CN110360964A - 基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土裂缝检测技术领域，尤其涉及基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置及方法，该装置由预埋在混凝土内的若干传感器依次连接形成单层多行多列的二维网格形状；传感器进一步包括：球形微孔隙主体、主体连接件和导气管。检测方法是通过导气管向传感器注入气体，单个传感器测量范围为球形气体渗透区域；当所有传感器测量完毕，被测区域先后被气体全部渗透；分析测得显著气压降的各个传感器及其周边所有相邻传感器的气压降情况，获得被测区域的混凝土裂缝位置、形态及分布情况。本发明实现对混凝土主梁内部、表观裂缝特征的长期、无损、跟踪检测，精度高，对产生表观裂缝的位置进行预测，达到混凝土桥梁预防性养护目的。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土裂缝检测技术领域，尤其涉及基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置及方法。
背景技术
钢筋混凝土桥梁量大面广。由于混凝土干缩、自缩造成的收缩裂缝以及水化热温度变化导致的温度裂缝，结构沉降不均带来的沉降裂缝，使得混凝土浇筑完毕或工程施工完成就不可避免的存在各类裂缝和微裂缝；在结构运营阶段，受外部荷载与结构疲劳的影响，原始微裂缝逐渐发展为宏观裂缝。在剪力、弯矩和自重的耦合作用下，主梁成为结构最易开裂的构件，梁板裂缝问题已经成为各类混凝土桥梁的主要病害，且随着服役时间的增加，裂缝呈现数目逐渐增多、宽度深度逐渐增大的趋势。
现有技术中，常规的裂缝检测方法为在结构表面发现裂缝后，采用裂缝观测仪、钻孔取芯或利用超声波检测仪去判断裂缝位置、大小，然后对裂缝的成因进行分析或裂缝对结构安全性能进行判断。然而上述检测方法均存在一定的局限性。首先，裂缝观测仪仅能测量裂缝宽度等表观特征，无法观测裂缝深度、走向等非表观特征；其次，钻孔取芯会对结构造成损坏，即为有损检测；最后，超声波检测虽然能够测量裂缝深度、走向等非表观特征，但其测量精度因钢筋或金属波纹管而存在不确定性。另一方面，上述检测方法均称为“纠正式养护”，即为在结构出现宏观裂缝后被动地采取应对措施，这种检测方法往往会错失最佳的养护维修时机。
进行鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置及方法，其更具有实用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置及方法，实现对混凝土结构内部的微裂缝和裂缝的无损检测。
为了达到上述目的，本发明一方面，提供了基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置，该装置由若干传感器构成，且预埋固定于主梁板式构件所在的平面内；
若干所述传感器依次连接形成单层多行多列的二维网格形状；
所述传感器进一步包括：球形微孔隙主体、主体连接件和导气管；
所述球形微孔隙主体的微孔隙均布于球体上，以使从所述球形微孔隙主体内扩散出的气体向全方位渗透，气体渗透的区域亦为球形，每个所述球形微孔隙主体为球形气体渗透区域的球心；
所述主体连接件固定于所述球形微孔隙主体上，设置有多个，用于球形微孔隙主体与钢筋之间的连接与固定；
所述导气管固定于其中一个所述主体连接件上，并与所述球形微孔隙主体的内部连通，用于往所述球形微孔隙主体内供气。
优选的，所述二维网格形状为若干所述传感器以等边三角形为最小单元在二维平面内拓展形成。
优选的，所述球形微孔隙主体的气体渗透半径为R，所述等边三角形的边长为所述R为主梁板式构件的厚度。
本发明的另一个方面，提供了基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测方法，该方法包括以下步骤：
确定钢筋混凝土的被测区域；
根据混凝土强度和被测构件的厚度，确定球形气体渗透区域的半径值；
固定基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置于被测区域的钢筋网上；
对所述基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置上的每个传感器进行编号；
对每个传感器进行气体渗透测量，获得各个传感器的气压降规律曲线；
标注测得显著气压降的传感器分布位置，形成分布图；
使用气压降流程分析方法，获得被测区域内裂缝的位置、形态及分布特征。
优选的，所述确定钢筋混凝土的被测区域的方法为：
对钢筋混凝土桥梁的主梁进行结构受力分析，确定裂缝最易出现的构件位置及范围。
优选的，所述传感器的个数由以下公式确定：
其中，
——Nx：检测网格内需布置的传感器列数；
——Ny：检测网格内需布置的传感器行数；
——Lx：被测区域的长度，x轴方向上；
——Ly：被测区域的宽度，y轴方向上；
——c：被测区域的保护层厚度值；
——R：球形气渗区域的半径值，数值上等同于被测板式构件的厚度；
——[]：表示数值取整。
优选的，在对传感器用直角坐标系给检测网格编号，具体方法为：用Si,j表示球形微孔隙不锈钢传感器，而传感器Si,j的整个球形气体渗透区域则用Xi,j表示；其中，i为该传感器所在的行号，范围为1至Ny；j为列号，范围为1至Nx。
优选的，在对每个传感器进行气体渗透测量时，包括以下步骤：
准备外接控制箱和氩气气瓶，确认气瓶内初始气压和含气量；
选取某一编号传感器，将其导气管与控制箱外接导气管相连接；
调节接控制箱内气压值至适宜数值，使用低压缓冲罐给传感器注气；
连续记录足够长时间Δt内该压力表的气压值，获得传感器的气压下降过程，即氩气通过传感器在混凝土内扩散的气压随时间变化曲线。
