CN115560890B - 一种基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法 - Google Patents

一种基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法，属于结构无损检测技术领域，包括以下步骤：S1：在钢绞线一端的其中一根钢丝截面安装超声导波激励传感器，在钢绞线另一端全部钢丝截面安装超声导波接收传感器；S2：将钢绞线张拉至某一预应力值并记录；S3：向激励传感器上施加调制正弦波信号，记录所有超声导波接收传感器上的超声导波信号；S4：提取接收信号中的超声导波信号幅值；S5：改变钢绞线预应力张拉值，重复S3～S4；S6：计算每个预应力工况对应的超声导波能量泄漏比αEL；S7：得到拟合方程；S8：对于某一未知预应力状态的钢绞线，利用拟合方程计算对应的预应力值。

Description

一种基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法
技术领域
本发明属于结构无损检测技术领域，具体涉及一种基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法。
背景技术
预应力钢绞线具有抗拉强度高，松驰性好等优势，被应用于预应力混凝土桥，斜拉桥等结构中。随着服役年限的增长，在外部荷载和环境侵蚀，以及钢绞线自身蠕变等因素的作用下，钢绞线的退化是不可避免的。钢绞线性能退化最直观的表现是预应力水平的降低，这会降低结构承载能力和耐久性。然而，对钢绞线的有效预应力的检测始终是一项难题。
超声导波检测技术由于信号衰减小，检测范围广等优势，在无损检测领域得到了广泛应用。在结构预应力检测领域，最常用的超声导波检测方法是基于超声导波的声弹性效应法，该方法利用结构不同预应力状态下超声导波波速的变化对其预应力状态进行评估。然而该方法仍然存在一定的局限性，如在低应力状态下，导波波速变化量与预应力值变化呈现非线性关系。此外，由于应力对导波波速的影响非常小，因此需要高精度的设备测量导波的波速变化，这也限制了超声导波声弹性法的进一步应用。
对钢绞线进行张拉时，中心丝与螺旋丝，以及相邻的螺旋丝之间会产生相互挤压的接触作用，导致丝间接触面积的增大以及接触界面刚度的增大。而上述现象将最终导致超声导波在钢绞线丝间接触区域反射系数的减小和透射系数的增大，更多的导波能量将从激励丝泄露到与之相邻的其他丝中。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法，包括以下步骤：
S1：在钢绞线一端的其中一根钢丝截面安装超声导波激励传感器，在钢绞线另一端全部钢丝截面安装超声导波接收传感器；
S2：将钢绞线张拉至某一预应力值并记录；
S3：向激励传感器上施加调制正弦波信号，并记录所有超声导波接收传感器上的超声导波信号；
S4：提取接收信号中的超声导波信号幅值；
S5：改变钢绞线预应力张拉值，并重复步骤S3～S4；
S6：计算每个预应力工况对应的超声导波能量泄漏比αEL；
S7：对各预应力工况下的αEL值进行线性拟合，得到拟合方程；
S8：对于某一未知预应力状态的钢绞线，按照步骤S1，S3，S4，S6计算得到该预应力状态对应的超声导波能量泄漏比αEL，并将αEL带入步骤S7得到的拟合方程中，计算对应的预应力值，该值即为钢绞线预应力的识别值。
进一步，步骤S1中所述超声导波激励传感器可以放置在中心丝截面，也可以放置在任意一根螺旋丝截面。
进一步，步骤S6所述的超声导波能量泄漏比αEL的计算公式为：
其中，n为钢丝总数，AEX表示激励钢丝的导波信号幅值，AELi表示由于导波能量泄漏至第i根其他丝的导波信号幅值。
进一步，步骤S7中所述线性拟合方程的表示式为
其中，表示无应力状态下钢绞线的超声导波能量泄漏比，σ表示钢绞线的预应力值，k为拟合方程的斜率，表示超声导波能量泄漏比随预应力变化的比例系数。
进一步，步骤S8中所述钢绞线预应力识别值为：
本发明的有益效果在于：本发明具有造价低，精度高，操作简单等优势，为钢绞线的预应力识别提供了新的思路。
本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是本发明一种基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法的流程图；
图2是钢绞线一端超声导波激励传感器布置示意图；
图3是钢绞线另一端超声导波接收传感器布置示意图；
图4是激励信号的波形图；
图5是将钢绞线张拉至1395MPa时接收到的超声导波信号波形图；
图6是能量泄漏比αEL随预应力的变化及其线性拟合结果。
具体实施方式
对钢绞线进行张拉时，中心丝与螺旋丝，以及相邻的螺旋丝之间会产生相互挤压的接触作用，导致丝间接触面积的增大以及接触界面刚度的增大。而上述现象将最终导致超声导波在钢绞线丝间接触区域反射系数的减小和透射系数的增大，更多的导波能量将从激励丝泄露到与之相邻的其他丝中。基于上述理论，利用超声导波能量泄漏比随预应力的变化规律对钢绞线的预应力状态进行评估是可行的。
