CN103760239B - 钢管混凝土脱粘检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管混凝土脱粘检测系统，包括加速度传感器、信号采集设备和分析处理模块；所述加速度传感器设置于待测钢管混凝土的外壁，当用力锤在加速度传感器之间或加速度传感器安装的对面敲击钢管时，加速度传感器测得加速度响应信号，经由所述信号采集设备输入到分析处理模块；所述分析处理模块分析加速度响应信号，考察钢管混凝土的非线性振动程度，根据钢管混凝土的非线性振动程度，进行脱粘识别。本发明采用的系统基于非线性振动理论，采用加速度传感器记录力锤敲击后钢管混凝土自由振动过程的加速度信号，根据信号的分析来考察其非线性振动程度，以实现脱粘识别。

Description

钢管混凝土脱粘检测系统

技术领域

本发明涉及一种检测钢管混凝土脱粘系统，特别涉及一种基于非线性振动特性的钢管混凝土脱粘识别系统。

背景技术

近些年，钢管混凝土在超高层建筑和大跨桥梁中得到广泛应用，其中截面以圆形为主，在建筑结构中常设计成方形或多边形，以增强截面的抗弯能力，也便于梁柱节点的连接。钢管和混凝土相辅相成，一方面钢管类似箍筋，使得混凝土三向受压，抗压能力增强，另一方面，内填混凝土又解决了钢管潜在的失稳问题。

随着实际工程中钢管混凝土应用的增多，发现钢管混凝土普遍存在着脱粘和脱空现象，而脱粘（空）直接影响钢管和混凝土的共同作用，多数设计规范尚未考虑脱粘（空）的影响。脱空表现为界面局部脱开较大，形成明显缝宽。脱粘表现在径向收缩，形成微小缝隙。在钢管混凝土拱桥中，脱粘与脱空往往并存，其中拱肋脱空更为常见，在建筑结构中，主要是界面剥离造成径向的脱粘。

如何检测实际工程结构中钢管混凝土的脱粘（空）引起了研究者的关注。从外表无法观察钢管内部混凝土的状况，现行施工验收标准认为：按照相关的工艺标准进行施工即可达到密实要求。现行检测方法主要有超声波法，敲击法，瞬态冲击法和压电陶瓷检测方法等。根据文献，目前尚无简单直接经济有效的检测方法。又因管壁与混凝土的脱空一般缝隙较大，常可以通过灌浆等处理，若二次灌浆后收缩，既脱空转化成脱粘，所以脱粘是钢管混凝土检测的重点难点，以往的研究者多只针对脱空类现象进行检测，忽略脱粘的识别，因此本发明主要研究脱粘（0.2～0.6mm）的检测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于非线性振动特性的钢管混凝土脱粘识别系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，包括加速度传感器、信号采集设备和分析处理模块；所述加速度传感器设置于待测钢管混凝土的外壁，当用力锤在加速度传感器之间或加速度传感器安装的对面敲击钢管时，加速度传感器测得加速度响应信号，经由所述信号采集设备输入到分析处理模块；所述分析处理模块分析加速度响应信号，考察钢管混凝土的非线性振动程度，根据钢管混凝土的非线性振动程度，进行脱粘识别。

进一步，所述非线性振动特性的分析方法为：首先针对加速度响应信号采用盲源分离技术的SOBI算法分离得到一阶信号，然后通过Hilbert变换获得信号的频率-振幅曲线，即可判断其非线性振动程度。

进一步，所述一阶信号先经过镜像处理后再进行Hilbert变换。

进一步，所述加速度传感器为压电加速度传感器。

进一步，所述加速度传感器沿钢管轴向设置在钢管两侧，且两侧的加速度传感器彼此对称。

有益技术效果：

本发明采用的系统基于非线性振动理论，采用加速度传感器记录力锤敲击后钢管混凝土自由振动过程的加速度信号，根据信号的分析来考察其非线性振动程度，以实现脱粘识别。

本发明利用钢管混凝土的非线性振动特性进行脱粘识别，原理简单，基于非线性振动特性的指标和脱粘对应关系直接，不涉及波在不同介质中传播的复杂问题，无需在钢管内部埋置探测仪器，操作简便、分析快速，对轻微的脱粘都有好的识别效果。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明系统结构图；