优选的，在对每个传感器进行气体渗透测量时，对传感器进行间隔测量，以避免相邻传感器之间的相互影响。
优选的，所述气体压降分析法为：以单个测得显著压降的传感器开始，其周边全部6个传感器的气压降规律曲线进行分析，获得该传感器球形气渗区域内裂缝的位置、形态等特征，具体由以下步骤组成：
A轮分析：
步骤A-1：选取某测得显著气压降的传感器Si,j，将其球形气体渗透区域设为分析对象Xi,j；
步骤A-2：查看与Xi,j相交的6个球形气渗区域是否测得显著气压降。若6个区域均未测得显著气压降，参见分析结果A-3；否则进入第二轮分析，参见步骤B-1；
分析结果A-3：有且仅有一种可能性：裂缝处于Xi,j范围内，且不在与其周边6个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
B轮分析：
步骤B-1：若仅有1个与Xi,j相交的球形气渗区域Xi+1,j测得显著气压降，参见步骤B-2；否则参见步骤C-1；
步骤B-2：查看与Xi+1,j相交的球形气渗区域是否测得显著气压降。若这些区域均未测得显著气压降，参见分析结果B-3；否则参见步骤D-1；
分析结果B-3：有三种可能性，分别是：
·1处长裂缝，贯穿Xi,j和Xi+1,j范围，且不在与其周边8个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
·2处短裂缝，分别处于Xi,j和Xi+1,j范围内，且不在与其他相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
·1处微裂缝，处于Xi,j和Xi+1,j两个球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
C轮分析：
步骤C-1：若仅有2个与Xi,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤C-2；否则参见步骤E-1；
步骤C-2：查看这2个球形气渗区域是否相交，若是Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1，参见步骤C-3；否则参见步骤B-1的分析方法；
步骤C-3：查看与Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1相交的9个球形气渗区域是否测得显著气压降；若这9个区域均未测试显著气压降，参见分析结果C-4；否则，参见步骤C-5；
分析结果C-4：有三种可能性，分别是：
·1处长宽裂缝，贯穿Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1范围内，且不在与其周边9个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
·1处长裂缝和1处短裂缝，长裂缝贯穿Xi,j和Xi+1,j范围内，短裂缝位于Xi,j+1范围内，且不在与其它相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内。或反之；
·3处微裂缝，分别处于Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1两两重叠的碟形区域内。
步骤C-5：若仅有1个与Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1相交的气渗区域测得显著气压降，此时可将Xi,j、Xi+1,j与Xi,j+1视为整体进行分析，借鉴D轮分析方法，参见步骤D-1；否则，借鉴C轮分析方法，参见步骤C-1；
D轮分析：
步骤D-1：若仅有1个与Xi+1,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤D-2；否则，可将Xi,j与Xi+1,j视为整体进行分析，借鉴C轮分析方法，参见步骤C-1；
步骤D-2：查看Xi,j、Xi+1,j及与Xi+1,j相交的球形气渗区域是否两两相交，若是，参照步骤C-3的分析方法；否则3个区域形成连线Xi,j、Xi+1,j和Xi+1,j+1，此时借鉴B轮分析方法，查看与Xi+1,j+1相交的球形气渗区域是否测得显著气压降，参见步骤B-2；
E轮分析：
步骤E-1：有且仅有3个与Xi,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤E-2；否则参见步骤F-1；
步骤E-2：查看这3个球形气渗区域是否相交，若是参见步骤E-3；否则，借鉴B轮分析法，分别查看这3个球形气渗区域与Xi,j及其周边区域的气压降情况，参见步骤B-1；
步骤E-3：这3个球形气渗区域的相交情况有两种可能，需对照实际情况做相应分析：
·步骤E-3-1.第一种可能，若这3个区域首尾相交，该情况与步骤C-2相似，参见步骤C-2进行分析；
·步骤E-3-2.第二种可能，若3个区域中，有1个为单独区域不与其他2个区域相交，而另2个区域相交，则分别进行如下分析：
·步骤E-3-2-1.对于1个单独区域，该情况与步骤B-1相同，参见步骤B-1进行分析；
·步骤E-3-2-2.对于2个相交区域，该情况与步骤C-2相同，参见步骤C-2进行分析；
F轮分析：
步骤F-1：有4个与Xi,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤F-2；否则，当与Xi,j相交的区域数量多于4个时，借鉴E轮或本轮分析思路即可，后续不再展开叙述；
步骤F-2：查看这4个球形气渗区域的相交情况，此时有三种可能，需对照实际情况做相应分析：
