CN110927246A - 一种基于超声波ct的套筒灌浆密实度检测方法及其装置 - Google Patents

一种基于超声波ct的套筒灌浆密实度检测方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法及其装置，利用超声波CT技术，在混凝土结构的待测区域两侧分别设置超声波发射阵列和超声波接收阵列，使发射换能器与接收换能器一一正对，实现链式多发多收的检测，大幅提升了检测效率，检测过程中可一次完成超声波换能器的安装工作，在进行不同斜度的交叉检测时，不用移动超声波换能器，大大提高检测准确性。

Description

一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法及其装置
技术领域
本发明属于建筑质量检测技术领域，更具体地说，涉及一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法及其装置。
背景技术
装配式混凝土结构因具有工业化程度高、高效率、节能环保等优点，近年来在国内得到了迅速推广及使用。《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》((2016)71号文)的工作目标提出：以京津冀、长三角、珠三角三大城市群为发展装配式混凝土结构的重点推进地区，其余城市为积极推进地区或鼓励推进地区，力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30％。
装配式构件节点的有效连接是装配式混凝土结构的关键技术，也是装配式混凝土结构能否推广应用的关键。目前，钢筋套筒灌浆连接是装配式混凝土结构最常用的节点连接技术，相比传统的焊接连接和螺栓连接，钢筋套筒灌浆连接技术有效减小应力集中，适用范围广，施工方便，容易操作。钢筋套筒灌浆连接可靠性是结构整体性、良好抗震性能的重要保障。因此，住建部于2014年颁布了《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ1-2014)，该规程要求对钢筋套筒灌浆密实度进行全数检测。然而，目前关于装配式混凝土结构钢筋套筒灌浆密实度的检测体系尚不完善，缺乏可靠的现场灌浆密实度检测方法，这在一定程度上增加了装配式混凝土结构的推广难度。因此，研究钢筋套筒灌浆密实度的现场检测技术对于推动装配式混凝土结构发展具有重要现实意义。
在目前常用的混凝土结构无损检测技术中，超声波检测技术因其工艺简单、成本低廉、操作方便、使用安全等优势而得到广泛应用。而超声波层析成像(CT)技术则在此基础上进一步提高了超声波无损检测的成像精度和可视化程度，可定量描述混凝土中缺陷的大小、形状、位置等信息，是一种较为先进的无损检测技术。
对于装配式建筑套筒灌浆密实度，目前尚无有效的检测技术和有关文献报道。这主要是由灌浆套筒的特殊结构所造成的。传统超声波检测法检测精度较差、不能定量检测缺陷严重程度；X射线法则由于射线的存在，安全性也较差、且套筒外侧混凝土减弱仪器穿透能量，使图像模糊，增加缺陷的定量判定难度；冲击回波法则因灌浆套筒中不同介质的界面较多，无法通过冲击回波进行准确探测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要提供一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法及其装置，能够有效提高检测方法的效率及精度。
为了解决上述技术问题，本发明的一个方面提供了一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法，其包括如下步骤：
步骤1，根据套筒的位置、分布方向及形式，确定待测区域，并在该待测区域的一侧设置超声波发射阵列作为发射端，在该待测区域的另一侧设置超声波接收阵列作为接收端，超声波发射阵列上的发射换能器与超声波接收阵列上的接收换能器一一正对设置；
步骤2，将超声波激发器的开关打到识别档位，对每一组正对设置的发射换能器和接收换能器进行一发一收的超声波对测；
步骤3，系统软件自动对比每一组的首波时间差，通过分析初步定性判断套筒内的注浆是否密实；如果判断套筒内的注浆密实，则被检测对象为合格，无需进行后续步骤；
步骤4，如果根据超声波对测结果，判断套筒内的注浆某位置处存在不密实现象，检测人员将超声波激发器的开关打到检测档位，此时超声波发射阵列上的发射换能器依次单独发射超声波，超声波接收阵列上的所有接收换能器均处于接收状态，收集超声波经混凝土结构传递过来的超声波数据；
步骤5，通过系统软件建立被测混凝土结构的离散化模型，假设混凝土结构中超声波速度均匀，即慢度f(0)均匀；利用最短路径射线追踪算法得到含套筒的混凝土体中声波射线的传播路径，记录每条射线在每个单元内部的几何行走距离，形成单元行走距离矩阵A(0)；
