CN104165931A

CN104165931A - 一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法

Info

Publication number: CN104165931A
Application number: CN201410357871.9A
Authority: CN
Inventors: 张研; 杨迪; 蒋林华
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2014-11-26

Abstract

本发明公开了一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法，包括以下几个步骤：在待测的桥梁结构上布置传感器和移动荷载；将桥梁振动频率信号作为输出信号，以symlets小波对信号进行小波变换；分别作出时间-小波系数图像和时间-瞬时频率图像，由此判定桥梁裂纹的存在位置、存在形式以及呼吸式裂纹的发展程度。本发明能够同时判断出桥梁结构中呼吸式裂纹存在的位置以及开展程度，提高桥梁结构的安全性和可靠性。

Description

一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构无损检测方法，尤其涉及了一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法。

背景技术

随着对桥梁结构安全性要求的不断提高，桥梁结构的无损检测愈发的引起人们的高度重视，其中桥梁结构的裂纹检测一直是重中之重。桥梁结构，尤其是大型特殊结构的桥梁，在长期的使用过程中难免会产生裂纹，裂纹往往由于多种的影响因素综合造成。

桥梁结构中裂纹存在两种开展形式，分别为张开式裂纹和呼吸式裂纹。其中，裂纹开展早期大多表现为呼吸式裂纹，呼吸式裂纹作为张开式裂纹的前兆，往往难以发觉并且缺乏特定的检测设备，因此容易被忽视。如果桥梁结构中存在呼吸式裂纹而未被及时发现，更没有采取相应的养护维修措施，在桥梁结构后续工作时，若桥梁结构中呼吸式裂纹开展成张开式裂纹，会大大增加桥梁发生突然断裂或倒塌的危险性。

发明内容

为了解决背景技术存在的问题，本发明旨在提供一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法，同时判断出桥梁结构中呼吸式裂纹存在的位置以及开展程度，提高桥梁结构的安全性和可靠性。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法，包括如下步骤：

（1）在待检测的桥梁结构上布置至少一个加速度传感器，并且在待检测的桥梁结构的开端处施加车辆移动荷载作为激励；

（2）接收加速度传感器采集的桥梁结构振动频率信号f（t），并对信号f（t）进行小波变换；

（3）分别作出时间-小波系数图像和时间-瞬时频率图像，所述时间-瞬时频率图像的是基于时间-小波系数图像的一种变换，定义瞬时频率为小波系数的平方值；

（4）根据时间-小波函数图像判断裂纹的开展位置：时间-小波系数图像中的局部峰值点即对应裂纹的开展位置；根据时间-瞬时频率图像，分析桥梁结构中裂纹的存在形式，判定其中的呼吸式裂纹，并且计算出呼吸式裂纹处的瞬时频率变化幅度；

（5）将计算出的呼吸式裂纹处的瞬时频率变化幅度对照裂纹开展程度-瞬时频率变化幅度图像，得到呼吸式裂纹的开展程度。

步骤（1）中，所述加速度传感器采用压电式加速度传感器。

步骤（1）中，所述加速度传感器的频率响应范围为0.2Hz~1kHz。

步骤（1）中，所述车辆移动荷载的质量为10KN~100KN，车辆移动荷载的速度为1m/s~5m/s。

步骤（2）中，采用symlets小波对信号f（t）进行小波变换。

采用上述技术方案带来的有益效果：

（1）本发明提供了一种基于小波分析的桥梁结构呼吸式裂纹的检测方法，弥补了传统桥梁工程无损检测领域对桥梁结构呼吸式裂纹检测的不足，提高了对桥梁结构裂纹损伤的检测力度和及时性；

（2）本发明的实现过程较为简单，操作也较简单，对各种检测和处理的设备要求不高，易于实现；

（3）通过对待检测桥梁结构进行合理的传感器布置，本发明可以实现对桥梁结构的实时监测，大大提高桥梁检测力度和预警的及时性；

（4）桥梁结构呼吸式裂纹作为桥梁结构张开式裂纹的开展前兆，通过本发明，可以清楚的判断其存在，以及存在的位置和发展程度，对桥梁结构进行及时养护和维修具有重要作用，也可大大提高桥梁结构的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明中车辆移动荷载示意图。