·步骤F-2-1：第一种可能，若4个区域两两首尾相交，该情况与步骤C-2相似，参见步骤C-2进行分析；
·步骤F-2-2：第二种可能，若有2个区域两两相交，另2个区域亦如此，但这两对区域分别独立，参见步骤F-3；
·步骤F-2-3：第三种可能，若4个区域中，有1个为单独区域不与其他3个区域相交，而其余3个区域两两首尾相交，则分别进行如下分析：
·步骤F-2-3-1：对于1个单独区域，该情况与步骤B-1相同，参见步骤B-1进行分析；
·步骤F-2-3-2：对于3个相交区域，该情况与步骤C-2相同，参见步骤C-2进行分析；
步骤F-3：分别对两两相交的两对区域进行气压降情况分析，参见步骤C-2进行分析。
本发明的有益效果为：通过在结构施工期预埋传感器二维网格、在结构运营期测量气压降的方式，实现对混凝土主梁裂缝特征和分布的精确、无损、跟踪检测。在微裂缝发展成为宏观裂缝的萌芽阶段或发展初期预警，形成一种预防性养护，以及时制定适宜的管养和加固措施，克服了现有技术中纠正式养护的缺陷。通过设置二维网格形状的混凝土裂缝特征无损检测装置，其中，传感器不仅能够保证气体顺利通过其自身向混凝土内扩散，而且在既定进气压下可以有效地控制气体扩散的区域形状及半径尺寸，是实现混凝土裂缝网格化检测的重要基础。通过预埋传感器的方式，可以实现对混凝土结构的长期、无损、跟踪检测，避免了其他检测方法对结构的破坏或扰动，也提高了实体结构裂缝检测结果的精度和真实性；
此外，本发明提出的基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测方法，该套方法一方面，不仅能够测量结构表层混凝土的开裂情况，更能够对结构内部的微裂缝和裂缝分布进行分析。另一方面，对结构内部的裂缝测量，能够将裂缝定位精确至十数厘米范围内。与传统方法相比，弥补了仅能检测表层混凝土的遗憾，同时，对精确预测混凝土开裂位置和走向、实现预防性养护而言具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中全部传感器的球形气体渗透区域示意图；
图3为本发明实施例中传感器的结构示意图；
图4为本发明实施例中小箱梁底板俯视图中的裂缝分布特征典型情况1的结构示意图；
图5为本发明实施例中小箱梁底板俯视图中的裂缝分布特征典型情况2的结构示意图；
图6为本发明实施例中小箱梁底板俯视图中的裂缝分布特征典型情况2的结构示意图。
附图标记：1-传感器、11-球形微孔隙主体、12-主体连接件、13-导气管。
具体实施方式
为了解决现有裂缝检测技术中存在的精度不够、或对构件有损以及被动观测等不足，本发明通过在结构施工期预埋传感器网格、在结构运营期测量气压降的方式，实现对混凝土主梁裂缝特征和分布的精确、无损、跟踪检测。在微裂缝发展成为宏观裂缝的萌芽阶段或发展初期预警，以及时制定适宜的管养和加固措施。对实现混凝土桥梁裂缝的预防性养护，具有十分重要的意义。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1～3所示的基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置，该装置由若干传感器1构成，且固定于主梁板式构件所在的平面内；
若干传感器1依次连接形成单层多行多列的二维网格形状；
传感器1进一步包括：球形微孔隙主体11、主体连接件12和导气管13；
球形微孔隙主体11的微孔隙均布于球体上，以使从球形微孔隙主体11内扩散出的气体向全方位渗透；气体渗透的区域亦为球形，每个所述球形微孔隙主体11为球形气体渗透区域的球心；
这里，将微孔隙主体设置为球形的作用在于控制气体的扩散方向，从球形的微孔隙主体中扩散出的气体在混凝土内向能全方位渗透，气体渗透的区域亦为球形。球形微孔隙主体11也是构建二维网格的基础，由于气体渗透的区域为球形，若干球形微孔隙主体11构成的二维网格，其球形气体渗透区域能够覆盖整个被测区域，合理设置网格点的间距，实现球形气体渗透区域的最小重叠区域，提高了测试的精度。
主体连接件12固定于球形微孔隙主体11上，设置有多个，用于球形微孔隙主体11与钢筋之间的连接与固定；具体的，主体连接件12设置于球形微孔隙主体11的六个视图所在的表面上，六个主体连接件12两两相对且其连线相交于球心处。
由于混凝土的原始裂缝大多以粗骨料与水泥浆结合界面的微裂缝性质存在，在外荷载作用下逐步发展深入水泥浆中，微裂缝与微裂缝连接形成宏观裂缝，最后形成贯穿裂缝。因此，本发明将球形微孔隙主体11固定于主梁的板式构件的平面内，沿主梁纵向和长度方向构建多行多列的检测网格，使得气体渗透区域覆盖整个主梁被测区域。具体的，将球形微孔隙主体11通过主体连接件12绑扎在主梁的钢筋网上。
导气管13固定于其中一个主体连接件12上，并与球形微孔隙主体11的内部连通，用于往球形微孔隙主体11内供气。这里需要指出的是，本发明中的球形微孔隙主体11、主体连接件12和导气管13均采用不锈钢结构，以防止混凝土浇筑后生锈被侵蚀，从而缩短装置寿命，在网格构建完毕后，梳理、固定导气管13，并将导气管13的末端收纳入主梁板式构件外部的输出线盒内，同时在导气管13上对球形微孔隙主体11进行编号，以便后期测量时分辨。
在上述实施例中，通过球形微孔隙主体11的设置，使从导气管13导入的气体的扩散区域为球形，从而使得网格构建后能对整个被测区域进行精准的测量；通过主体连接件12的设置，能够方便的将球形微孔隙主体11固定在钢筋网上，在混凝土浇筑和养护完毕后，能够方便的对被测区域进行定期的测量，从而及时的发现桥梁构件中的裂缝隐患，实现对桥梁的病患的及时发现与治理。
作为上述实施例的优选，本发明中的二维网格形状为若干传感器1以等边三角形为最小单元在二维平面内拓展形成。由于在网格构建时，三角形为构成平面的最小单元，为了便于测试与分析，本发明采用等边三角形的结构进行拓展。
