CN116026923B - 一种建筑外墙缺陷检测方法及系统 - Google Patents

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本发明提出了一种建筑外墙缺陷检测方法及系统，属于缺陷检测技术领域，通过向待检测建筑物的表面施加应力波，基于应力波响应信号的反射和透射系数计算得到应力波场的分布；通过应力波场的分布，计算关键缺陷扩展位移模型，构建缺陷识别目标函数；通过迭代更新总缺陷识别目标函数，使总缺陷识别目标函数最小化，直至达到收敛精度，从而得到待检测建筑物外墙内部的关键缺陷的信息。本发明实现了根据建筑外墙的材质对应力波传播的影响，进行缺陷检测的目的，相比于现有检测技术手段，使得外墙微观结构和缺陷之间的关系更加明确，检测更加准确。

Description

一种建筑外墙缺陷检测方法及系统
技术领域
本发明涉及缺陷检测技术领域，尤其涉及一种建筑外墙缺陷检测方法及系统。
背景技术
钢筋混凝士结构是目前最为广泛使用的建筑结构形式,由于混凝土具有耐久性,当其经历了一定的使用寿命后急需对其进行安全性评估。随着结构健康监测手段的日益增多,以波动法为基础的无损检测方法因其便利性和可操作性而被广泛使用。其原理是通过应力波在介质中的传播特性可以反映材料内部性质的变化。
随着现代建筑工程技术的不断发展、进步，对于建筑质量的要求也越来越高，尤其要减少建筑物外墙上的有害缺陷，避免影响整体结构的耐久性和适用性，墙体缺陷是建筑结构的墙体部分产生的开裂、鼓包等现象，按照材料自身材质的不同，可以分为混凝土墙体缺陷、砖砌体墙体缺陷、新型隔墙板缺陷和不同材质墙体产生的缺陷，当建筑物出现的缺陷的宽度超过了一定的限值就成了有害缺陷，有害缺陷的存在严重影响结构的耐久性和适用性，在建筑外墙完工时，都需要工作人员手持检测器对外墙进行检测，查看墙体内部有没有缺陷产生。
迄今为止,己经提出了多种结构健康监测方法来评估混凝土结构的服务性能和损坏状况,包括采用光纤光栅传感器、压电材料传感器和形状记忆合金传感器等。其中压电传感器已被广泛应用于结构健康监测领域。目前,绝大多数基于压电传感器的无损监测方法均是基于波动法。应力波在目标介质中传播后的变化可以反映结构的内部状态,如损伤和孔隙率。由于混凝土在微观尺度上是一种非均质材料,混凝土中应力波与孔隙、初始缺陷等混凝土微观结构和混凝土中已有的缺陷之间的关系仍不明确,这就限制了监测系统在不同混凝土结构中的推广。
混凝土是一种非均质材料，即使没有发生损坏，也表现出与微裂纹和孔隙的存在相关的复杂弹性行为，也导致了混凝土材料的非线性和粘弹性行为。应力波传播取决于结构应力和声弹性建立了应力波速度与所研究材料中的应变或应力之间的数学关系。
多孔介质在微观角度一般是由基质、孔隙或者缺陷组成的，而且在孔隙或者缺陷中往往含有气体或者液体，即多孔介质一般为固、液、气相复合材料。到目前为止关于波在含液体多孔介质传播机制的研究主要针对于土和岩石材料，其应用领域主要为采用爆破技术鉴别地层中流体的性质和位置。
虽然基于应力波、超声波的混凝土结构无损监测、检测在近20年来发展非常迅速，但是考虑混凝土的非匀质性针对应力波在混凝土材料中传播机制的研究还相当不充分，大多数研究仅仅关注监测指标会因为损伤等因素发生变化，而没有对波在混凝土中传播机制本身进行深入研究。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种建筑外墙缺陷检测方法，包括如下步骤：
S1、向待检测建筑物的表面施加应力波；
S2、基于应力波响应信号的反射和透射系数计算得到应力波场的分布；
S3、基于应力波场的分布，计算关键缺陷扩展位移模型；
S4、基于扩展位移模型构建总缺陷识别目标函数；
S5、迭代更新总缺陷识别目标函数，使总缺陷识别目标函数最小化直至达到收敛精度，从而得到待检测建筑物外墙内部的关键缺陷的信息。
进一步地，步骤S2中：
应力波响应信号的反射系数Rr以及透射系数Rt为:
Figure SMS_1
；
其中，Z2、Z1分别为应力波在外墙缺陷内和正常外墙材料内的波阻抗；
吸收衰减系数
Figure SMS_2
由下式计算得到:
Figure SMS_3
；
式中，x为当前测量位置与应力波发射源之间的距离；A(x)为当前测量位置的应力波幅值，A0为初始应力波幅值；
应力波场u表示为:
Figure SMS_4
；
式中，i为虚数，k为波数，x为当前测量位置与应力波发射源之间的距离，