步骤6，系统软件将步骤5计算得到的行走距离矩阵A(0)代入到ART迭代重建算法中，将理论声时与实测声时的误差分配到各个单元，并据此修正单元慢度，继而形成新的慢度分布矩阵f(1)；
步骤7，利用新的慢度分布矩阵f(1)重新代入到步骤5的最短路径射线追踪算法中，得到行走距离矩阵A(1)；
步骤8，将行走距离矩阵A(1)替代步骤6中的A(0)反演计算得到慢度分布矩阵f(2)；
步骤9，重复步骤6～8，直到f(n)满足收敛条件；
步骤10，根据计算得到的慢度分布矩阵f(n)，绘制被测结构剖面的速度分布色谱图，通过对色谱图的分析，确定套管内注浆的密实程度，并定量确定套筒内注浆体的缺陷大小。
作为本发明的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法的优选方案，所述步骤5中的最短路径射线追踪法的具体步骤为：首先根据被测结构具体尺寸，对其进行离散化处理，将待检测区域划分成一系列单元格并在单元格边界上设置若干节点，将彼此相邻的节点相连构成一个网络；然后对于某个网格节点，选取与其所有相邻的邻域点组成计算网格点；由一个源点出发，计算出从源点到计算网格点的透射走时、射线路径和射线长度；将除震源之外的所有网格点相继当作次级源，选取该节点相应的计算网格点，计算出从次级源点到计算网格点的透射走时、射线路径和射线长度；将每次计算出来的走时加上从震源到次级源的走时，作为震源点到该网格节点的走时，记录下相应的射线路径位置及射线长度。
作为本发明的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法的优选方案，所述步骤1中，还包括在所述发射换能器与混凝土结构的接触面上涂抹耦合剂的步骤，以及，在所述接收换能器与混凝土结构的接触面上涂抹耦合剂的步骤。
实施本发明的一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法，与现有技术相比较，具有如下有益效果：
(1)本发明的套筒灌浆密实度检测方法，利用超声波CT技术，通过链式多发多收的方式，大幅提升了检测效率，检测过程中可一次完成超声波换能器的安装工作，在进行不同斜度的交叉检测时，不用移动超声波换能器，大大提高检测准确性；
(2)本发明的套筒灌浆密实度检测方法，采用先整体对测初步判断缺陷位置，再通过CT扫描定量缺陷大小，从而既提高检测速度，又确保检测精度；
(3)本发明的套筒灌浆密实度检测方法，采用ART迭代重建算法，进行反演计算及图像重建，不仅仅针对混凝土结构内部的波速，同时对特征阻抗、首部幅值、频率均进行反演，增强超声CT检测的准确性。
此外，本发明的另一个方面还提供了一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置，包括计算机、图像显示器、超声波激发器和超声波数据采集仪，所述超声波激发器连接有超声波发射阵列，所述超声波数据采集仪连接有超声波接收阵列，所述超声波发射阵列设置在混凝土结构的待测区域的一侧，所述超声波接收阵列设置在混凝土结构的待测区域的另一侧，所述超声波发射阵列由多个发射换能器沿套筒的长度方向排列而成，所述超声波接收阵列由多个接收换能器沿套筒的长度方向排列而成，所述发射换能器与所述接收换能器一一正对设置。
作为本发明的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置的优选方案，所述超声波发射阵列和所述超声波接收阵列分别安装在各自的钢板架上，所述钢板架上设有可供钢板架安装在混凝土结构上的安装孔。
作为本发明的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置的优选方案，所述超声波发射阵列上的发射换能器沿钢板架的长度方向等距间隔布置；所述超声波接收阵列上的接收换能器沿钢板架的长度方向等距间隔布置。
作为本发明的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置的优选方案，每一所述发射换能器通过活扣固定在钢板架上；每一所述接收换能器通过活扣固定在钢板架上。
作为本发明的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置的优选方案，所述钢板架上设有刻度。
作为本发明的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置的优选方案，所述发射换能器和所述接收换能器均设有可伸缩的探头。
作为本发明的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置的优选方案，所述探头的底部设有弹簧机构。