进一步地，球形微孔隙主体11的气体渗透半径为R，等边三角形的边长为R为主梁板式构件的厚度。这里，从球形传感器中扩散出的气体在混凝土内向全方位渗透，气体渗透的区域亦为球形，半径为R，网格点即每个传感器位置为球形气体渗透区域的球心。球形气渗区域两两相交并有部分区域重叠。这样的网格布置方式使得当完成对所有传感器的气体渗透测量后，基本能够覆盖整个被测区域(覆盖率高于98％)，且球形气渗区域之间的重叠体积最小。球形气渗区域的两两重叠区域为碟形，该碟形区域的最大外径值为D。为了使得气渗区域尽可能多得覆盖被测区域，D值应与钢筋混凝土主梁的顶板、底板、腹板、肋板、翼缘板等板式构件的厚度一致。因D值大小等同于R值，且在既定进气压下，混凝土越密实气渗区域半径R值则越小。因此，应根据被测区域范围和所需要的R值大小反推选定进气压值。通常R值在18-25cm范围，进而选定进气压，通常在4-10bars之间。
本发明还提供基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测方法，包括以下步骤：
确定钢筋混凝土的被测区域；
根据混凝土强度和被测构件的厚度，确定球形气体渗透区域的半径值；
固定基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置于被测区域的钢筋网上；
对所述基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置上的每个传感器进行编号；
对每个传感器进行气体渗透测量，获得各个传感器的气压降规律曲线；
标注测得显著气压降的传感器分布位置，形成分布图；
使用气压降流程分析方法，获得被测区域内裂缝的位置、形态及分布特征。
在上述实施例中，主要由传感器检测网格和气压降流程分析法两部分组成。该套方法一方面，不仅能够测量结构表层混凝土的开裂情况，更能够对结构内部的微裂缝和裂缝分布进行分析。另一方面，对结构内部的裂缝测量，能够将裂缝定位精确至十数厘米范围内。与传统方法相比，弥补了仅能检测表层混凝土的遗憾，同时，对精确预测混凝土开裂位置和走向、实现预防性养护而言具有重要意义。
作为上述实施例的优选，所述确定钢筋混凝土的被测区域的方法为：
对钢筋混凝土桥梁的主梁进行结构受力分析，确定裂缝最易出现的构件位置及范围。以小箱梁为结构形式的桥梁主梁为例进行结构受力分析，发现小箱梁底板跨中的集中应力较大，以跨中位置为中心沿长度方向左右两侧一定区域最为典型，该区域被认为是主梁最易开裂的位置，因此选定为被测区域，区域宽为小箱梁底板宽度，高为底板厚度。
作为上述实施例的优选，所述传感器的个数由以下公式确定：
其中，
——Nx：检测网格内需布置的传感器列数；
——Ny：检测网格内需布置的传感器行数；
——Lx：被测区域的长度，x轴方向上；
——Ly：被测区域的宽度，y轴方向上；
——c：被测区域的保护层厚度值；
——R：球形气渗区域的半径值，数值上等同于被测板式构件的厚度；
——[]：表示数值取整。
以一个4m长、1.1m宽、0.2m高的被测区域为例，保护层厚度c为5cm，调节进气压可将球形气渗区域半径值R控制在20cm(可提前通过室内试验确认)，因此构建一个单层4行、11列的检测网格。最外层传感器距离被测区域边缘为10cm。
这里需要指出的是，如图2所示，在计算和确定检测网格的行数和列数时，需同时结合构件的钢筋网布置。为了使得气体渗透区域尽可能覆盖被测区域空间，最外层网格点即最外层传感器的位置距离被测区域边缘宜为R/2(含保护层厚度c在内)，因此球形气渗区域的部分空间将超出被测区域。若因实际尺寸无法匹配该要求，可适当调整最外层传感器与被测区域边缘的距离，但不能小于保护层厚度，即：传感器不能设置在保护层内；而且，由于球形气渗区域的相互交错，检测网格的每行每列实际上略有错层。
优选的，在对传感器用直角坐标系给检测网格编号，具体方法为：用Si,j表示球形微孔隙不锈钢传感器，而传感器Si,j的整个球形气体渗透区域则用Xi,j表示；其中，i为该传感器所在的行号，范围为1至Ny；j为列号，范围为1至Nx。
作为上述实施例的优选，在对每个传感器进行气体渗透测量时，包括以下步骤：
准备外接控制箱和氩气气瓶，确认气瓶内初始气压和含气量；由于氩气不与混凝土发生化学反应，可以作为测试的理想气体。
选取某一编号传感器，将其导气管与控制箱外接导气管相连接；
调节接控制箱内气压值至适宜数值，使用低压缓冲罐给传感器注气；
连续记录足够长时间Δt内该压力表的气压值，获得传感器的气压下降过程，即氩气通过传感器在混凝土内扩散的气压随时间变化曲线。
作为上述实施例的优选，在对每个传感器进行气体渗透测量时，对传感器进行间隔测量，以避免相邻传感器之间的相互影响。由于相邻传感器的球形气渗区域间存在一定的重叠区域，且气体彻底扩散完毕需要一定时间，因此为了避免相邻传感器扩散出的氩气之间的交叉作用影响检测结果，需要对传感器进行间隔测量。
具体的，气体压降分析法为：以单个测得显著压降的传感器开始，对其周边全部6个传感器的气压降规律曲线进行分析，获得该传感器球形气渗区域内裂缝的位置、形态等特征。
具体包括如下步骤：
A轮分析：
步骤A-1：选取某测得显著气压降的传感器Si,j，将其球形气体渗透区域设为分析对象Xi,j；
步骤A-2：查看与Xi,j相交的6个球形气渗区域是否测得显著气压降。这里需要指出的是，在板式构件所在平面中，每个传感器的球形气渗区域被另外6个传感器的球形气渗区域包围，并与之两两部分相交。在直角坐标系中，与Xi,j相交的6个球形气渗区域分别用Xi-1,j、Xi-1,j-1、Xi,j-1、Xi+1,j-1、Xi+1,j、Xi,j+1表示；
若6个区域均未测得显著气压降，参见分析结果A-3；否则进入第二轮分析，参见步骤B-1；
