CN106959365B - 一种钢筋混凝土主梁结构锈胀裂缝开裂参数监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土主梁结构锈胀开裂参数监测方法，采用椭圆形PZT智能骨料监测混凝土结构主梁结构锈胀开裂情况，将智能骨料传感器嵌入混凝土中，将骨料作为传感器和驱动器，将应力波传播的信号与标定信号进行比较，利用多重延时成像技术，结合小波变换处理技术，从而得到锈胀裂缝发生的时间以及裂缝扩展的宽度和深度。与现有技术相比，本发明可以实现实时监测，在施工过程对装置进行镶嵌，实现结构—装置一体化，避免装置对结构本身的损伤；同时结合现有的损伤识别技术和信号处理技术，从而提高测试的精度和智能化。

Description

一种钢筋混凝土主梁结构锈胀裂缝开裂参数监测方法

技术领域

本发明涉及一种钢筋混凝土主梁结构锈胀裂缝开裂参数监测方法。

背景技术

对于大气环境下、近海环境下以及使用除冰盐的钢筋混凝土桥梁结构，腐蚀介质(氯离子或者二氧化碳)将引发混凝土中的钢筋锈蚀，锈蚀产物导致混凝土保护层开裂、甚至剥落，进一步可能引起钢筋混凝土桥梁结构主梁断裂等问题。为了维持此类结构的正常服役功能，需要消耗大量的人力物力进行修补。以维持服役桥梁使用功能混凝土结构劣化的主要原因是钢筋腐蚀和混凝土锈胀裂缝开裂。据不完全统计，我国每年用于桥梁维修加固的资金投入达到数百亿元。归纳起来主要有如下原因：1)我国桥梁数量多；2)桥梁维修管理的主动性不够；3)现有的桥梁使用性能预测模型精度不高，这主要由于桥梁锈胀裂缝开裂的开始时间、裂缝的宽度与深度监测手段有待于进一步完善，为建立可靠的预测模型提供有力支持。

目前对钢筋混凝土主梁结构锈胀裂缝开裂参数监测手段主要存在下列问题：1)对结构锈胀裂缝开裂开始时间的监测不及时，现有的锈胀裂缝开裂开始时间模型主要是基于实验室室内实验模型数据，对实桥的应用还有一定的差距；2)锈胀裂缝的宽度监测不准，现有的锈胀裂缝宽度模型大部分根据实验室数据拟合，实桥环境更为复杂，尚难以完全应用到实桥；3)锈胀裂缝的深度监测方法目前尚无报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种钢筋混凝土主梁结构锈胀裂缝开裂参数监测方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种钢筋混凝土主梁结构锈胀裂缝开裂参数监测方法，包括以下步骤：

1)在主梁结构1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8截面以及主梁结构的两端各安装两个PZT压电智能传感器，对于任一截面或者主梁结构任一端的两个PZT压电智能传感器，其中一个PZT压电智能传感器沿着水平纵向安装，用以记录混凝土结构锈胀裂缝开裂的宽度，另外一个PZT压电智能传感器垂直于水平方向安装，用以记录结构锈胀裂缝的深度；

2)基于PZT正压电效应的本构关系以及混凝土锈胀裂缝开裂效应力学原理，建立椭圆形压电智能骨料与锈胀裂缝开裂时间参数的力学模型及变换模型，t_crack＝D_水平/v_g1+D_纵向/v_g2+t_ok，t_crack为锈胀裂缝开裂时间，D_水平为PZT压电智能传感器携带的水平开裂信号，D_纵向为PZT压电智能传感器携带的纵向开裂信号，v_g1为信号水平传播速度，v_g2为信号水平传播速度；t_ok为时间延误信息，并认为椭圆形传感器主要受轴向力以及轴向力在传感器极化面上均匀分布，求解椭圆形压电智能传感器与混凝土锈胀裂缝开裂参数的对应关系，分析锈胀裂缝开裂特征与传感器激励信号随应力波频率的关系；

