CN114397362A - 冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统及其方法，系统包括：超声波检测装置，包括约束带、声波发射部、声波接收部、行走轮和耦合剂喷射装置；约束带呈环形且长度可调；声波发射部、声波接收部固定在约束带上；耦合剂喷射装置固定在约束带上，用于喷射防冻型耦合剂；数据传输装置，包括储存装置、数据发送装置和数据接收装置；以及结果分析展示模块，包括分析模块和显示模块，分析模块根据数据接收装置接收到的声波信息与预存声波信息对比，确定裂缝的数量和位置，显示模块将裂缝位置及其对应的声波信息以图表形式显示。本发明的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统及其方法，能够克服人工观测统计裂缝耗时耗力、安全隐患大的缺陷。

Description

冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统及其方法

技术领域

本发明属于桥梁检测技术领域，具体涉及一种冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统及其方法。

背景技术

我国桥梁建设快速发展，跨海大桥作为连接被大海阻隔海岸两端的交通枢纽，需求与日剧增。其中以山东胶州湾为代表的北方海湾处于北方冰冻海洋环境，气候季节变化较明显，类似区域跨海桥梁将会经历较长时间冰期影响，并受到冻融和氯盐的共同侵蚀，其耐久性保障技术要求较高。为确保桥梁结构的安全运营，需要对冰冻海域桥梁结构进行检测，尤其要对作为桥梁主要受力构件的桥墩进行裂缝检测。

目前，针对冰冻海域桥梁桥墩结构裂缝大多采用人工观测，当桥墩较大时，需要人工高空作业，费时耗力且安全隐患大。该地区桥梁桥墩结构强度一般采用混凝土回弹仪进行人工检测，除了费时费力外，测量结果也存在一定误差。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统及其方法，能够克服人工观测统计裂缝耗时耗力、安全隐患大的缺陷。

本发明采用了以下技术方案：

一种冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，包括：

超声波检测装置，包括约束带、声波发射部、声波接收部、行走轮和耦合剂喷射装置；所述行走轮设置至少三个并固定在所述约束带上，用于将所述超声波检测装置沿桥墩移动到指定高度；所述约束带呈环形且长度可调，以张紧使所述行走轮压紧在桥墩上；所述声波发射部、声波接收部固定在所述约束带上且位置关于所述约束带的轴线对称；所述耦合剂喷射装置固定在所述约束带上，用于向所述声波发射部与所述桥墩之间、所述声波接收部与所述桥墩之间喷射防冻型耦合剂；

数据传输装置，包括储存装置、数据发送装置和数据接收装置，所述储存装置用于储存对应指定高度检测时所述声波接收部接收到的声波信息，所述数据发送装置将所述声波信息发送至所述数据接收装置；以及

结果分析展示模块，包括分析模块和显示模块，所述分析模块根据所述数据接收装置接收到的声波信息与预存声波信息对比，确定裂缝的数量和位置，所述显示模块将所述裂缝位置及其对应的声波信息以图表形式显示。

在一些实施例中，所述声波发射部设有若干个，所述声波接收部与所述声波发射部的数量一一对应，所述声发射部、所述声波接收部等间距设置在所述约束带上。

在一些实施例中，所述声波信息包括波速。

在一些实施例中，所述预存声波信息为采用所述超声波检测装置在桥墩底部明显的无裂缝位置采集的声波信息。

在一些实施例中，所述防冻型耦合剂为黄油或凡士林。

在一些实施例中，所述数据发送装置为无线发射模块，所述数据接收模块为无线接收模块。

在一些实施例中，所述分析模块还用于损伤识别，将采集的声波信息的测试平均波速与预存平均波速计算，获得桥墩结构强度损伤程度。

在一些实施例中，采用以下公式计算所述桥墩结构强度损伤程度：

式中，t为桥墩成型后的天数，v₀为预存平均波速，v_t为第t天时的测试平均波速，D_t为第t天时的桥墩结构强度损伤程度。

在一些实施例中，所述预存平均波速为在桥墩浇筑成型30天时进行超声波检测获取的平均波速；

或所述预存平均波速为采用桥墩原材料及配合比制作的混凝土标准试块，在标准养护调节下对所述混凝土标准试块进行超声波检测获取的平均波速。

一种冰冻海域桥墩裂缝检测方法，采用如上所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，所述方法包括以下步骤：