分析结果A-3：有且仅有一种可能性：裂缝处于Xi,j范围内，且不在与其周边6个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内。
B轮分析：
步骤B-1：若仅有1个与Xi,j相交的球形气渗区域(如Xi+1,j)测得显著气压降，参见步骤B-2；否则参见步骤C-1；
步骤B-2：查看与Xi+1,j相交的球形气渗区域是否测得显著气压降。这里，Xi+1,j围绕Xi,j，反之，Xi,j亦围绕Xi+1,j。Xi,j同时也是以Xi+1,j为中心并与之相交的6个球形气渗区域中的一个。因此，围绕Xi,j的6个球形气渗区域与围绕Xi+1,j的6个区域，除去Xi,j与Xi+1,j自身以及共享的2个球形气渗区域，此时可仅分析围绕Xi,j与Xi+1,j的8个球形气渗区域的气压降情况；
若这些区域均未测得显著气压降，参见分析结果B-3；否则参见步骤D-1；
分析结果B-3：有三种可能性，分别是：
·1处长裂缝，贯穿Xi,j和Xi+1,j范围，且不在与其周边8个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
·2处短裂缝，分别处于Xi,j和Xi+1,j范围内，且不在与其他相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
·1处微裂缝，处于Xi,j和Xi+1,j两个球形气渗区域相重叠的碟形区域内。
C轮分析：
步骤C-1：若仅有2个与Xi,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤C-2；否则参见步骤E-1；
步骤C-2：查看这2个球形气渗区域是否相交，若是(如Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1)，参见步骤C-3；否则参见步骤B-1的分析方法；这里需要指出的是，说明与Xi,j相交且测得显著气压降的2个球形气渗区域不相邻，此时可分别对这2个区域开展新一轮周边气渗区域的气压降情况分析，因此分析方法参见步骤B-1；
步骤C-3：查看与Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1相交的9个球形气渗区域是否测得显著气压降。这里需要指出的是，因Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1这3个球形气渗区域两两相交，因此，其中2个球形气渗区域分别为以另一个区域为中心并与之相交的6个球形气渗区域的其中之二。此外，分别与Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1这3个球形气渗区域相交的区域中有部分区域是重叠的，综上，可仅分析围绕Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1的9个球形气渗区域的气压降情况；
若这9个区域均未测试显著气压降，参见分析结果C-4；否则，参见步骤C-5；
分析结果C-4：有三种可能性，分别是：
·1处长宽裂缝，贯穿Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1范围内，且不在与其周边9个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
·1处长裂缝和1处短裂缝，长裂缝贯穿Xi,j和Xi+1,j范围内，短裂缝位于Xi,j+1范围内，且不在与其它相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内。或反之；
·3处微裂缝，分别处于Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1两两重叠的碟形区域内。
步骤C-5.若仅有1个与Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1相交的气渗区域测得显著气压降，此时可将Xi,j、Xi+1,j与Xi,j+1视为整体进行分析，借鉴D轮分析方法，参见步骤D-1；否则，借鉴C轮分析方法，参见步骤C-1。
D轮分析：
步骤D-1：若仅有1个与Xi+1,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤D-2；否则，可将Xi,j与Xi+1,j视为整体进行分析，借鉴C轮分析方法，参见步骤C-1；
步骤D-2：查看Xi,j、Xi+1,j及与Xi+1,j相交的球形气渗区域是否两两相交，若是，参照步骤C-3的分析方法；这里，当步骤D-2中的三个球形气渗区域两两相交，说明情况同步骤C-2，因此，可以参照步骤C-3的分析方法，但具体情况应做相应调整；
否则3个区域形成连线(如Xi,j、Xi+1,j和Xi+1,j+1)，此时借鉴B轮分析方法，查看与Xi+1,j+1相交的球形气渗区域是否测得显著气压降，参见步骤B-2。这里，当步骤D-2中的三个球形气渗区域并非两两相交而是形成连线，说明以Xi+1,j为中心，与之相交的6个球形气渗区域中仅有Xi,j和Xi+1,j+1测得显著气压降。因为与Xi,j和与Xi+1,j分别相交的6个球形气渗区域已被分析过，此时需继续对Xi+1,j+1开展新一轮周边球形气渗区域的气压降情况分析，因此参照步骤B-2的分析方法。如此往复。若分析后发现情况为否，则进入分析结果B-3所指向的结果，此时裂缝的位置和形态同样有三种可能，但具体情况应做相应调整。
E轮分析：
步骤E-1：有且仅有3个与Xi,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤E-2；否则参见步骤F-1；
