号的加权边际谱面积；计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率ΔV_P(k)、首波振幅相对变化率ΔA(k)、加权边际谱面积相对变化率依据每级荷载的数值以及超声波声学参数相对变化率，建立标定曲线，以应力为横坐标，超声波声学参数相对变化率为纵坐标，得到ΔV_P(k)-σ曲线、ΔA(k)-σ曲线、曲线；在进行混凝土结构工作应力测试时，沿垂直于应力方向对混凝土结构进行超声波测试，得到混凝土结构在应力状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，将这些值带入得到的三条曲线，可得到对应的三个应力值，对这些应力值取算术平均值，得到混凝土结构的工作应力，该无损测试方法成本低廉，不可回收一次性埋设设备为零，并可对混凝土结构进行快速、无损、全面长期的应力监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种混凝土工作应力的无损测试方法，其特征在于，该无损测试方法包括以下步骤：

步骤1，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试；

步骤2，从超声波测试信号里读取声速和首波振幅，并利用希尔伯特-黄变换求取每一级荷载下的超声波信号的加权边际谱面积；

步骤3，计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率ΔV_P(k)、首波振幅相对变化率ΔA(k)、加权边际谱面积相对变化率

步骤4，依据每级荷载的数值以及超声波声学参数相对变化率，建立标定曲线，以应力为横坐标，超声波声学参数相对变化率为纵坐标，得到ΔV_P(k)-σ曲线、ΔA(k)-σ曲线、曲线；

步骤5，在进行混凝土结构工作应力测试时，沿垂直于应力方向对混凝土结构进行超声波测试，同步骤2和步骤3得到混凝土结构在应力状态下的超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率和加权边际谱面积相对变化率，将这些值带入步骤4得到的三条曲线，可得到对应的三个应力值，对这些应力值取算术平均值，得到混凝土结构的工作应力；

在步骤1中，制作与混凝土构件配合比和养护条件相同的混凝土立方体标准试件，进行超声波测试的实现方法为：

以试件的捣制侧面为测试面，将另一对侧面作为承压面置于压力机上，采用分级加载方式，每级荷载20kN，加荷速率为0.3MPa/s，均匀加载，直至试件破坏；

首先采集混凝土试件在加载前的超声波信号，每级荷载加载完毕，待变形稳定后，采集该级荷载下的超声波信号；

在步骤2中，加权边际谱面积根据下式计算：

$\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)=\frac{\underset{J}{\mathrm{\Σ}}{M}_k^j\·M_k^j}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{M}_k^j}(j=\mathrm{2,3},...,J-1)$

式中，为第k级荷载下超声波信号的加权边际谱面积；

为第k级荷载下用希尔伯特-黄变换求取的超声波信号第j阶固有模态函数分量的边际谱面积；

j为正整数，且2≤j≤J-1；J为通过希尔伯特-黄变换得到的固有模态函数IMF分量数量；

在步骤3中，计算混凝土试件在k级荷载下的超声波速相对变化率ΔV_P(k)、首波振幅相对变化率ΔA(k)、加权边际谱面积相对变化率的公式分别为：

${\mathrm{\ΔV}}_P\left(k\right)=\frac{V_P\left(k\right)-V_P^0}{V_P^0}$

$\mathrm{\ΔA}\left(k\right)=\frac{A\left(k\right)-A^0}{A^0}$

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)=\frac{\stackrel{\‾}{M}\left(k\right)-{\stackrel{\‾}{M}}^0}{{\stackrel{\‾}{M}}^0}$

式中，ΔV_P(k)、ΔA(k)、分别为超声波波速相对变化率、首波振幅相对变化率、加权边际谱面积相对变化率；

V_P(k)、A(k)、分别为k级荷载下的超声波波速、首波振幅、加权边际谱面积；A⁰、分别为加载前的超声波波速、首波振幅、加权边际谱面积。