S1.将所述超声波检测装置安装在桥墩外，选择明显的无裂缝位置进行超声波检测，获取所述预存声波信息；

S2.将所述超声波检测装置上升至指定高度，并进行超声波检测，获得对应高度的声波信息并将所述声波信息保存并传输至结果分析展示模块；

S3.重复S2，直至全部检测高度全部检测完成；

S4.结果分析展示模块处理数据，确定裂缝的数量和位置，并将所述裂缝位置及其对应的声波信息以图表形式显示，并计算获得桥墩结构强度损伤程度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统中，其超声波检测装置采用了长度可调的约束带，能够适应不同直径的桥墩，通过长度调节从而可以将各个行走轮压紧在桥墩表面，而不会使超声波检测装置沿桥墩表面滑落，并且当行走轮转动时，能够沿桥墩上下移动，从而对桥墩不同高度的水平截面进行测试，无需人工高空作业，更加安全；

2、声波发射部、声波接收部都安装在约束带上，并且位置相对应，声波发射部发射出超声波，穿过桥墩后被在桥墩另一侧的声波接收部接收，从而获取该高度下的声波信息，并传输给结果分析展示模块；全部高度检测完成后，结果分析展示模块将接收到的声波信息与预存声波信息对比，确定裂缝的数量和位置并显示，整个过程除了超声波检测装置的安装以外，都可以自动完成，效率更高，大大减少检测人员的劳动强度，且无安全隐患，采用超声波检测，采集的数据深入桥墩内部，测量结果精度更高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术作进一步地详细说明：

图1是本发明的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统的组成结构图；

图2是超声波检测装置安装在桥墩上的水平截面示意图；

图3是本发明的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统的工作示意图；

图4是本发明的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统在桥墩上的检测区域中不同高度位置的示意图；

图5是混凝土标准试块测试方向的示意图；

图6是采用超声波检测装置检测混凝土标准试块的示意图；

图7是冰冻海域桥墩裂缝检测方法的流程图。

附图标记：

1-超声波检测装置；11-约束带；12-声波发射部；13-声波接收部；14-行走轮；15-耦合剂喷射装置；

2-数据传输装置；21-储存装置；22-数据发送装置；23-数据接收装置；

3-结果分析展示模块；31-分析模块；32-显示模块；

4-桥墩；41-检测区域；

5-混凝土标准试块。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

参照图1至图7，一种冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，包括超声波检测装置1、数据传输装置2和结果分析展示模块3。

其中，超声波检测装置1包括约束带11、声波发射部12、声波接收部13、行走轮14和耦合剂喷射装置15。

所述行走轮14设置至少三个并固定在所述约束带11上，用于将所述超声波检测装置1沿桥墩4移动到指定高度。行走轮14包括支座、滚轮和用于驱动滚轮的电机，滚轮转动安装在支座上，电机固定在支座上并通过传动机构与滚轮连接，从而驱动滚轮转动，该传动机构可以是齿轮传动机构或同步带传动机构等，支座与约束带11固定连接。行走轮14设置至少三个，可以将超声波检测装置1撑起在桥墩4表面，避免约束带11与桥墩4接触。

其中，所述约束带11呈环形且长度可调，以张紧使所述行走轮14压紧在桥墩4上，提供足够的压力产生摩擦力，避免行走轮14转动时从桥墩4上滑落，此外，约束带11长度可调，可以适应不同直径的桥墩4。优选地，约束带11具有弹性，在张紧后沿桥墩4行走时，若桥墩4表面上附着有凸起的，行走轮14经过该凸起时可以弹性变形拉长，方便行走轮14经过。

其中，所述声波发射部12、声波接收部13固定在所述约束带11上且位置关于所述约束带11的轴线对称；所述耦合剂喷射装置15固定在所述约束带11上，用于向所述声波发射部12与所述桥墩4之间、所述声波接收部13与所述桥墩4之间喷射防冻型耦合剂。

声波发射部12发射出超声波，声波接收部13接收超声波，超声波发出后经过桥墩4被声波接收部13接收，超声波在传播过程中遇到由各种缺陷的界面时就会改变传播方向和路径，其能量就会在缺陷处被衰减,造成超声波到达接收换能器时的波速、声幅、频率的相对变化。其中，波速指标最为敏感，能用其反应测试截面缺陷情况。超声波在桥墩4混凝土结构中传播速度理论应是一个定值，当传播路径中出现微裂缝等缺陷时，超声波会绕过缺陷位置，由于传播路径增大，此时测得波速会降低。当裂缝较大时，超声波会穿过裂缝传播(即相当于超声波在固体和气体两种介质中传播)，而超声波在气体中传播速度会远小于在固体中的传播速度，所以当传播路径有较大裂缝时，超声波波速会明显减小，从而可以根据这些变化确定裂缝的位置和数量。

耦合剂喷射装置15可以喷射防冻型耦合剂，可以使声波发射部12、声波接收部13与桥墩4之间接触紧密，避免产生空隙影响波速，而针对冰冻海域的低温，采用的耦合剂为防冻型耦合剂，以避免耦合剂在低温时冻上，无法喷射出，造成故障。在一个实施例中，所述防冻型耦合剂为黄油或凡士林。耦合剂喷射装置具有储存防冻型耦合剂的容器，还设于挤压机构，挤压机构可以挤压容器，将防冻型耦合剂从容器内挤出，容器连接这喷头，从而将防冻型耦合剂喷涂到指定位置。

