CN104573357A - 一种预应力通道注浆密实度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力通道注浆密实度检测方法，步骤为：在待测通道外激发应力波，获得应力波检测信号；将所得应力波检测信号进行分析处理；再对应力波检测信号进行分数阶傅里叶变换，对结果进行分析。相对现有技术来说，本发明在清晰识别出缺陷位置的基础上还可实现对预应力通道注浆密实度进行较精密的检测，从而确定其安全性，降低事故的发生率，且流程简单、方法统一，无需因为待测桥梁的各通道注浆密实度差别太大而更换检测方法，具有很大的市场价值。

Description

一种预应力通道注浆密实度检测方法

技术领域

本发明属于信息处理技术领域，特别是涉及预应力通道注浆密实度检测方法。

背景技术

随着城市化进程的加快，大型建筑物作为衡量城市经济实力的重要指标之一，使预应力技术成为城建不可或缺的一项重要技术。预应力技术是在大型建筑物建设时，为了改善结构服役表现，在施工期间给结构预先施加的压应力，结构服役期间预加压应力可全部或部分抵消荷载导致的拉应力，避免结构破坏。在工程结构构件承受外荷载之前，对受拉模块中的钢筋，施加预压应力，提高构件的刚度，推迟裂缝出现的时间，增加构件的耐久性。对于机械结构来看，其含义为预先使其产生应力，其好处是可以提高构造本身刚性，减少振动和弹性变形这样做可以明显改善受拉模块的弹性强度，使原本的抗性更强。

在结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受拉区施加压应力，以改善结构使用的性能的结构型式称之为预应力结构，常用于混凝土结构，是在混凝土结构承受荷载之前，预先对其施加压力，使其在外荷载作用时的受拉区混凝土内力产生压应力，用以抵消或减小外荷载产生的拉应力，使结构在正常使用的情况下不产生裂缝或者裂得比较晚。而预应力混凝土结构的优势是建立在预应力钢筋与混凝土(砼)黏结完整的基础上，凭借其良好的受力特性和抗拉性能得到广泛应用，特别是在大跨度或重荷载结构，以及不允许开裂的结构中，预应力技术也日臻完善。现有技术中桥梁的预应力通道(预应力管道或预应力孔道)多为波纹管，其压浆密实性好坏对桥梁的耐久性具有重要影响，据统计，由于压浆不密实导致预应力管道内钢绞线锈蚀，预应力提前丧失，可造成桥梁实际寿命缩短至设计寿命的十分之一。因此混凝土结构中通道注浆效果的好坏直接影响整个预应力混凝土结构的安全性和使用寿命，而预应力通道注浆效果主要是靠注浆质量密实度来评价的。理论上，按照注浆工艺及质量控制措施，已经能较好地保证注浆的密实度，但因通道堵塞、注浆材料、注浆方法不当或人为疏忽等原因容易引起通道注浆质量缺陷，即注浆不密实。当通道注浆质量存在严重问题时，会使建筑物在使用过程中发生质量安全事故。因此，对 预应力通道注浆质量进行检测是非常有必要的。

目前，传统的检测预应力通道注浆密实度(即检测通道中的注浆质量缺陷所在)的方法主要有钻芯法、射线法、红外法、雷达法和应力波检测法。钻芯法多为破坏性检测而不是验证性检测，射线法和红外法又因为设备的复杂和危害性限制其使用，雷达法也由于密集钢筋干扰限制其使用。而应力波检测法主要有超声波法和冲击回波法，由于混凝土预应力结构中的通道结构是由水泥浆、孔隙、预应力钢筋和波纹管组成的复合体系，对高频的超声波信号衰减和干扰比较大，限制了超声波检测法的使用；冲击回波法是一种基于应力波的无损检测法，其原理是利用冲击产生应力波，该应力波会在结构中传播从而被内部缺陷和外部表面反射，来回反射的应力波会形成一种特殊模态，在激发点附近接收回波信号。冲击回波法因其检测方式简单而被广泛应用。预应力通道结构为多相的凝聚体和具有黏、弹、塑性的非均质材料，应力波在这种复杂体系中的传播和效应使得回波信号极为复杂，对于这种复杂的非平稳信号需要采用一种新的简单与准确的分析方法。

传统的信号分析有两种方法：一种是将信号描述成时间的函数；另一种是将信号描述成频率的函数，这两种方法都是传统的信号处理理论模式。由于传统信号处理方法把实际模型理想化，忽略了实际模型中的非平稳因素，从而使传统处理方法不能分析和处理非平稳信号，无法满足现代技术发展的需要。