步骤E-2：查看这3个球形气渗区域是否相交，若是参见步骤E-3；否则，借鉴B轮分析法，分别查看这3个球形气渗区域与Xi,j及其周边区域的气压降情况，参见步骤B-1。这里需要说明的是，当3个与Xi,j相交的球形气渗区域均互不相交时，说明这3个区域中的每2个区域中间必然夹着另一个未测得显著气压降的球形气渗区域。此时，可以单独分析任意一个区域与Xi,j相交的情况及其周边区域是否测得显著气压降，因此可以参照步骤B轮分析方法，但具体情况应做相应调整；
步骤E-3：这3个球形气渗区域的相交情况有两种可能，需对照实际情况做相应分析：
·步骤E-3-1.第一种可能，若这3个区域首尾相交，该情况与步骤C-2相似，这里需要指出的是，说明此时，这3个球形气渗区域与Xi,j集中在一起，彼此相交。此时，可以将它们看做一个整体，可参照步骤C-2，仅分析围绕Xi,j和这3个球形气渗区域的气压降情况，但具体情况应做相应调整；参见步骤C-2进行分析；
·步骤E-3-2.第二种可能，若3个区域中，有1个为单独区域不与其他2个区域相交，而另2个区域相交，则分别进行如下分析：
·步骤E-3-2-1.对于1个单独区域，该情况与步骤B-1相同，参见步骤B-1进行分析；
·步骤E-3-2-2.对于2个相交区域，这里需要说明的是，此时这2个相交球形气渗区域与Xi,j两两相交，此时有3个两两相交的区域，该情况与步骤C-2相同，可参见该步骤进行后续分析；，该情况与步骤C-2相同，参见步骤C-2进行分析。
F轮分析：
步骤F-1：有4个与Xi,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤F-2；否则，当与Xi,j相交的区域数量多于4个时，借鉴E轮或本轮分析思路即可，后续不再展开叙述；
步骤F-2：查看这4个球形气渗区域的相交情况，此时有三种可能，需对照实际情况做相应分析：
·步骤F-2-1：第一种可能，若4个区域两两首尾相交，该情况与步骤C-2相似，参见步骤C-2进行分析；
·步骤F-2-2：第二种可能，若有2个区域两两相交，另2个区域亦如此，但这两对区域分别独立，参见步骤F-3；
·步骤F-2-3：第三种可能，若4个区域中，有1个为单独区域不与其他3个区域相交，而其余3个区域两两首尾相交，则分别进行如下分析：
·步骤F-2-3-1：对于1个单独区域，该情况与步骤B-1相同，参见步骤B-1进行分析；
·步骤F-2-3-2：对于3个相交区域，该情况与步骤C-2相同，参见步骤C-2进行分析。
步骤F-3：分别对两两相交的两对区域进行气压降情况分析，参见步骤C-2进行分析。
由于裂缝分布的可能性千差万别，无法一一列举，这里选取三种小箱梁底板俯视图中典型的裂缝情况展示传感器气压降流程分析法的使用过程。
如图4所示的典型情况1：处于某传感器测量区域内的一条细小裂缝。当仅有某个传感器(如S24)的球形气渗区域X24测得显著气压降，此时查看与X24相交的6个球形气渗区域(即：X13、X23、X33、X34、X25和X14)的气压降情况，发现均未测得显著气压降。说明一条细小裂缝(长度小于40cm)仅处于球形气渗区域X24范围内，且不在与其周边6个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内，裂缝处于结构内部尚未发展至构件边缘；
如图5所示的典型情况2：跨越两个传感器测量区域的长裂缝。当仅有两个相邻传感器(如S24和S34)的球形气渗区域测得显著气压降，需查看与X24和与X34分别相交的6个球形气渗区域的气压降情况。鉴于两传感器相邻，说明X24和X34互为彼此的6个相交气渗区域中的一个，且与它们分别相交的6个球形气渗区域中有2个区域重复(X25和X33)，因此，实际只需查看8个球形气渗区域(即：X13、X23、X33、X44、X45、X35、X25和X14)的气压降情况，发现均未测得显著气压降。此时，裂缝的形态和分布有三种可能，分别是：1)一条长裂缝，跨越X24和X34范围，且不在与其周边8个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；2)分别处于X24和X34范围内的两条短裂缝，且不在与其它相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；和3)一条微裂缝，处于X24和X34相重叠的碟形区域内。综上，一条跨越两个传感器的球形气渗区域的长裂缝属于以上三种可能性之一，裂缝长度小于80cm；
如图6所示的典型情况3：底板横向贯穿裂缝。当有连续多个相邻传感器的球形气渗区域测得显著气压降，且传感器连续跨越检测网格的所有行(对于单层4行、11列的检测网格，如X13、X24、X33和X44)。此时，因X13和X44已经是最外缘的气渗区域，所以仅需查看与这4个球形气渗区域相交的全部8个气渗区域(即：X12、X14、X23、X25、X32、X34、X43和X45)的气压降情况，发现均未测得显著气压降。此时，裂缝的形态和分布有三种可能，分别是：1)一条贯穿底板横向的长裂缝，且不在与其周边8个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；2)分别处于4个测得显著气压降的球形气渗区域内的四条短裂缝，且不在与其它相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；3)一条长裂缝与若干条短裂缝，长裂缝跨越2个或3个相邻的测得显著气压降的球形气渗区域，其余短裂缝处于剩余的测得显著气压降的球形气渗区域内。综上，底板横向贯穿裂缝属于以上三种可能性之一，且因裂缝曲折蜿蜒，所以其长度应大于底板宽度1.1m，但小于1.6m。这里需要指出的是，在此情况基础上，与测得显著气压降的4个球形气渗区域相交的全部8个气渗区域里，若有一个或以上区域发现测得显著气压降(如X14)，此时，裂缝的形态和分布在以上三种可能性的基础上，还有下列可能性：1)一条贯穿底板横向的长裂缝，但裂缝末端处于X13和X14这两个球形气渗区域相重叠的碟形区域内；2)一条贯穿底板横向的长裂缝，裂缝末端体积较大或曲折蜿蜒较严重，末端同时处于X13和X14这两个球形气渗区域内。