具体地，声波发射部12是超声波发生装置的声波发射探头，声波接收部13为声波接收探头，声波接收探头和声波发射探头都安装在伸缩机构上，可进行自动伸缩，伸缩机构可以是伸缩电机或者伸缩气缸，伸缩机构固定在约束带11上。在超声波检测装置1需要上下移动时，伸缩机构缩回，声波接收探头和声波发射探头脱离桥墩4表面，以便于行走轮14行走，减少阻碍。当超声波检测装置1移动到指定高度时，耦合剂喷射装置15向声波接收探头、声波发射探头与桥墩4表面之间喷射耦合剂，伸缩机构伸出将声波接收探头、声波发射探头伸出经过防冻耦合剂后抵接在桥墩4表面，然后发生超声波进行检测。

其中，数据传输装置2包括储存装置21、数据发送装置22和数据接收装置23，所述储存装置21用于储存对应指定高度检测时所述声波接收部13接收到的声波信息，所述数据发送装置22将所述声波信息发送至所述数据接收装置23。储存装置21与声波接收部13连接，数据发送装置22与声波接收部13连接，声波接收部13接收到声波信息后，储存装置21将其保存，该声波信息在保存时，可以对应其高度进行保存，从而不同的高度时，具有不同的声波信息，以进行信息数据的分条保存和区分。数据发送装置22将声波信息发出，被数据接收装置23接收，传递至结果分析展示模块3。在一些实施例中，所述数据发送装置22为无线发射模块，所述数据接收模块为无线接收模块，通过无线传输数据，无需线缆连接，更加方便。

结果分析展示模块3包括分析模块31和显示模块32，所述分析模块31根据所述数据接收装置23接收到的声波信息与预存声波信息对比，确定裂缝的数量和位置，所述显示模块32将所述裂缝位置及其对应的声波信息以图表形式显示。分析模块31与数据接收装置23连接，获取到数据接收装置23接收到的声波数据，将其与预存声波信息进行处理对比，从而确定裂缝的数量和位置。显示模块32再根据裂缝的数量和位置，将其转换为图表进行显示。其中，分析模块31为数据处理软件，显示模块32包括图表处理软件和显示屏。其中，所述预存声波信息为采用所述超声波检测装置1在桥墩4底部明显的无裂缝位置采集的声波信息，预存声波信息在正式进行不同高度截面检测前先对桥墩4底部明显的无裂缝位置进行超声波检测，活动该位置的声波信息，并传输至结果分析展示模块3，作为预存声波信息保存。在一个实施例中，所述声波信息包括波速，待桥墩4测试截面全部检测完毕，将所有波速值与参考波速进行对比，当测试波速低于参考波速的80％时，即认为该测试截面存在裂缝。

具体的，在实际的检测过程中，将桥墩4从上到下分为若干个检测区域41，每一个区域检测在若干各高度截面进行超声波检测，相邻的截面之间的高度差相等。例如将桥墩4从上到下分为6个检测区域41，每个检测区域41有6个检测高度，相邻两个检测高度差为15。

在一些实施例中，所述声波发射部12设有若干个，所述声波接收部13与所述声波发射部12的数量一一对应，所述声发射部、所述声波接收部13等间距设置在所述约束带11上。例如声波发射部12有两个，声波接收部13也有两个，这四者在约束带11上等间距布置，声波接收部13仅接收与其相对的声波发射部12发出的声波。

优选地，所述分析模块31还用于损伤识别，将采集的声波信息的测试平均波速与预存平均波速计算，获得桥墩4结构强度损伤程度。在桥墩4成型后，随着时间的推移，其结构强度会不断受损，在成型时其结构强度最后，此时其声波的平均波速最大，随着时间推移，结构强度降低，其声波的平均波速不断变小，从而可以通过平均波速的变化确定其受损程度。该预存平均波速，即是在桥墩4成型后较早时进行声波测试获得的平均波速，可将其预先输入到结果分析展示模块3中。

具体地，采用以下公式计算所述桥墩结构强度损伤程度：

式中，t为桥墩成型后的天数，v₀为预存平均波速，v_t为第t天时的测试平均波速，D_t为第t天时的桥墩结构强度损伤程度。根据现有的波速与预存的波速的比值，可得知现有桥墩4强度与刚成型时的强度比值，从而确定损伤的比值，即桥墩4结构强度损伤程度。