3)利用在第2)步中建立的椭圆形压电智能骨料与锈胀裂缝开裂参数的力学模型，通过设备对桥梁主梁结构在基准时间t0时的信号的激励和获取，对基准时刻t0时的信息进行傅里叶变化以及小波技术处理，记录新建桥梁在没有锈胀裂缝开裂时刻的频率、振幅参数信息，并记录在当时条件下的环境参数；

4)利用锈胀裂缝开裂时刻的频率、振幅参数信息，通过信号标定处理，将主梁结构有锈胀裂缝开裂时的横向应力波和纵向应力波进行降噪处理，结合温度、湿度，对混凝土主梁结构进行定期地、长期地监测，剔除不稳定数据，得到混凝土桥梁主梁结构锈胀裂缝开裂的开始时间、锈胀裂缝开裂的宽度和深度数据。

步骤2)中，椭圆形压电智能传感器与混凝土锈胀裂缝开裂参数的对应关系求解过程包括：

1)桥梁刚建成时，设立基准时间t0，获得锈胀裂缝还没有发生时的基准信号并记录基准信号

2)获取任意时间t主梁结构有锈胀裂缝开裂时的横向应力波信号s_ti-h和纵向应力波信号s_ti-z；

3)通过带通滤波器，利用时域卷积和小波变换技术，进行带有锈胀裂缝开裂的横向应力波信号和纵向应力波信号过滤，去除噪音的影响；

4)将过滤后的带有锈胀裂缝开裂的横向应力波信号和纵向应力波信号分别与无锈胀裂缝开裂时的横向应力波信号和纵向应力波信号进行对比分析，校准带锈胀裂缝开裂信息的横向应力波与纵向应力波的传播速度；

5)将当次测试信号与基准信号频域计算分析，得到带有锈胀裂缝开裂信息的随距离变化的横向应力波信号和纵向应力波信号；

6)对带有锈胀裂缝开裂信息的横向应力波信号和纵向应力波信号进行频谱分析，得到残差信号，并对残差信号进行希尔伯特变化，对横向应力波信号和纵向应力波信号进行相关性和归一化处理；

7)利用相关性和归一化处理后的横向应力波信号和纵向应力波信号，对主梁结构内部任意关心位置的图像值进行卷积分析，对上述步骤进行反复计算和标定，得到相应位置的总体图像信息；利用激励器对总体图像信息进行处理，得到锈胀裂缝开裂的图像以及开裂的信息。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过将智能骨料传感器嵌入混凝土中，将骨料作为传感器和驱动器，当混凝土发生锈胀裂缝开裂以及裂缝扩展时，应力波传播的信号发生变化，与标定信号进行比较，利用多重延时成像技术，结合小波变换处理技术，可以得到锈胀裂缝发生的时间以及裂缝扩展的宽度和深度。本发明能够实现实时监测；施工过程中嵌入混凝土中，不对结构造成损伤，与结构和为一体；能够测试锈胀裂缝开裂的深度，弥补了现有测试技术的不足；结合现有的损伤识别技术和信号处理技术，提高了测试的精度和智能化。

附图说明

图1为本发明椭圆形PZT智能骨料传感器示意图；

图2为本发明新建桥梁片主梁结构传感器的布置图；

图3为本发明测试信号连接图。

具体实施方式

如图1所示，本发明制作嵌入式椭圆形PZT压电智能骨料传感器1，将椭圆形PZT压电陶瓷传感器用防水层2和保护层3包好，在压电陶瓷传感器上涂抹一层环氧树脂防水层，用以绝缘和粘结外包层。在防水层外再包一层与主梁结构同一级配的混凝土外包层，防止传感器在结构内部被压碎，起到保护的作用。