为了分析和处理非平稳信号，人们提出并发展了一系列新的信号分析理论：短时傅里叶变换、傅里叶频谱分析、Wigner-Ville分布、小波变换等。但有研究表明，短时傅里叶变换的一个主要缺点是时域和频域的采样间隔都是常数，即这种窗口大小和形态与频率无关，是固定不变的，不能使变换窗口随频率而变化；在处理实际问题，应当使时域的采样间隔随着频率的增大而减小，同时短时傅里叶变换不管如何离散均不能使它成为一组正交基。傅里叶频谱分析提供了一种对信号频谱分布的描述方法，几乎用于所有类型的信号分析；然而，实践证明，傅里叶频谱分析并非对所有类型信号的分析都有效，在对信号进行傅里叶频谱分析时，除了平稳性条件，还要求信号满足线性条件：事实上，实际应用中需要分析的大多数信号都是非平稳的，大都表现为有限长、非线性或者非平稳，其统计量是一个随时间变化的函数，对信号进行单一时域或频域分析远远不能满足实际信号处理的需要，我们最希望得到的是信号频谱随时间的变化情况，这就严重限制了傅里叶频谱分析在实际应用中的普遍性，更重要的是，由于非平稳信号的统计特性与时间有关，所以对非平稳信号的处理必须同时在时域和频域进行分析，而傅里叶频谱分析无法同时保留时间、频率和 能量三种信息。Wigner-Ville分布存在交叉项干扰，这种交叉项的存在会严重降低它的时频表示的可读性，从而影响信号分析的精度。小波变换是一种多分辨率分析方法，它能获得成功的两个最重要原因是其拥有塔形快速算法和良好的时频局域特性，缺点是一旦母小波选择不好，应用效果会大受影响。

现有技术中，已有的测量预应力通道注浆密实度方法能识别出待测管道是否有缺陷，其局限性在于只能识别出注浆密实度是否在85％以上，又由于我们对预应力通道注浆密实度的要求随各建筑工程的具体情况而定，例如：水工岩锚梁锚杆注浆密实度不低于70％，修建边坡时要求其锚杆的注浆密实度不低于75％，公路砂浆锚杆的注浆密实度不低于80％；且现有技术只能测量直径或孔径为10cm以上的通道，所以若需要检测直径或孔径小于10cm的通道时，往往不能通过现有技术检测出来，或其测量结果并不准确。

由于上述信号分析理论方法存在的诸多缺陷，且其对预应力通道注浆密实度的检测效果中并不如想象中的好，所以研究一种检测精度更高的预应力通道注浆密实度的方法是势在必行的。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种简单有效的预应力通道注浆密实度检测方法，该方法能对预应力通道注浆密实度进行较精密的检测，从而确定其安全性，降低事故的发生率。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种预应力通道注浆密实度检测方法，包括如下步骤：

步骤a)在待测通道外激发应力波，获得应力波检测信号；

步骤b)将步骤a所得应力波检测信号进行分析处理；

步骤c)对应力波检测信号进行分数阶傅里叶变换，对结果进行分析。

优选地，步骤a之前还包括步骤a0，其具体操作为：建立有限元模型，对有限元模型外激发的应力波检测信号进行分析处理后再进行分数阶傅里叶变换，结果留待备用。

优选地，步骤a的具体操作为：选取桥梁的待检测位置，在待检测位置处激发应力波，获得应力波检测信号。

优选地，步骤b的具体操作为：利用MATLAB对应力波检测信号进行二维搜索，由此得到应力波检测信号的分数阶傅里叶变换的三维图，三维图的幅度值即为分数阶傅里叶变 换值，横轴为p；更优选地，设三维图中幅度的最高峰值点对应的p值为最优p值。

优选地，步骤c的具体操作为：设p值为分数阶傅里叶变换的变换阶次，在MATLAB里对应力波检测信号进行p阶分数阶傅里叶变换，得到分数阶幅度谱后进行分析，判断通道内是否有缺陷及缺陷的大概范围。

优选地，对应力波检测信号进行分数阶傅里叶变换的公式为：

$X_p\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{K}_p(u,t)x\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，x(t)表示应力波检测信号，即应力波的波速随时间变化的值，并定义Xp(u)为步骤a所得应力波检测信号的p阶分数阶傅里叶变换的分数阶幅度，Kp(u,t)为p阶分数阶傅里叶变换的核函数，dt为单位时间。