作为本发明的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置的优选方案，所述发射换能器与混凝土结构的接触面上涂抹有耦合剂；所述接收换能器与混凝土结构的接触面上涂抹有耦合剂。
作为本发明的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置的优选方案，所述超声波激发器与所述超声波数据采集仪连接，所述超声波数据采集仪能够收集所述超声波激发器发射的超声波数据。
作为本发明的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置的优选方案，所述计算机分别与所述超声波数据采集仪和所述图像显示器连接，所述计算机能够对所述超声波数据采集仪收集到的超声波数据进行处理并生成图像，该图像由所述图像显示器示出。
实施本发明的一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置，与现有技术相比较，具有如下有益效果：
本发明的套筒灌浆密实度检测装置，通过超声波发射阵列和超声波接收阵列设置，能够实现链式多发多收的检测，大幅提升了检测效率，检测过程中可一次完成超声波换能器的安装工作，在进行不同斜度的交叉检测时，不用移动超声波换能器，大大提高检测准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明提供的一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法进行一发一收时的初步识别示意图；
图2是本发明提供的一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法进行多发多收时的检测示意图；
图3是本发明提供的一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置的结构示意图；
图4是本发明提供的一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置的超声波发射阵列或超声波接收阵列示意图。
其中图中标记：1为套筒，2为超声波发射阵列，21为发射换能器，3为超声波接收阵列，31为接收换能器，4为混凝土结构，5为超声波激发器，6为超声波数据采集仪，7为计算机，8为图像显示器，9为钢板架，10为安装孔。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明的一个方面提供的一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法的优选实施例，其包括如下步骤：
步骤1，根据套筒1的位置、分布方向及形式，确定待测区域，并在该待测区域的一侧设置超声波发射阵列2作为发射端，在该待测区域的另一侧设置超声波接收阵列3作为接收端，超声波发射阵列2上的发射换能器21与超声波接收阵列3上的接收换能器31一一正对设置。
还需要说明的是，所述步骤1中，还包括在所述发射换能器21与混凝土结构4的接触面上涂抹耦合剂的步骤，以及，在所述接收换能器31与混凝土结构4的接触面上涂抹耦合剂的步骤，使用耦合剂能有效排除发射换能器21和接收换能器31与混凝土结构4之间的空气，使超声波有良好穿透性，能有效地穿入混凝土结构4达到有效检测目的。
步骤2，将超声波激发器5的开关打到识别档位，对每一组正对设置的发射换能器21和接收换能器31进行一发一收的超声波对测。
步骤3，系统软件自动对比每一组的首波时间差，通过分析初步定性判断套筒1内的注浆是否密实；如果判断套筒1内的注浆密实，则被检测对象为合格，无需进行后续步骤。
步骤4，如果根据超声波对测结果，判断套筒1内的注浆某位置处存在不密实现象，检测人员将超声波激发器5的开关打到检测档位，此时超声波发射阵列2上的发射换能器21依次单独发射超声波，超声波接收阵列3上的所有接收换能器31均处于接收状态，收集超声波经混凝土结构4传递过来的超声波数据。
步骤5，通过系统软件建立被测混凝土结构4的离散化模型，假设混凝土结构4中超声波速度均匀，即慢度f(0)均匀；利用最短路径射线追踪算法得到含套筒1的混凝土结构4中声波射线的传播路径，记录每条射线在每个单元内部的几何行走距离，形成单元行走距离矩阵A(0)。
本实施例中，最短路径射线追踪法的具体步骤为：首先根据被测结构具体尺寸，对其进行离散化处理，将待检测区域划分成一系列单元格并在单元格边界上设置若干节点，将彼此相邻的节点相连构成一个网络；然后对于某个网格节点，选取与其所有相邻的邻域点组成计算网格点；由一个源点出发，计算出从源点到计算网格点的透射走时、射线路径和射线长度；将除震源之外的所有网格点相继当作次级源，选取该节点相应的计算网格点，计算出从次级源点到计算网格点的透射走时、射线路径和射线长度；将每次计算出来的走时加上从震源到次级源的走时，作为震源点到该网格节点的走时，记录下相应的射线路径位置及射线长度。