在一个实施例中，所述预存平均波速为在桥墩4浇筑成型30天时进行超声波检测获取的平均波速。如果未进行桥墩4浇筑成型30天超声波检测，则可以采用桥墩4原材料及配合比制作的混凝土标准试块5，混凝土标准试块5需要制作至少一组，每组至少3个，以减小误差，混凝土标准试块5的尺寸为150mm×150mm×150mm，在标准养护调节下对所述混凝土标准试块5进行超声波检测获取的平均波速，即采用超声波检测装置1进行检测，多次、多个高度测量后获得的波速进行平均计算，从而得到平均波速，将其预先输入到结果分析展示模块3中作为所述预存平均波速。

参照图1至图7，一种冰冻海域桥墩裂缝检测方法，采用如上所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，所述方法包括以下步骤：

步骤S1.将所述超声波检测装置1安装在桥墩4外，调节约束带11的长度，确保整个超声波检测装置1能够沿桥墩4移动且不掉落，选择明显的无裂缝位置进行超声波检测，获取所述预存声波信息；

步骤S2.通过行走轮14将所述超声波检测装置1上升至指定高度，并进行超声波检测，获得对应高度的声波信息并将所述声波信息保存并传输至结果分析展示模块3；

步骤S3.重复步骤S2，直至全部检测高度全部检测完成；

步骤S4.结果分析展示模块3处理数据，确定裂缝的数量和位置，并将所述裂缝位置及其对应的声波信息以图表形式显示，并计算获得桥墩4结构强度损伤程度。

通过上述的检测方法，可以检测桥墩4的缝隙和损伤程度，并且无需人员高空作业，更加安全、方便且高效。

本发明所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统及其方法的其它内容参见现有技术，在此不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，其特征在于，包括：

超声波检测装置，包括约束带、声波发射部、声波接收部、行走轮和耦合剂喷射装置；所述行走轮设置至少三个并固定在所述约束带上，用于将所述超声波检测装置沿桥墩移动到指定高度；所述约束带呈环形且长度可调，以张紧使所述行走轮压紧在桥墩上；所述声波发射部、声波接收部固定在所述约束带上且位置关于所述约束带的轴线对称；所述耦合剂喷射装置固定在所述约束带上，用于向所述声波发射部与所述桥墩之间、所述声波接收部与所述桥墩之间喷射防冻型耦合剂；

数据传输装置，包括储存装置、数据发送装置和数据接收装置，所述储存装置用于储存对应指定高度检测时所述声波接收部接收到的声波信息，所述数据发送装置将所述声波信息发送至所述数据接收装置；以及

结果分析展示模块，包括分析模块和显示模块，所述分析模块根据所述数据接收装置接收到的声波信息与预存声波信息对比，确定裂缝的数量和位置，所述显示模块将所述裂缝位置及其对应的声波信息以图表形式显示。

2.根据权利要求1所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，其特征在于：所述声波发射部设有若干个，所述声波接收部与所述声波发射部的数量一一对应，所述声发射部、所述声波接收部等间距设置在所述约束带上。

3.根据权利要求1所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，其特征在于：所述声波信息包括波速。

4.根据权利要求1所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，其特征在于：所述预存声波信息为采用所述超声波检测装置在桥墩底部明显的无裂缝位置采集的声波信息。

5.根据权利要求1所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，其特征在于：所述防冻型耦合剂为黄油或凡士林。

6.根据权利要求1所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，其特征在于：所述数据发送装置为无线发射模块，所述数据接收模块为无线接收模块。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，其特征在于：所述分析模块还用于损伤识别，将采集的声波信息的测试平均波速与预存平均波速计算，获得桥墩结构强度损伤程度。

8.根据权利要求7所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，其特征在于：采用以下公式计算所述桥墩结构强度损伤程度：

式中，t为桥墩成型后的天数，v₀为预存平均波速，v_t为第t天时的测试平均波速，D_t为第t天时的桥墩结构强度损伤程度。

9.根据权利要求7所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，其特征在于：所述预存平均波速为在桥墩浇筑成型30天时进行超声波检测获取的平均波速；

或所述预存平均波速为采用桥墩原材料及配合比制作的混凝土标准试块，在标准养护调节下对所述混凝土标准试块进行超声波检测获取的平均波速。

10.一种冰冻海域桥墩裂缝检测方法，其特征在于，采用如权利要求7-9中任一项所述的冰冻海域桥墩裂缝自动检测系统，所述方法包括以下步骤：

S1.将所述超声波检测装置安装在桥墩外，选择明显的无裂缝位置进行超声波检测，获取所述预存声波信息；

S2.将所述超声波检测装置上升至指定高度，并进行超声波检测，获得对应高度的声波信息并将所述声波信息保存并传输至结果分析展示模块；

S3.重复S2，直至全部检测高度全部检测完成；

S4.结果分析展示模块处理数据，确定裂缝的数量和位置，并将所述裂缝位置及其对应的声波信息以图表形式显示，并计算获得桥墩结构强度损伤程度。

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