本发明通过预埋在钢筋混凝土桥梁主梁内的若干球形气体渗透传感器构建检测网格；向传感器分别注入测试气体，单个传感器测量范围为球形气体渗透区域；当网格内所有传感器测量完毕，被测区域空间先后被气体全部渗透；分析测得显著气压降的传感器及其周边所有相邻传感器的气压降情况，获得该位置处裂缝的位置、形态及走向等特征；梳理全部传感器的气压降，可以获得被测区域内的混凝土裂缝分布情况。本发明可实现对混凝土主梁内部、表观裂缝特征的长期、无损、跟踪检测，操作简单，精度较高，并对可能产生表观裂缝的位置进行预测，达到混凝土桥梁预防性养护目的。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置，其特征在于，该装置由若干传感器(1)构成，且预埋固定于主梁板式构件所在的平面内；
若干所述传感器(1)依次连接形成单层多行多列的二维网格形状；
所述传感器(1)进一步包括：球形微孔隙主体(11)、主体连接件(12)和导气管(13)；
所述球形微孔隙主体(11)的微孔隙均布于球体上，以使从所述球形微孔隙主体(11)内扩散出的气体向全方位渗透，气体渗透的区域亦为球形，每个所述球形微孔隙主体(11)为球形气体渗透区域的球心；
所述主体连接件(12)固定于所述球形微孔隙主体(11)上，设置有多个，用于球形微孔隙主体(11)与钢筋之间的连接与固定；
所述导气管(13)固定于其中一个所述主体连接件(12)上，并与所述球形微孔隙主体(11)的内部连通，用于往所述球形微孔隙主体(11)内供气。
2.根据权利要求1所述的基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置，其特征在于，所述二维网格形状为若干所述传感器(1)以等边三角形为最小单元在二维平面内拓展形成。
3.根据权利要求2所述的基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置，其特征在于，所述球形微孔隙主体(11)的气体渗透半径为R，所述等边三角形的边长为所述R等同于主梁板式构件的厚度。
4.基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定钢筋混凝土的被测区域；
根据混凝土强度和被测构件的厚度，确定球形气体渗透区域的半径值；
固定基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置于被测区域的钢筋网上；
对所述基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测装置上的每个传感器进行编号；
对每个传感器进行气体渗透测量，获得各个传感器的气压降规律曲线；
标注测得显著气压降的传感器分布位置，形成分布图；
使用气压降流程分析方法，获得被测区域内裂缝的位置、形态及分布特征。
5.根据权利要求4所述的基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测方法，其特征在于，所述确定钢筋混凝土的被测区域的方法为：
对钢筋混凝土桥梁的主梁进行结构受力分析，确定裂缝最易出现的构件位置及范围。
6.根据权利要求5所述的基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测方法，其特征在于，所述传感器的个数由以下公式确定：
其中，
——Nx：检测网格内需布置的传感器列数；
——Ny：检测网格内需布置的传感器行数；
——Lx：被测区域的长度，x轴方向上；
——Ly：被测区域的宽度，y轴方向上；
——c：被测区域的保护层厚度值；
——R：球形气渗区域的半径值，数值上等同于被测板式构件的厚度；
——[]：表示数值取整。
7.根据权利要求4所述的基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测方法，其特征在于，所述对每个传感器进行编号的具体方法为：对传感器用直角坐标系给检测网格编号，用Si,j表示球形微孔隙不锈钢传感器，而传感器Si,j的整个球形气体渗透区域则用Xi,j表示；其中，i为该传感器所在的行号，范围为1至Ny；j为列号，范围为1至Nx。
8.根据权利要求4所述的基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测方法，其特征在于，在对每个传感器进行气体渗透测量时，包括以下步骤：
准备外接控制箱和氩气气瓶，确认气瓶内初始气压和含气量；
选取某一编号传感器，将其导气管与控制箱外接导气管相连接；
调节接控制箱内气压值至适宜数值，使用低压缓冲罐给传感器注气；
连续记录足够长时间Δt内该压力表的气压值，获得传感器的气压下降过程，即氩气通过传感器在混凝土内扩散的气压随时间变化曲线。
9.根据权利要求7所述的基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测方法，其特征在于，在对每个传感器进行气体渗透测量时，对传感器进行间隔测量，以避免相邻传感器之间的相互影响。
10.根据权利要求4所述的基于气体渗透网格的混凝土裂缝特征无损检测方法，其特征在于，所述气体压降分析法包括多轮分析，由以下步骤组成：
A轮分析：
步骤A-1：选取某测得显著气压降的传感器Si,j，将其球形气体渗透区域设为分析对象Xi,j；