在新建桥梁主梁结构4施工过程中，绑扎于受力主钢筋5下表面，以保护在混凝土浇注过程中遭受破坏。一片主梁结构分别1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8，7/8截面以及梁的两端各安装两个传感器，一个是沿着水平纵向安装，用以记录混凝土结构锈胀裂缝开裂的宽度，另外一个是垂直于水平方向安装，用以记录结构锈胀裂缝的深度，同时将主梁结构分成7个区，目的是为了获取不同方向的锈胀裂缝开裂信号。共计18个传感器，具体的安装方法见图2。

建立椭圆形压电陶瓷实时监测力学模型。基于PZT正压电效应的本构关系以及混凝土锈胀裂缝开裂效应力学原理，建立了椭圆形压电智能骨料力学模型及变换模型，并认为椭圆形传感器主要受轴向力以及轴向力在传感器极化面上均匀分布，求解了椭圆形压电智能传感器与混凝土锈胀裂缝开裂参数的对应关系，分析了锈胀裂缝开裂特征与传感器激励信号随应力波频率的关系。

椭圆形PZT智能传感器信号标定以及混凝土桥梁主梁结构在服役过程中的测试涉及到的设备有信号数字发生器6、压电驱动电源7、数字示波器8、数据终端处理器9，其连接顺序见图3。利用在第3)步中建立的椭圆形压电智能骨料与锈胀裂缝开裂参数的力学模型，通过设备对桥梁主梁结构4在基准时间t₀时的信号的激励和获取，经过数字示波器8，利用数据终端处理器9对基准时刻t₀时的信息进行傅里叶变化以及小波技术处理，记录新建桥梁在没有锈胀裂缝开裂时刻时频率、振幅等参数信息，并储存起来，并记录在当时条件下的环境参数。

由PZT传感器与PZT传感器之间接收的信号获取混凝土结构锈胀裂缝开裂图像技术的主要步骤为：

a)桥梁刚建成，设立基准时间t0，获得锈胀裂缝还没有发生时的基准信号并记录下来；

b)获取任意时间t结构有锈胀裂缝开裂时的横向应力波信号s_ti-h和纵向应力波信号s_ti-z；

c)通过带通滤波器，利用时域卷积和小波变换技术，进行带有锈胀裂缝开裂的横向应力波和纵向应力波信息进行过滤，去除噪音的影响；

d)通过与无锈胀裂缝开裂时的信号对比分析，校准带锈胀裂缝开裂信息的横向应力波与纵向应力波的传播速度；

e)通过与基准信号对比分析，可以计算得到带有锈胀裂缝开裂信息的随距离变化的衰减规律；

f)对带有锈胀裂缝开裂信息的横向应力波和纵向应力波信号进行运算处理，得到残差信号，并对残差信号进行希尔伯特变化，并对横向应力波信号和纵向应力波信号进行相关性和归一化处理；

g)计算结构内部任意关心位置的图像值，通过信号叠加处理，由于有多个传感器和驱动器，信号会发生反射以及衍射，一些反射和衍射脉冲中含有锈胀裂缝开裂信息，对上述步骤进行反复计算和标定，以得到相应位置的总体图像信息；另外可以通过模拟软件，利用激励器对信息进行相关处理，得到锈胀裂缝开裂的图像以及开裂的信息，还可以将PZT传感器中的反射信号的强度以及结构内部PZT传感器的分布设定的反射系数运用到结构的新的成像中，这样可以提高锈胀损失监测的精度。

6)混凝土主梁锈胀裂缝开裂信息识别技术。利用第3)步建立的PZT智能传感器与驱动器的力学模型以及结构锈胀裂缝开裂参数对应关系表达式，通过信号标定处理，将横向应力波和纵向应力波进行降噪处理，引入不确定性分析技术，结合环境参数，对混凝土主梁结构进行定期地、长期地监测，剔除不稳定数据，通过对数据的概率统计以及小波变换，即可得到混凝土桥梁主梁结构锈胀裂缝开裂的开始时间、锈胀裂缝开裂的宽度和深度数据，为桥梁维修加固决策提供数据支持。