图2（a）是模拟桥梁结构张开式裂纹存在时的模型的实测时间-小波系数图。

图2（b）是模拟桥梁结构呼吸式裂纹存在时的模型的实测时间-小波系数图。

图3（a）是模拟桥梁结构张开式裂纹存在时的模型的实测时间-瞬时频率图。

图3（b）是模拟桥梁结构呼吸式裂纹存在时的模型的实测时间-瞬时频率图。

图4是裂纹开展程度与瞬时频率变化幅度的关系图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

检测时的车辆移动荷载布置如图1所示，移动荷载形式为车辆荷载，质量为100KN，速度为2m/s，分为前后轮，前后轮间距为6m。假定桥梁结构模型的两个三分点处存在裂纹，且裂纹形式相同，分别模拟桥梁结构存在张开式裂纹和呼吸式裂纹两种情况。

本实施例提供一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法，选用两个完全相同的50m简支梁（1号梁和2号梁），梁的横截面为矩形，长为1m，宽为0.5m，并且使得两个梁在其两个三分点处均存在裂纹，裂纹形式相同，1号梁存在张开式裂纹，2号梁存在呼吸式裂纹作，两裂纹开展程度相同，均为10%的梁高，即1cm，加速度传感器布置位置相同，如图1所示。在本实施例中，加速度传感器采用压电式加速度传感器，且传感器的频率响应范围为0.2Hz~1kHz。

在移动荷载作用下，加速度传感器将桥梁结构的频率信号传递至数据处理装置，输出的时间-小波系数图像如图2（a）、图2（b）所示。两幅图像中均显示出四个峰值，即分别在t=5.3s，8.3s，13.7s和16.7s处。前两处峰值代表移动荷载前后轮分别经过第一个三分点处裂纹的情况，后两处峰值代表移动荷载前后轮分别经过第二个三分点处的裂纹的情况。以车辆后轮为标准，根据图像峰值处对应的时间以及移动荷载的速度，计算出梁结构中裂纹存在的位置分别为16.6m和33.4m处，这与模拟结构中在三分点处存在裂纹情况相符。另外图2（b）比图2（a）的小波系数波动幅度更大，可以初步判定2号梁中存在呼吸式裂纹。

数据处理装置输出的时间-瞬时频率图像如图3（a）、图3（b）所示，很明显的可以看出，当结构中存在张开式裂纹时，如图3（a），其瞬时频率几乎不随时间而变化；而当结构中存在呼吸式裂纹时，如图3（b），其瞬时频率随时间的变化而产生较大波动。这就可以清楚的辨别桥梁结构中裂纹的存在形式，即本实施例中1号梁中存在张开式裂纹，2号梁中存在呼吸式裂纹。

根据时间-瞬时频率图像，很容易得出呼吸式裂纹瞬时频率的变化幅度（Hz），其值为裂纹处瞬时频率的最大值与最小值的差值的绝对值。2号梁中呼吸式裂纹存在处瞬时频率的变化幅度为0.1Hz，对照图4所示的裂纹开展程度与瞬时频率变化幅度的关系图，即可很清楚的得出裂纹开展的程度为10%的梁高。

当判定桥梁结构中存在呼吸式裂纹时，报警系统报警，系统自动输出裂纹的位置和开展程度信息。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法，其特征在于：步骤（1）中，所述加速度传感器采用压电式加速度传感器。

3.根据权利要求1所述一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法，其特征在于：步骤（1）中，所述加速度传感器的频率响应范围为0.2Hz~1kHz。

4.根据权利要求1所述一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法，其特征在于：步骤（1）中，所述车辆移动荷载的质量为10KN~100KN，车辆移动荷载的速度为1m/s~5m/s。

5.根据权利要求1所述一种基于小波变换的桥梁呼吸式裂纹的检测方法，其特征在于：步骤（2）中，采用symlets小波对信号f（t）进行小波变换。