Figure SMS_5
为角频率，/>
Figure SMS_6
为吸收衰减系数。
进一步地，求解波数k及吸收衰减系数
Figure SMS_7
：
Figure SMS_8
；
Figure SMS_9
；
式中，f为内阻力系数；
Figure SMS_10
为粘滞系数；v为应力波速，/>
Figure SMS_11
为角频率。
进一步地，步骤3包括：
扩展位移模型U(x)为：
Figure SMS_12
；
式中:j为扩展位移模型中结点编号；I为所有结点的集合；I*为所有改进结点的集合，Nj(x)为结点j对应的形函数；uj为结点j处的应力波场；
Figure SMS_13
为聚集函数；aj为结点j的附加位移向量；/>
Figure SMS_14
为单位分解函数；
设缺陷为近似圆形缺陷，则其聚集函数
Figure SMS_15
表示为：
Figure SMS_16
；
式中：xj为缺陷中心位置坐标向量，xc为应力波发射源的坐标向量；rc为半径；
对于多缺陷情况，聚集函数取M个关键缺陷的聚集函数最小值，将M个关键缺陷结构划分为P个单元，每个单元包括M/P个关键缺陷，每个单元的聚集函数
Figure SMS_17
为：
Figure SMS_18
；
其中，k=1,2,…，P，各单元中的每个关键缺陷聚集函数为
Figure SMS_19
。
进一步地，步骤S4包括：
S4.1：计算P个单元中的每个单元的扩展位移模型Uk(x):
Figure SMS_20
；
S4.2：构建P个单元的总缺陷识别目标函数F:
Figure SMS_21
；
其中，wk为每个单元的权重系数。
进一步地，步骤S5包括：
通过智能优化算法迭代更新，计算总缺陷识别目标函数F的约束条件R，使总缺陷识别目标函数F最小化：
Figure SMS_22
；
通过使总缺陷识别目标函数F最小化直至达到收敛精度，得出关键缺陷位置的应力波场，从而得到关键缺陷的信息。
本发明还提出了一种建筑外墙缺陷检测系统，用于实现建筑外墙缺陷检测方法，包括：应力波施加装置、响应信号分析单元、关键点计算单元、缺陷识别单元和目标函数构建单元；
应力波施加装置，用于在待检测建筑物的表面施加应力波；
响应信号分析单元，用于基于应力波响应信号的反射和透射系数计算得到应力波场的分布；
关键点计算单元，用于基于应力波场的分布，计算关键缺陷扩展位移模型；
目标函数构建单元，用于基于扩展位移模型构建缺陷识别目标函数；
缺陷识别单元，用于迭代更新总缺陷识别目标函数，使总缺陷识别目标函数最小化，直至达到收敛精度，从而得到待检测建筑物外墙内部的关键缺陷的信息。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
通过向待检测建筑物的表面施加应力波，基于应力波响应信号的反射和透射系数计算得到应力波场的分布；通过应力波场的分布，计算关键缺陷扩展位移模型，构建缺陷识别目标函数；通过迭代更新总缺陷识别目标函数，使总缺陷识别目标函数最小化，直至达到收敛精度，从而得到待检测建筑物外墙内部的关键缺陷的信息。本发明实现了根据建筑外墙的材质对应力波传播的影响，进行缺陷检测的目的，相比于现有检测技术手段，使得外墙微观结构和缺陷之间的关系更加明确，检测更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的建筑外墙缺陷检测方法流程示意图。
图2为本发明的建筑外墙缺陷检测系统结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
如图1所示为本发明的建筑外墙缺陷检测方法流程示意图。建筑外墙缺陷检测方法包括如下步骤：
S1、在待检测建筑物的表面布置应力波施加装置，向待检测建筑物的表面施加应力波。
建筑用混凝土材料是一种多孔多相的非匀质材料，将应力波施加在待检测的混凝土材料中，应力波传播时服从应力波传播理论，尤其在包含水泥砂浆基质、粗骨料、孔隙以及一些初始缺陷的混凝土中，应力波在不同材质界面处的传播会发生变化，应力波的传播路线也发生改变。
S2、对应力波响应信号的反射和透射进行分析，计算得到应力波传播的吸收衰减系数。
在非匀质材料和结构中，传播最快的波并不是沿着直线传播的。比如在钢筋混凝土中，很多因素会干扰波的传播。其中一些因素会降低波的传播速度(缺陷，孔隙或蜂窝)，而其他因素(如钢筋)甚至可能加速波的传播。所以，应力波在非均匀介质中的传播规律很大程度上依赖于非均匀介质各组成成分的缺陷特性。