Claims (2)

1.一种钢筋混凝土主梁结构锈胀裂缝开裂参数监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在主梁结构1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8截面以及主梁结构的两端各安装两个椭圆形压电智能传感器，对于任一截面或者主梁结构任一端的两个椭圆形压电智能传感器，其中一个椭圆形压电智能传感器沿着水平纵向安装，用以记录混凝土结构锈胀裂缝开裂的宽度，另外一个椭圆形压电智能传感器垂直于水平方向安装，用以记录结构锈胀裂缝的深度；

2)基于PZT正压电效应的本构关系以及混凝土锈胀裂缝开裂效应力学原理，建立椭圆形压电智能传感器与锈胀裂缝开裂时间参数的力学模型，t_crack＝D_水平/v_g1+D_纵向/v_g2+t_ok，t_crack为锈胀裂缝开裂时间，D_水平为椭圆形压电智能传感器携带的水平开裂信号，D_纵向为椭圆形压电智能传感器携带的纵向开裂信号，v_g1为信号水平传播速度，v_g2为信号纵向传播速度；t_ok为时间延误信息，并认为椭圆形压电智能传感器主要受轴向力以及轴向力在传感器极化面上均匀分布，求解椭圆形压电智能传感器与混凝土锈胀裂缝开裂参数的对应关系，分析锈胀裂缝开裂特征与传感器激励信号随应力波频率的关系；

3)利用在第2)步中建立的椭圆形压电智能传感器与锈胀裂缝开裂参数的力学模型，通过设备对桥梁主梁结构在基准时间t0时的信号的激励和获取，对基准时刻t0时的信息进行傅里叶变化以及小波技术处理，记录新建桥梁在没有锈胀裂缝开裂时刻的频率、振幅参数信息，并记录在当时条件下的环境参数；

4)利用锈胀裂缝开裂时刻的频率、振幅参数信息，通过信号标定处理，将主梁结构有锈胀裂缝开裂时的横向应力波和纵向应力波进行降噪处理，结合温度、湿度，对混凝土主梁结构进行定期地、长期地监测，剔除不稳定数据，得到混凝土桥梁主梁结构锈胀裂缝开裂的开始时间、锈胀裂缝开裂的宽度和深度数据。

2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土主梁结构锈胀裂缝开裂参数监测方法，其特征在于，步骤2)中，椭圆形压电智能传感器与混凝土锈胀裂缝开裂参数的对应关系求解过程包括：

1)桥梁刚建成时，设立基准时间t0，获得锈胀裂缝还没有发生时的基准信号并记录基准信号

2)获取任意时间t主梁结构有锈胀裂缝开裂时的横向应力波信号s_ti-h和纵向应力波信号s_ti-z；

3)通过带通滤波器，利用时域卷积和小波变换技术，进行带有锈胀裂缝开裂的横向应力波信号和纵向应力波信号过滤，去除噪音的影响；

4)将过滤后的带有锈胀裂缝开裂的横向应力波信号和纵向应力波信号分别与无锈胀裂缝开裂时的横向应力波信号和纵向应力波信号进行对比分析，校准带锈胀裂缝开裂信息的横向应力波与纵向应力波的传播速度；

5)将当次测试信号与基准信号频域计算分析，得到带有锈胀裂缝开裂信息的随距离变化的横向应力波信号和纵向应力波信号；

6)对带有锈胀裂缝开裂信息的横向应力波信号和纵向应力波信号进行频谱分析，得到残差信号，并对残差信号进行希尔伯特变化，对横向应力波信号和纵向应力波信号进行相关性和归一化处理；

7)利用相关性和归一化处理后的横向应力波信号和纵向应力波信号，对主梁结构内部任意关心位置的图像值进行卷积分析，

对上述步骤进行反复计算和标定，得到相应位置的总体图像信息；利用激励器对总体图像信息进行处理，得到锈胀裂缝开裂的图像以及开裂的信息。