图2为加速度传感器位置布置图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图2为本发明中传感器位置布置图，其中1、2、3、4表示传感器，q1、q2、q3、q4表示敲击点。

目前一般钢管混凝土添加有膨胀剂，对于添加有膨胀剂的钢管混凝土，形成大面积脱空概率较小，脱空也常可以通过灌浆等处理，若二次灌浆后收缩，就转化成脱粘状态，脱粘普遍存在，且分布广泛，随机性强，同时也是典型检测方法的盲区之一，所以脱粘为识别的重点难点。

所述非线性振动是指瞬时自振频率随振幅而变化。对于普通钢筋混凝土梁，在早期损伤时，会出现瞬时自振频率随振幅增大而下降的现象，即非线性振动。其产生的原因被解释为微裂缝的“呼吸效应”，所谓裂缝的呼吸是指自由振动过程中众多裂缝的张开和闭合。类比可得，在自由振动过程中，钢管内的混凝土同样存在类似于钢筋混凝土梁中微裂缝的“呼吸效应”，这就使钢管混凝土具有了非线性振动特性。

所述用非线性振动特性来识别脱粘的依据是：钢管混凝土具有非线性振动特性，相比密实的情况，存在脱粘的钢管混凝土非线性振动程度更小，且频率更低。因为钢管本身几乎不存在非线性振动特性，脱粘后由混凝土导致的非线性振动对钢管混凝土的影响程度减小了。且脱粘后混凝土对局部刚度的贡献减小，但对质量的贡献减小不多，因此频率降低。钢管与混凝土的接触面积和位置的不同，即不同状态的脱粘，导致其非线性振动程度不同，以此原理来进行脱粘识别。

基于以上思想本发明提供一种钢管混凝土脱粘检测系统，包括加速度传感器、信号采集设备和分析处理模块；所述加速度传感器设置于待测钢管混凝土的外壁，当用力锤（本发明采用橡皮锤）在加速度传感器之间或加速度传感器安装的对面敲击钢管时，加速度传感器记录加速度响应信号，经由所述信号采集设备输入到分析处理模块；所述分析处理模块分析加速度响应信号，考察钢管混凝土的非线性振动程度，根据钢管混凝土的非线性振动程度，进行脱粘识别。在用力锤进行敲击时，避免激振力过大，并保持稳定大小的激振。

所述非线性振动特性的分析方法为：首先针对加速度响应信号采用盲源分离技术的SOBI算法分离得到一阶信号，然后通过Hilbert变换获得信号的频率-振幅曲线，即可判断其非线性振动程度。

SOBI算法采用联合对角化方法(JAD)找到矩阵Ψ，能够将任意时滞τ_i(1≤i≤p)的白化信号Z的协方差矩阵近似对角化，即

Ψ^TR_Z(τ_i)Ψ≈diagonal(1)

这个问题可以通过下式解决：

$\underset{\mathrm{\ψ}}{\min }\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{off}\left({\mathrm{\Ψ}}^T{R}_Z\left({\mathrm{\τ}}_i\right)\mathrm{\Ψ}\right)---\left(2\right)$

由Ψ和白化矩阵Q可得到分离矩阵W，进而求得分离后的信号S。

以上过程分为两个步骤：

1）采用PCA对观测信号进行预处理，将观测信号X(即记录的加速度响应信号)各个分量去均值后，通过主分量分析(PCA)得到白化信号Z。详细过程如下：

首先计算记录的加速度信号(以下称为观测信号X)的协方差矩阵R_X：

R_X＝E[XX^T](3)