如果应力波从一种材料传播到与缺陷的边界，则应力波在该缺陷处会发生反射，折射，并且部分透射到缺陷中，在缺陷界面，应力波响应信号的反射系数Rr以及透射系数Rt用波阻抗Z来表达：
Figure SMS_23
；
其中，Z2、Z1分别为应力波在缺陷内和正常建筑材料内的波阻抗。
波阻抗Z由下式确定:
Figure SMS_24
；
式中，
Figure SMS_25
为材料密度，c为波速。
材料衰减是由缺陷吸收或散射引起的“内在效应”。散射衰减是由于材料的非均质性造成的，应力波在缺陷界面处会发生反射、散射和透射，并且散射衰减取决于缺陷的固有尺度、每单位体积缺陷的数量、缺陷的分布以及缺陷相对于基底材料的声学性质。
吸收衰减系数
Figure SMS_26
可以用来表征材料的品质因子，材料的品质因子Q的定义如下:
Figure SMS_27
；
式中，Q为材料的品质因子，E为材料最大变形下储存的应变能；
Figure SMS_28
为一个应力循环内所耗散的能量，/>
Figure SMS_29
为角频率，v为波速；/>
Figure SMS_30
为吸收衰减系数。
其中吸收衰减系数
Figure SMS_31
由下式计算得到:
Figure SMS_32
；
式中，x为当前测量位置与应力波发射源之间的距离；A(x)为当前测量位置的应力波幅值，A0为初始应力波幅值。
由此可见，己知应力波的幅值，测得距离发射源为x处的接收波的幅值，便可计算得到应力波传播的吸收衰减系数。
则应力波的波动方程可表示为：
Figure SMS_33
；
式中，u为应力波场；f为内阻力系数；
Figure SMS_34
为粘滞系数；v为应力波速，x为当前测量位置与应力波发射源之间的距离。
应力波场u可表示为:
Figure SMS_35
；
式中，i为虚数，k为波数，x为当前测量位置与应力波发射源之间的距离，
Figure SMS_36
为角频率，/>
Figure SMS_37
为吸收衰减系数。
根据上述两式，可求解波数k及吸收衰减系数
Figure SMS_38
：/>
Figure SMS_39
；
Figure SMS_40
；
将吸收衰减系数
Figure SMS_41
和波数k代入应力波场u，可以有效确定应力波场的分布。
S3、基于应力波场u的分布，计算关键缺陷扩展位移模型。
引入聚集函数来表征位移不连续区域，在不进行网格重划分前提下，通过改变聚集函数来反映缺陷的位置和尺寸。
扩展位移模型U(x)为：
Figure SMS_42
；
式中:j为扩展位移模型中结点编号；I为所有结点的集合；I*为所有改进结点的集合，且
Figure SMS_43
；Nj(x)为结点j对应的形函数；uj为结点j处的应力波场；/>
Figure SMS_44
为聚集函数；aj为结点j的附加位移向量；/>
Figure SMS_45
为单位分解函数，其形式与Nj(x)相同。
设缺陷为近似圆形缺陷，则其聚集函数
Figure SMS_46
可以表示为：
Figure SMS_47
；
式中：xj为圆形缺陷中心位置坐标向量，xc为应力波发射源的坐标向量；rc为半径。
对于结构内包含多缺陷的情况，聚集函数取M个关键缺陷聚集函数的最小值，将关键缺陷结构划分为P个单元，每个单元包括M/P个关键缺陷，每个单元的聚集函数
Figure SMS_48
为：
Figure SMS_49
；
其中，k=1,2,…，P，各单元中的每个关键缺陷聚集函数为
Figure SMS_50
。
S4、基于扩展位移模型U(x)构建缺陷识别目标函数。
S4.1：计算P个单元中每个单元的扩展位移模型Uk(x):
Figure SMS_51
；
S4.2：构建P个单元的总缺陷识别目标函数F:
Figure SMS_52
；
其中，wk为每个单元的权重系数。
S5、通过智能优化算法迭代更新总缺陷识别目标函数F，使总缺陷识别目标函数F最小化，直至达到收敛精度，反演出待检测建筑物外墙内部的关键缺陷的信息。
通过智能优化算法迭代更新，计算总缺陷识别目标函数F的约束条件R，使总缺陷识别目标函数F最小化：
Figure SMS_53
；
由于
Figure SMS_54
，则可知Uk(x)与结点j处的应力波场uj相关联，通过使总缺陷识别目标函数F最小化直至达到收敛精度，即可推导出关键缺陷位置的应力波场uj，得到关键缺陷的信息。
如图2所示为本发明的建筑外墙缺陷检测系统结构示意图。建筑外墙缺陷检测系统包括：应力波施加装置、响应信号分析单元、关键点计算单元、缺陷识别单元和目标函数构建单元。