步骤A-2：查看与Xi,j相交的6个球形气渗区域是否测得显著气压降；若6个区域均未测得显著气压降，参见分析结果A-3；否则进入第二轮分析，参见步骤B-1；
分析结果A-3：有且仅有一种可能性：裂缝处于Xi,j范围内，且不在与其周边6个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
B轮分析：
步骤B-1：若仅有1个与Xi,j相交的球形气渗区域，如Xi+1,j，测得显著气压降，参见步骤B-2；否则参见步骤C-1；
步骤B-2：查看与Xi+1,j相交的球形气渗区域是否测得显著气压降；若这些区域均未测得显著气压降，参见分析结果B-3；否则参见步骤D-1；
分析结果B-3：有三种可能性，分别是：
·1处长裂缝，贯穿Xi,j和Xi+1,j范围，且不在与其周边8个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
·2处短裂缝，分别处于Xi,j和Xi+1,j范围内，且不在与其他相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
·1处微裂缝，处于Xi,j和Xi+1,j两个球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
C轮分析：
步骤C-1：若仅有2个与Xi,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤C-2；否则参见步骤E-1；
步骤C-2：查看这2个球形气渗区域是否相交，若是如Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1，参见步骤C-3；否则参见步骤B-1的分析方法；
步骤C-3：查看与Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1相交的9个球形气渗区域是否测得显著气压降；若这9个区域均未测试显著气压降，参见分析结果C-4；否则，参见步骤C-5；
分析结果C-4：有三种可能性，分别是：
·1处长宽裂缝，贯穿Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1范围内，且不在与其周边9个相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；
·1处长裂缝和1处短裂缝，长裂缝贯穿Xi,j和Xi+1,j范围内，短裂缝位于Xi,j+1范围内，且不在与其它相交球形气渗区域相重叠的碟形区域内；或反之；
·3处微裂缝，分别处于Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1两两重叠的碟形区域内；
步骤C-5：若仅有1个与Xi,j、Xi+1,j和Xi,j+1相交的气渗区域测得显著气压降，此时可将Xi,j、Xi+1,j与Xi,j+1视为整体进行分析，借鉴D轮分析方法，参见步骤D-1；否则，借鉴C轮分析方法，参见步骤C-1；
D轮分析：
步骤D-1：若仅有1个与Xi+1,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤D-2；否则，可将Xi,j与Xi+1,j视为整体进行分析，借鉴C轮分析方法，参见步骤C-1；
步骤D-2：查看Xi,j、Xi+1,j及与Xi+1,j相交的球形气渗区域是否两两相交，若是，参照步骤C-3的分析方法；否则3个区域形成连线，如Xi,j、Xi+1,j和Xi+1,j+1，此时借鉴B轮分析方法，查看与Xi+1,j+1相交的球形气渗区域是否测得显著气压降，参见步骤B-2；
E轮分析：
步骤E-1：有且仅有3个与Xi,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤E-2；否则参见步骤F-1；
步骤E-2：查看这3个球形气渗区域是否相交，若是参见步骤E-3；否则，借鉴B轮分析法，分别查看这3个球形气渗区域与Xi,j及其周边区域的气压降情况，参见步骤B-1；
步骤E-3：这3个球形气渗区域的相交情况有两种可能，需对照实际情况做相应分析：
·步骤E-3-1.第一种可能，若这3个区域首尾相交，该情况与步骤C-2相似，参见步骤C-2进行分析；
·步骤E-3-2.第二种可能，若3个区域中，有1个为单独区域不与其他2个区域相交，而另2个区域相交，则分别进行如下分析：
·步骤E-3-2-1.对于1个单独区域，该情况与步骤B-1相同，参见步骤B-1进行分析；
·步骤E-3-2-2.对于2个相交区域，该情况与步骤C-2相同，参见步骤C-2进行分析；
F轮分析：
步骤F-1：有4个与Xi,j相交的球形气渗区域测得显著气压降，参见步骤F-2；否则，当与Xi,j相交的区域数量多于4个时，借鉴E轮或本轮分析思路即可，后续不再展开叙述；
步骤F-2：查看这4个球形气渗区域的相交情况，此时有三种可能，需对照实际情况做相应分析：
·步骤F-2-1：第一种可能，若4个区域两两首尾相交，该情况与步骤C-2相似，参见步骤C-2进行分析；
·步骤F-2-2：第二种可能，若有2个区域两两相交，另2个区域亦如此，但这两对区域分别独立，参见步骤F-3；
·步骤F-2-3：第三种可能，若4个区域中，有1个为单独区域不与其他3个区域相交，而其余3个区域两两首尾相交，则分别进行如下分析：
·步骤F-2-3-1：对于1个单独区域，该情况与步骤B-1相同，参见步骤B-1进行分析；
·步骤F-2-3-2：对于3个相交区域，该情况与步骤C-2相同，参见步骤C-2进行分析；
步骤F-3：分别对两两相交的两对区域进行气压降情况分析，参见步骤C-2进行分析。
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