如图1所示，为本发明一种基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法的较佳的实施方式的流程图，具体包括以下步骤：
S1：本实施例中钢绞线由7根钢丝绞合而成，在钢绞线一端的其中一根钢丝截面安装超声导波激励传感器，激励传感器可以放置在中心丝截面，也可以放置在任意一根螺旋丝截面，在钢绞线另一端全部7根丝截面安装超声导波接收传感器。在本实施例中，将激励传感器布置在了中心丝截面，超声导波激励传感器和接收传感器的布置示意图分别如图2和图3所示；
S2：将钢绞线张拉至某一预应力值并记录；
S3：向激励传感器上施加调制正弦波信号，激励信号波形图如图4所示，并记录所有接收传感器上的超声导波信号。在本实施例中，图5给出了张拉预应力值为1395MPa时的超声导波接收信号波形图；
S4：提取接收信号中的超声导波信号幅值。如图5所示，钢绞线张拉至1395MPa时，钢绞线中心丝及各螺旋丝的超声导波信号幅值分别为2.4662，0.7473，0.7751，0.7794，0.7705，0.7641和0.8156；
S5：改变钢绞线预应力张拉值，并重复步骤S3和S4。在本实施例中，钢绞线的极限强度为1860MPa，将其预应力变化范围设置为0-1395MPa(即0-0.75倍极限强度)，每个加载工况的应力间隔为93MPa(即0.05倍极限强度)；
S6：计算每个预应力工况对应的超声导波能量泄漏比αEL，αEL的计算公式为：
其中：AEX表示激励钢丝的导波信号幅值，AELi表示由于导波能量泄漏至第i根其他丝的导波信号幅值。上述公式中的分子表示施加预应力导致的总的导波能量泄漏，而其分母表示总的导波能量泄漏与激励丝导波能量之和，即钢绞线内的总的导波能量。在本实施例中，对于预应力张拉工况为1395MPa，计算得到的超声导波能量泄漏比为：
S7：对各预应力工况下的αEL值进行线性拟合，得到拟合方程，线性拟合方程的表示式为
其中，表示无应力状态下钢绞线的超声导波能量泄漏比，σ表示钢绞线的预应力值，k为拟合方程的斜率，表示超声导波能量泄漏比随预应力变化的比例系数。在本实施例中，能量泄漏比αEL随预应力的变化及其线性拟合结果如图6所示，计算得到的拟合方程为：
αEL＝0.4770σ+0.3040
即无应力状态下钢绞线的超声导波能量泄漏比为0.3040，能量泄漏比随预应力变化的比例系数k为0.4770，本实施例中拟合的决定系数R2为0.9897，证明能量泄漏比与预应力水平之间具有明显的线性变化关系。
S8：对于某一未知预应力状态的钢绞线，按照步骤S1，S3，S4，S6计算得到该预应力状态对应的超声导波能量泄漏比αEL，并将该值带入步骤S7得到的拟合方程中，计算对应的预应力值：
该值即为钢绞线预应力的识别值。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在钢绞线一端的其中一根钢丝截面安装超声导波激励传感器，在钢绞线另一端全部钢丝截面安装超声导波接收传感器；
S2：将钢绞线张拉至某一预应力值并记录；
S3：向激励传感器上施加调制正弦波信号，并记录所有超声导波接收传感器上的超声导波信号；
S4：提取接收信号中的超声导波信号幅值；
S5：改变钢绞线预应力张拉值，并重复步骤S3～S4；
S6：计算每个预应力工况对应的超声导波能量泄漏比αEL；所述超声导波能量泄漏比αEL的计算公式为：
其中，n为钢丝总数，AEX表示激励钢丝的导波信号幅值，AELi表示由于导波能量泄漏至第i根其他丝的导波信号幅值；
S7：对各预应力工况下的αEL值进行线性拟合，得到拟合方程；
S8：对于某一未知预应力状态的钢绞线，按照步骤S1，S3，S4，S6计算得到该预应力状态对应的超声导波能量泄漏比αEL，并将αEL带入步骤S7得到的拟合方程中，计算对应的预应力值，该预应力值即为钢绞线预应力的识别值。
2.根据权利要求1所述的基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法，其特征在于：步骤S1中所述超声导波激励传感器可以放置在中心丝截面，也可以放置在任意一根螺旋丝截面。
3.根据权利要求1所述的基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法，其特征在于：步骤S7中所述线性拟合方程的表示式为
其中，表示无应力状态下钢绞线的超声导波能量泄漏比，σ表示钢绞线的预应力值，k为拟合方程的斜率，表示超声导波能量泄漏比随预应力变化的比例系数。
4.根据权利要求3所述的基于超声导波能量泄漏比的钢绞线预应力识别方法，其特征在于：步骤S8中所述钢绞线预应力识别值为：
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