应力波施加装置，用于在待检测建筑物的表面施加应力波。
响应信号分析单元，用于对应力波响应信号的反射和透射进行分析，计算得到应力波传播的吸收衰减系数。
关键点计算单元，用于采用有限元法计算缺陷结构，得出其关键点的响应值。
目标函数构建单元，用于构建缺陷识别目标函数。
缺陷识别单元，用于通过智能优化算法迭代更新投放的缺陷信息，使目标函数最小化，直至达到收敛精度，反演出待检测建筑物结构内部的缺陷数量、位置及大小。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种建筑外墙缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、向待检测建筑物的表面施加应力波；
S2、基于应力波响应信号的反射和透射系数计算得到应力波场的分布；应力波响应信号的反射系数Rr以及透射系数Rt为:
Figure QLYQS_1
；
Figure QLYQS_2
；
其中，Z2、Z1分别为应力波在外墙缺陷内和正常外墙材料内的波阻抗；
吸收衰减系数
Figure QLYQS_3
由下式计算得到:
Figure QLYQS_4
；
式中，x为当前测量位置与应力波发射源之间的距离；A(x)为当前测量位置的应力波幅值，A0为初始应力波幅值；
应力波场u表示为:
Figure QLYQS_5
；
式中，i为虚数，n为波数，x为当前测量位置与应力波发射源之间的距离，
Figure QLYQS_6
为角频率，/>
Figure QLYQS_7
为吸收衰减系数；
S3、基于应力波场的分布，计算关键缺陷扩展位移模型；
扩展位移模型U(x)为：
Figure QLYQS_8
；
式中:j为扩展位移模型中结点编号；I为所有结点的集合；I*为所有改进结点的集合，Nj(x)为结点j对应的形函数；uj为结点j处的应力波场；
Figure QLYQS_9
为聚集函数；aj为结点j的附加位移向量；/>
Figure QLYQS_10
为单位分解函数；
设缺陷为近似圆形缺陷，则其聚集函数
Figure QLYQS_11
表示为：
Figure QLYQS_12
；
式中：xj为缺陷中心位置坐标向量，xc为应力波发射源的坐标向量；rc为半径；
对于多缺陷情况，聚集函数取M个关键缺陷的聚集函数最小值，将M个关键缺陷结构划分为P个单元，每个单元包括M/P个关键缺陷，每个单元的聚集函数
Figure QLYQS_13
为：
Figure QLYQS_14
；
其中，k=1,2,…，P，各单元中的每个关键缺陷聚集函数为
Figure QLYQS_15
；
S4、基于扩展位移模型构建总缺陷识别目标函数，包括：
S4.1：计算P个单元中的每个单元的扩展位移模型Uk(x):
Figure QLYQS_16
；
S4.2：构建P个单元的总缺陷识别目标函数F:
Figure QLYQS_17
；
其中，wk为每个单元的权重系数；
S5、通过智能优化算法迭代更新，计算总缺陷识别目标函数F的约束条件R，使总缺陷识别目标函数F最小化：
R = argmin{F}
Figure QLYQS_18
；
通过使总缺陷识别目标函数F最小化直至达到收敛精度，得出关键缺陷位置的应力波场，从而得到关键缺陷的信息。
2.根据权利要求1所述的建筑外墙缺陷检测方法，其特征在于，求解波数n及吸收衰减系数
Figure QLYQS_19
：
Figure QLYQS_20
；
Figure QLYQS_21
；
式中，f为内阻力系数；
Figure QLYQS_22
为粘滞系数；v为应力波速，/>
Figure QLYQS_23
为角频率。
3.一种建筑外墙缺陷检测系统，用于实现如权利要求1-2任意一项所述的建筑外墙缺陷检测方法，其特征在于，包括：应力波施加装置、响应信号分析单元、关键点计算单元、缺陷识别单元和目标函数构建单元；
应力波施加装置，用于在待检测建筑物的表面施加应力波；
响应信号分析单元，用于基于应力波响应信号的反射和透射系数计算得到应力波场的分布；
关键点计算单元，用于基于应力波场的分布，计算关键缺陷扩展位移模型；
目标函数构建单元，用于基于扩展位移模型构建缺陷识别目标函数；
缺陷识别单元，用于迭代更新总缺陷识别目标函数，使总缺陷识别目标函数最小化，直至达到收敛精度，从而得到待检测建筑物外墙内部的关键缺陷的信息。
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