步骤6，系统软件将步骤5计算得到的行走距离矩阵A(0)代入到ART迭代重建算法中，将理论声时与实测声时的误差分配到各个单元，并据此修正单元慢度，继而形成新的慢度分布矩阵f(1)。
步骤7，利用新的慢度分布矩阵f(1)重新代入到步骤5的最短路径射线追踪算法中，得到行走距离矩阵A(1)。
步骤8，将行走距离矩阵A(1)替代步骤6中的A(0)反演计算得到慢度分布矩阵f(2)。
步骤9，重复步骤6～8，直到f(n)满足收敛条件。
步骤10，根据计算得到的慢度分布矩阵f(n)，绘制被测结构剖面的速度分布色谱图，通过对色谱图的分析，确定套管1内注浆的密实程度，并定量确定套筒1内注浆体的缺陷大小。
由此，本发明的套筒灌浆密实度检测方法，利用超声波CT技术，通过链式多发多收的方式，大幅提升了检测效率，检测过程中可一次完成超声波换能器的安装工作，在进行不同斜度的交叉检测时，不用移动超声波换能器，大大提高检测准确性；采用先整体对测初步判断缺陷位置，再通过CT扫描定量缺陷大小，从而既提高检测速度，又确保检测精度；采用ART迭代重建算法，进行反演计算及图像重建，不仅仅针对混凝土结构4内部的波速，同时对特征阻抗、首部幅值、频率均进行反演，增强超声CT检测的准确性。
此外，如图3和图4所示，本发明的另一个方面还提供了一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置，包括超声波激发器5、超声波数据采集仪6、计算机7和图像显示器8，所述超声波激发器5与所述超声波数据采集仪6连接，所述超声波数据采集仪6能够收集所述超声波激发器5发射的超声波数据；所述计算机分别与所述超声波数据采集仪6和所述图像显示器8连接，所述计算机7能够对所述超声波数据采集仪6收集到的超声波数据进行处理并生成图像，该图像由所述图像显示器8示出。
所述超声波激发器5连接有超声波发射阵列2，所述超声波数据采集仪6连接有超声波接收阵列3，所述超声波发射阵列2设置在混凝土结构4的待测区域的一侧，所述超声波接收阵列3设置在混凝土结构4的待测区域的另一侧，所述超声波发射阵列2由多个发射换能器21沿套筒1的长度方向排列而成，所述超声波接收阵列3由多个接收换能器31沿套筒1的长度方向排列而成，所述发射换能器21与所述接收换能器31一一正对设置。
由此，本发明的套筒灌浆密实度检测装置，通过超声波发射阵列2和超声波接收阵列3设置，能够实现链式多发多收的检测，大幅提升了检测效率，检测过程中可一次完成超声波换能器的安装工作，在进行不同斜度的交叉检测时，不用移动超声波换能器，大大提高检测准确性。
示例性的，所述超声波发射阵列2和所述超声波接收阵列3分别安装在各自的钢板架9上，所述钢板架9上设有可供钢板架9安装在混凝土结构4上的安装孔10，让超声波发射阵列2和超声波接收阵列3更方便装卸。
示例性的，所述超声波发射阵列2上的发射换能器21沿钢板架9的长度方向等距间隔布置；所述超声波接收阵列3上的接收换能器31沿钢板架9的长度方向等距间隔布置，从而能够使超声波换能器更均匀地发射与接收超声波，让检测结果更加精准。
示例性的，每一所述发射换能器21通过活扣固定在钢板架9上；每一所述接收换能器31通过活扣固定在钢板架9上，从而，发射换能器21和接收换能器31的位置、间距和数量均可根据被测物来具体调整，使用活扣固定的方式，使超声波换能器更方便装卸。
示例性的，为了发射换能器21和接收换能器31能更方便、准确地定位，所述钢板架9上设有刻度。
示例性的，所述发射换能器21和所述接收换能器31均设有可伸缩的探头，所述探头的底部设有弹簧机构，因此确保了超声波发射阵列2和超声波接收阵列3安装在混凝土结构4表面时，发射换能器21和接收换能器31能够与混凝土结构4紧密服帖。
示例性的，所述发射换能器21与混凝土结构4的接触面上涂抹有耦合剂，所述接收换能器31与混凝土结构4的接触面上涂抹有耦合剂，使用耦合剂能有效排除发射换能器21和接收换能器31与混凝土结构4之间的空气，使超声波有良好穿透性，能有效地穿入混凝土结构4达到有效检测目的。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据套筒的位置、分布方向及形式，确定待测区域，并在该待测区域的一侧设置超声波发射阵列作为发射端，在该待测区域的另一侧设置超声波接收阵列作为接收端，超声波发射阵列上的发射换能器与超声波接收阵列上的接收换能器一一正对设置；
步骤2，将超声波激发器的开关打到识别档位，对每一组正对设置的发射换能器和接收换能器进行一发一收的超声波对测；
步骤3，系统软件自动对比每一组的首波时间差，通过分析初步定性判断套筒内的注浆是否密实；如果判断套筒内的注浆密实，则被检测对象为合格，无需进行后续步骤；