其中X为去均值后的观测信号，E为数学期望，对式（3）进行特征值分解：

$R_X=V_X{D}_X{}_{}{V}_X^T---\left(4\right)$

D_x和V_x是R_x特征值分解后得到的矩阵

则白化矩阵为:

$Q=D_X^{-1/2}{V}_X^T---\left(5\right)$

白化信号为：

$Z=\mathrm{QX}=D_X^{-1/2}{V}_X^{T}X---\left(6\right)$

2）用白化信号Z构建时滞为p的协方差矩阵，通过式(2)可以求出正交矩阵Ψ。

计算分离矩阵：W＝Ψ^TQ(7)

混合矩阵：A＝Q^-1Ψ(8)

则分离信号可以表示：S＝WX(9)

S中的第一阶元素即为一阶信号，所述一阶信号先经过镜像处理后再进行Hilbert变换；镜像处理能一定程度解决端点效应。

一阶信号x(t)的Hilbert变换定义如下：

$y\left(t\right)=H\left[x\left(t\right)\right]=\frac{1}{\mathrm{\π}}P{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{x\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(10\right)$

其中P为柯西主值。x(t)和y(t)形成一复共轭对，其解析信号为：

Z(t)＝x(t)+jy(t)＝a(t)e^jθ(t)(11)

式中：a(t)为瞬时振幅；θ(t)为相位，

$a\left(t\right)={[x^2\left(t\right)+y^2\left(t\right)]}^{\frac{1}{2}}---\left(12\right)$

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\arctan \frac{y\left(t\right)}{x\left(t\right)}---\left(13\right)$

瞬时频率按下式计算：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(14\right)$

瞬时频率f(t)和瞬时振幅a(t)构成频率-振幅曲线。

为了测试钢管混凝土柱的频率，试验采用IEPE压电加速度传感器，型号为东华测试DH186。所述信号采集设备为东华测试DHDH5922-1394。

所述加速度传感器沿钢管轴向设置在钢管两侧，且两侧的加速度传感器彼此对称。传感器采用此种设置方式便于比较同一高度处脱粘面与非脱粘面的信号异同；经测试采用这样的一对传感器信号，进行信号盲源分离，效果较好；同一高度位置，在敲击后自由振动过程中，可认为两点位移时程曲线差异极小，从而使得后续的非线性振动特性分析时取的振幅意义更明确。

本发明采用的系统基于非线性振动理论，采用加速度传感器采集力锤敲击后自由振动过程的加速度信号，根据信号的分析来探讨其非线性振动特性变化，以实现脱粘识别。基于非线性振动特性的指标和脱粘对应关系直接，无需在钢管内部埋置探测仪器，操作简便、分析快速，对轻微的脱粘都有好的识别效果，且规避了波在不同介质中传播的复杂问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.钢管混凝土脱粘检测系统，其特征在于：包括加速度传感器、信号采集设备和分析处理模块；所述加速度传感器设置于待测钢管混凝土的外壁，当用力锤在加速度传感器之间或加速度传感器安装的对面敲击钢管时，加速度传感器测得加速度响应信号，经由所述信号采集设备输入到分析处理模块；所述分析处理模块分析加速度响应信号，考察钢管混凝土的非线性振动程度，根据钢管混凝土的非线性振动程度，进行脱粘识别；

非线性振动特性的分析方法为：首先针对加速度响应信号采用盲源分离技术的SOBI算法分离得到一阶信号，然后通过Hilbert变换来获得信号的频率-振幅曲线，即可判断其非线性振动程度。

2.根据权利要求1所述的钢管混凝土脱粘检测系统，其特征在于：所述一阶信号先经过镜像处理后再进行Hilbert变换。

3.根据权利要求1所述的钢管混凝土脱粘检测系统，其特征在于：所述加速度传感器为压电加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的钢管混凝土脱粘检测系统，其特征在于：所述加速度传感器沿钢管轴向设置在钢管两侧，且两侧的加速度传感器彼此对称。