更优选地，核函数Kp(u,t)的计算公式为：

其中，δ(u+t)，δ(u-t)为坐标平移公式，n为整数，ɑ＝pπ/2，p为分数阶傅里叶变换的变换阶次，u为分数阶域。

与现有技术相比，本发明提供的预应力通道注浆密实度检测方法，具有以下优点：

1.使用该方法检测预应力通道注浆密实度之前可先建立有限元模型的数据库作为参考，当有限元模型足够多时，可精密测量待测桥梁的通道注浆密实度，且能清晰识别出缺陷的存在；

2.方法统一，无需因为待测桥梁的各通道注浆密实度差别太大而更换检测方法；

3.适用面广，可测量孔径小于10cm通道的注浆密实度，填补了技术空白；

4.流程简单，建立有限元模型后，仅需要通过对激发的应力波检测信号进行三维图转换后再进行分数阶傅里叶变换，即可有效测量通道注浆密实度，减少了现有技术中的检测步骤。

附图说明

图1a为通道注浆密实度为0％的有限元模型示意图；

图1b为通道注浆密实度为30％的有限元模型示意图；

图1c为通道注浆密实度为50％的有限元模型示意图；

图1d为通道注浆密实度为70％的有限元模型示意图；

图1e为通道注浆密实度为100％的有限元模型示意图；

图2为通过LS-prepost软件模拟计算得到应力波检测信号的流程图；

图3a为通道注浆密实度为0％时应力波传播情况示意图；

图3b为通道注浆密实度为30％时应力波传播情况示意图；

图3c为通道注浆密实度为50％时应力波传播情况示意图；

图3d为通道注浆密实度为70％时应力波传播情况示意图；

图3e为通道注浆密实度为100％时应力波传播情况示意图；

图4a为通道注浆密实度为0％时其(ɑ,u)平面上的幅度值示意图；

图4b为通道注浆密实度为30％时其(ɑ,u)平面上的幅度值示意图；

图4c为通道注浆密实度为50％时其(ɑ,u)平面上的幅度值示意图；

图4d为通道注浆密实度为70％时其(ɑ,u)平面上的幅度值示意图；

图4e为通道注浆密实度为100％时其(ɑ,u)平面上的幅度值示意图；

图5a为通道注浆密实度为0％，p＝3.75时其分数阶幅度谱示意图；

图5b为通道注浆密实度为30％，p＝3.75时其分数阶幅度谱示意图；

图5c为通道注浆密实度为50％，p＝3.75时其分数阶幅度谱示意图；

图5d为通道注浆密实度为70％，p＝3.75时其分数阶幅度谱示意图；

图5e为通道注浆密实度为100％，p＝3.75时其分数阶幅度谱示意图；

图6a为通道注浆密实度为0％滤波后的分数阶幅度谱示意图；

图6b为通道注浆密实度为30％滤波后的分数阶幅度谱示意图；

图6c为通道注浆密实度为50％滤波后的分数阶幅度谱示意图；

图6d为通道注浆密实度为70％滤波后的分数阶幅度谱示意图；

图6e为通道注浆密实度为100％滤波后的分数阶幅度谱示意图；

图6f为实施例1中待测通道的注浆密实度的分数阶幅度谱示意图；

图6g为实施例1中待测通道的注浆密实度的分数阶幅度谱示意图；

图6h为实施例1中待测通道的注浆密实度的分数阶幅度谱示意图。

具体实施方式

为了能够对本发明有进一步的理解，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

下面以检测桥梁为例，有限元模型的个数根据具体工程对待测桥梁的通道注浆密实度要求而定，本发明以建立5个有限元模型为例：根据待测桥梁的物理参数设计有限元模型，各有限元模型对应的注浆密实度分别为0％、30％、50％、70％、100％，并对各有限元模型激发的应力波检测信号进行p阶分数阶傅里叶变换，得到其分数阶幅度谱；将得到的待测桥梁两侧激发的各应力波检测信号进行p阶分数阶傅里叶变换，将得到的分数阶幅度谱与有限元模型的分数阶幅度谱进行比较，得出结果。

注浆密实度为0％的有限元模型检测

(1)选取模型材料，建立通道注浆密实度为0％的有限元模型；

根据砼体1、砼体中通道2和通道中注浆体3各自的弹性模量E、密度ρ和泊松比υ和设定的通道注浆密实度C，在ANSYSLS-DYNA软件中建立通道注浆密实度有限元模型；其中，砼体1为强度为C50的混凝土，管道2为HPPE波纹管，注浆体3为M42.5型水泥，如图2所示，材料参数如表1所示：