步骤4，如果根据超声波对测结果，判断套筒内的注浆某位置处存在不密实现象，检测人员将超声波激发器的开关打到检测档位，此时超声波发射阵列上的发射换能器依次单独发射超声波，超声波接收阵列上的所有接收换能器均处于接收状态，收集超声波经混凝土结构传递过来的超声波数据；
步骤5，通过系统软件建立被测混凝土结构的离散化模型，假设混凝土结构中超声波速度均匀，即慢度f(0)均匀(慢度即速度的倒数)；利用最短路径射线追踪算法得到含套筒的混凝土体中声波射线的传播路径，记录每条射线在每个单元内部的几何行走距离，形成单元行走距离矩阵A(0)；
步骤6，系统软件将步骤5计算得到的行走距离矩阵A(0)代入到ART迭代重建算法中，将理论声时与实测声时的误差分配到各个单元，并据此修正单元慢度，继而形成新的慢度分布矩阵f(1)；
步骤7，利用新的慢度分布矩阵f(1)重新代入到步骤5的最短路径射线追踪算法中，得到行走距离矩阵A(1)；
步骤8，将行走距离矩阵A(1)替代步骤6中的A(0)反演计算得到慢度分布矩阵f(2)；
步骤9，重复步骤6～8，直到f(n)满足收敛条件；
步骤10，根据计算得到的慢度分布矩阵f(n)，绘制被测结构剖面的速度分布色谱图，通过对色谱图的分析，确定套管内注浆的密实程度，并定量确定套筒内注浆体的缺陷大小。
2.如权利要求1所述的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法，其特征在于，所述步骤5中的最短路径射线追踪法的具体步骤为：首先根据被测结构具体尺寸，对其进行离散化处理，将待检测区域划分成一系列单元格并在单元格边界上设置若干节点，将彼此相邻的节点相连构成一个网络；然后对于某个网格节点，选取与其所有相邻的邻域点组成计算网格点；由一个源点出发，计算出从源点到计算网格点的透射走时、射线路径和射线长度；将除震源之外的所有网格点相继当作次级源，选取该节点相应的计算网格点，计算出从次级源点到计算网格点的透射走时、射线路径和射线长度；将每次计算出来的走时加上从震源到次级源的走时，作为震源点到该网格节点的走时，记录下相应的射线路径位置及射线长度。
3.如权利要求1所述的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测方法，其特征在于，所述步骤1中，还包括在所述发射换能器与混凝土结构的接触面上涂抹耦合剂的步骤，以及，在所述接收换能器与混凝土结构的接触面上涂抹耦合剂的步骤。
4.一种基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置，包括计算机、图像显示器、超声波激发器和超声波数据采集仪，其特征在于，所述超声波激发器连接有超声波发射阵列，所述超声波数据采集仪连接有超声波接收阵列，所述超声波发射阵列设置在混凝土结构的待测区域的一侧，所述超声波接收阵列设置在混凝土结构的待测区域的另一侧，所述超声波发射阵列由多个发射换能器沿套筒的长度方向排列而成，所述超声波接收阵列由多个接收换能器沿套筒的长度方向排列而成，所述发射换能器与所述接收换能器一一正对设置。
5.如权利要求4所述的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置，其特征在于，所述超声波发射阵列和所述超声波接收阵列分别安装在各自的钢板架上，所述钢板架上设有可供钢板架安装在混凝土结构上的安装孔。
6.如权利要求5所述的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置，其特征在于，所述超声波发射阵列上的发射换能器沿钢板架的长度方向等距间隔布置；所述超声波接收阵列上的接收换能器沿钢板架的长度方向等距间隔布置。
7.如权利要求5所述的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置，其特征在于，每一所述发射换能器通过活扣固定在钢板架上；每一所述接收换能器通过活扣固定在钢板架上。
8.如权利要求5所述的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置，其特征在于，所述钢板架上设有刻度。
9.如权利要求4所述的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置，其特征在于，所述发射换能器和所述接收换能器均设有可伸缩的探头。
10.如权利要求4所述的基于超声波CT的套筒灌浆密实度检测装置，其特征在于，所述发射换能器与混凝土结构的接触面上涂抹有耦合剂；所述接收换能器与混凝土结构的接触面上涂抹有耦合剂。
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