表1

	E(GPa)	ρ(kg/m3)	υ
				砼体	33.5	2400	0.2
管道	1.07	952	0.41
				注浆体	10	3120	0.2

(2)在LS-prepost中提取数据，获取波速随时间变化的波形图(二维图)，即得到通道注浆密实度0％对应的应力波检测信号；

在步骤(1)得到的有限元模型中砼体1左侧外壁对应通道2中心位置施加脉冲载荷，激发应力波，在砼体1右侧外壁对应通道2中心位置获取回波的时域信号，即透射(或反射)应力波检测信号。如图3a所示，波形图横轴为时间，纵轴为波速；需要注意的是，采样时间设定为1ms，可根据需要设置采样间隔，本实施例中将采样间隔设定为2μs。

(3)利用软件MATLAB将应力波检测信号转换为三维图，即得到最优p值；

将应力波检测信号在MATLAB软件中的(ɑ,u)平面进行二维搜索，搜索点数根据采样 时间和采样间隔设定，在此设搜索点数为1ms/2μs＝500；搜索范围为一个分数阶周期，即p＝0至4，则p的搜索间隔为4/500＝0.008；如图4所示，通过MATLAB得到应力波检测信号的分数阶傅里叶变换的三维图，即计算出(ɑ,u)平面上的幅度值并得到其最高峰值点，设最高峰值点对应的p值为最优p值；其中，ɑ＝pπ/2。

(4)对应力波检测信号进行p阶分数阶傅里叶变换；

选取最优p值，本有限元模型的最优p值为3.75，在MATLAB里对应力波检测信号进行p阶分数阶傅里叶变换，得到其分数阶幅度谱，如图5所示；所用的分数阶傅里叶变换的公式为：

$X_p\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{K}_p(u,t)x\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，Kp(u,t)为p阶分数阶傅里叶变换的核函数，x(t)表示应力波检测信号，dt为单位时间，并定义Xp(u)为步骤a所得应力波检测信号的p阶分数阶傅里叶变换的分数阶幅度；得到的分数阶幅度谱中，横坐标为分数阶域u，纵坐标为分数阶幅度。

核函数Kp(u,t)的计算公式为：

其中，δ(u+t)，δ(u-t)为坐标平移公式，n为整数，ɑ＝pπ/2，p为分数阶傅里叶变换的阶次。

下面对X p(u)求解方法作简要说明：

根据选定的p值，带入公式ɑ＝pπ/2和核函数的求解公式后，即得Kp(u,t)，又x(t)是已知的，通过分数阶傅里叶变换公式求出Xp(u)。

(5)对分数阶频谱的结果进行分析；

为了更好的分析数据，可将分数阶幅度谱进行低通滤波，将滤波后的分数阶幅度谱进行比较，如图6a所示。

注浆密实度为30％的有限元模型检测

步骤与注浆密实度为0％的有限元模型检测的差别仅在于有限元模型的注浆密实度为30％，并对其进行p＝3.75阶分数阶傅里叶变换。

为了更好的分析数据，可将分数阶幅度谱进行低通滤波，得到清晰的二维图，如图6b所示。

注浆密实度为50％的有限元模型检测

步骤与注浆密实度为0％的有限元模型检测的差别仅在于有限元模型的注浆密实度为50％，并对其进行p＝3.75阶分数阶傅里叶变换。

为了更好的分析数据，可将分数阶幅度谱进行低通滤波，得到清晰的二维图，如图6c所示。

注浆密实度为70％的有限元模型检测

步骤与注浆密实度为0％的有限元模型检测的差别仅在于有限元模型的注浆密实度为70％，并对其进行p＝3.75阶分数阶傅里叶变换。

为了更好的分析数据，可将分数阶幅度谱进行低通滤波，得到清晰的二维图，如图6d所示。

注浆密实度为100％的有限元模型检测

步骤与注浆密实度为0％的有限元模型检测的差别仅在于有限元模型的注浆密实度为100％，并对其进行p＝3.75阶分数阶傅里叶变换。

为了更好的分析数据，可将分数阶幅度谱进行低通滤波，得到清晰的二维图，如图6e所示。

实施例1

下面以检测实际桥梁为例，包括以下步骤：

(1)在待测桥梁的任意一块梁板的孔道外激发应力波检测信号，获取其对应的应力波检测信号，其中该梁板的尺寸为长0.9米、宽0.3米，孔径0.04米；

在砼体一侧施加脉冲载荷，激发应力波，在砼体另一侧获取回波的时域信号，即透射(或反射)应力波检测信号。

(2)利用软件MATLAB将应力波检测信号转换为三维图，得到最优p值；

将应力波检测信号在MATLAB软件中的(ɑ,u)平面进行二维搜索，搜索点数根据采样时间和采样间隔设定，本实施例中搜索点数为500；搜索范围为0至4，则p的搜索间隔为0.008；计算出(ɑ,u)平面上的幅度值。

(3)对应力波检测信号进行p＝3.75阶分数阶傅里叶变换；

在MATLAB里对应力波检测信号进行p阶分数阶傅里叶变换，得到其分数阶幅度谱；本实施例中所用的分数阶傅里叶变换的公式为：

$X_p\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{K}_p(u,t)x\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

核函数Kp(u,t)的计算公式为：

(4)对分数阶幅度谱的结果进行分析；

为了更好的分析数据，可将分数阶幅度谱进行低通滤波，将滤波后的分数阶幅度谱进行比较，如图6f所示。

(5)对本实施例中所得上述应力波检测信号进行小波变换法和声速法或现有技术的其他任意一种方法；

小波变换法(中国发明专利申请CN 103245732A详载)和声速法(湘潭天鸿检测科技有限公司生产的TH402型管道注浆密实度无损检测仪说明书内详载)为已知的，在此不作赘述。

实施例1所得检测结果见表1。

实施例2

本实施例与实施例1的差别仅在于选定的待测桥梁的梁板不同，其尺寸仍为长0.9米、宽0.3米，孔径0.08米。

为了更好的分析数据，可将分数阶幅度谱进行低通滤波，得到清晰的二维图，如图6g 所示。

实施例2所得检测结果见表1。

实施例3

本实施例与实施例1的差别仅在于选定的待测桥梁的梁板的尺寸为长1.8米、宽0.6米，孔径0.16米。

为了更好的分析数据，可将分数阶幅度谱进行低通滤波，得到清晰的二维图，如图6h所示。

实施例3所得检测结果见表1。

表1

从表1可看出，在相同的p值下，分数阶傅里叶变换明显优于其余两种现有技术，本发明提供的预应力通道注浆密实度检测方法比另两种方法的精度都高的多，具有显著的进步。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种预应力通道注浆密实度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a)在待测通道外激发应力波，获得应力波检测信号；

步骤b)将步骤a所得应力波检测信号进行分析处理；

步骤c)对应力波检测信号进行分数阶傅里叶变换，对结果进行分析。

2.根据权利要求1所述的预应力通道注浆密实度检测方法，其特征在于，步骤a之前还包括步骤a0，其具体操作为：建立有限元模型，对有限元模型外激发的应力波检测信号进行分析处理后再进行分数阶傅里叶变换，结果留待备用。

3.根据权利要求1所述的预应力通道注浆密实度检测方法，其特征在于，步骤a的具体操作为：选取桥梁的待检测位置，在待检测位置处激发应力波，获得应力波检测信号。

4.根据权利要求1所述的预应力通道注浆密实度检测方法，其特征在于，步骤b的具体操作为：利用MATLAB对应力波检测信号进行二维搜索，由此得到应力波检测信号的分数阶傅里叶变换的三维图，三维图的幅度值即为分数阶傅里叶变换值，横轴为p。

5.根据权利要求4所述的预应力通道注浆密实度检测方法，其特征在于，步骤c的具体操作为：设p值为分数阶傅里叶变换的变换阶次，在MATLAB里对应力波检测信号进行p阶分数阶傅里叶变换，得到分数阶幅度谱后进行分析，判断通道内是否有缺陷及缺陷的大概范围。

6.根据权利要求1所述的预应力通道注浆密实度检测方法，其特征在于，对应力波检测信号进行分数阶傅里叶变换的公式为：

$X_p\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{K}_p(u,t)x\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right),$

其中，x(t)表示应力波检测信号，即应力波的波速随时间变化的值，并定义Xp(u)为步骤a所得应力波检测信号的p阶分数阶傅里叶变换的分数阶幅度，Kp(u,t)为p阶分数阶傅里叶变换的核函数，dt为单位时间。

7.根据权利要求6所述的预应力通道注浆密实度检测方法，其特征在于，核函数Kp(u,t)的计算公式为：

其中，δ(u+t)，δ(u-t)为坐标平移公式，n为整数，ɑ＝pπ/2，p为分数阶傅里叶变换的变换阶次，u为分数阶域。