CN116698988A - 一种t梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法 - Google Patents
一种t梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，本方案通过获取压浆料中声发射信号传播特性，明确了T梁桥中由预应力钢绞线损伤断丝产生的声发射信号在梁体横截方向传播时的衰减规律，分别结合在波纹管、混凝土保护层内声发射信号的传播特性，而提出了声发射传感器在波纹管横截面上布置的最优监测位置，实现了对T梁中预应力钢绞线损伤的有效监测。
Description
技术领域
本发明属于桥梁损伤监测技术领域，具体涉及一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法。
背景技术
随着服役年限的增加，中小跨径桥梁的安全问题日益突出，近年来，随着桥梁服役年限的增长、交通运输压力的增大、重载运输的频发和环境侵蚀的长期作用，使得许多桥梁成为病桥、危桥，甚至出现坍塌事故，后张法桥梁在中小跨径桥梁中占比较大，其对健康监测的需求十分迫切，预应力钢绞线是后张法桥梁中的主要承力构件，在预应力钢绞线不发生显著损伤断丝的情况下桥梁的健康状态可保无虞，因此在利用声发射技术对后张法桥梁进行健康监测时，及时、准确地对预应力钢绞线的损伤断丝情况进行重点监测以便及时采取措施确保桥梁的安全，对于保障人民生产、生活的顺利进行具有重要意义；
声发射技术(Acoustic Emission Technique)是一种无损监测技术，具备对损伤灵敏性高、受结构尺寸影响小、无需主动激励、实时监测和数据远程传输的优点，相比于其他无损检测方法，声发射监测是一种动态的监测方法，接收的信号是材料内部缺陷的活动信息，可以直接反映材料或构件内部缺陷的产生和发展情况，目前声发射传感器在对后张法桥梁预应力钢绞线进行健康监测时的具体布置位置没有一个明确的规范、要求，而声发射传感器布置位置的不同对获取桥梁的真实损伤状况存在较大的偏差，导致在对桥梁损伤监测时无法快速、高效、精准的获取桥梁的损伤状态；
鉴于以上，本申请提供一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法用于解决上述问题。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，通过获取压浆料中声发射信号传播特性，明确了T梁桥中由预应力钢绞线损伤断丝产生的声发射信号在梁体横截方向传播时的衰减规律，并提出了声发射传感器在波纹管横截面上布置的最优监测位置，实现了对T梁中预应力钢绞线损伤的有效监测。
一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据T梁桥图纸确定桥梁成孔所用的波纹管材质、预应力钢绞线在梁中的分布情况和特征截面处预应力钢绞线握裹材料的厚度；
S2：采用数值模拟方法预选出T梁桥中预应力钢绞线的易损位置，再结合实桥勘察结果确定声发射传感器的布置位置；
S3：获取由预应力钢绞线损伤断丝产生的声发射信号穿过握裹材料后的信号衰减情况；
S4：通过缩尺T梁研究握裹材料综合作用下预应力钢绞线损伤断丝产生的声发射信号传播过程中的衰减情况，确定预应力钢绞线健康状态监测的声发射特征参数，通过对应振幅的衰减判定声发射传感器的最优监测位置。
上述技术方案有益效果在于：
(1)本发明提出T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，通过获取压浆料中声发射信号传播特性，明确了T梁桥中由预应力钢绞线损伤断丝产生的声发射信号在梁体横截方向传播时的衰减规律；
(2)本发明提出T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，通过获取波纹管中声发射信号传播特性，明确了T梁桥中由预应力钢绞线损伤断丝产生的声发射信号在梁体横截方向传播时的衰减规律，并且提出了声发射传感器在波纹管横截面上布置的最优监测位置，实现了对T梁中预应力钢绞线损伤的有效监测；
(3)本发明提出T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，通过获取混凝土保护层中声发射信号传播特性，既实现对T梁桥关键承力构件的有效监测也满足了中小桥健康监测系统低成本的要求，提高了桥梁健康监测传感器布置效率与监测精确度。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2a为本发明压浆缺陷试件尺寸示意图；
图2b为本发明压浆缺陷试件声发射传感器布置示意图；
图3a为本发明在20％压浆缺陷压浆料中声发射信号的振幅、能量和持续时间的衰减情况表达图；
图3b为本发明在50％压浆缺陷压浆料中声发射信号的振幅、能量和持续时间的衰减情况图；
图4a为本发明波纹管上声发射传感器纵向布置示意图；
图4b为本发明波纹管横截面处声发射传感器布置示意图；
图5a为本发明传感器布置在2.5m镀锌波纹管不同位置的声发射信号的主频振幅衰减情况表达图；
图5b为本发明传感器布置在2.5m塑料(PE)波纹管不同位置的声发射信号的主频振幅衰减情况表达图；
图6为本发明传感器布置在内嵌不同材质波纹管混凝土试件的位置示意图；
图7a为本发明在20mm厚握裹材料处不同材质波纹管影响下的声发射信号振幅、能量和持续时间的衰减情况表达图；
图7b为本发明在40mm厚握裹材料处不同材质波纹管影响下的声发射信号振幅、能量和持续时间的衰减情况表达图；
图7c为本发明在60mm厚握裹材料处不同材质波纹管影响下的声发射信号振幅、能量和持续时间的衰减情况表达图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至图7对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现，以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。
本发明的目的是提供一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，通过分析预应力钢绞线的三种握裹材料(压浆料、波纹管和混凝土保护层)对声发射信号造成的衰减情况，为确定声发射传感器在桥梁预应力钢绞线损伤断丝监测中的布置位置提供了方法，其中压浆料是应用在后张法预应力结构中，保护预应力钢绞线不受腐蚀，提高预应力钢绞线与波纹管之间的粘接力的水泥浆与高性能外加剂的配置物；
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
步骤1：根据T梁桥图纸确定桥梁成孔所用的波纹管材质、预应力钢绞线在梁中的分布情况和特征截面处预应力钢绞线握裹材料的厚度，其中，握裹材料具体包括压浆料、波纹管以及混凝土保护层；
步骤2：采用数值模拟方法预选T梁桥中预应钢绞线易损位置，再结合现场勘察确定声发射传感器布置位置；
步骤3：获取由预应力钢绞线损伤断丝产生的声发射信号穿过握裹材料后的信号衰减情况；
步骤4：通过布置在内嵌不同材质波纹管混凝土试件上的声发射传感器，研究握裹材料综合作用下预应力钢绞线损伤断丝产生的声发射信号传播过程中的衰减情况，确定预应力钢绞线健康状态监测的声发射特征参数和声发射传感器布置位置处握裹材料的厚度范围；
声发射波携带大量损伤源的信息，但在实际应用中因为传播介质大多不是完全弹性体且传播结构的构造复杂，使得声发射波在传播过程中振幅和能量发生衰减，在声发射波振幅衰减研究中，通常认为声发射波以平面波的形式传播，平面波不存在扩散衰减，其能量损失仅由散射衰减和吸收衰减引起；
1、获取不同压浆缺陷的声发射信号衰减规律
压浆缺陷声发射传感器布置情况如图2a、2b所示，使用4个声发射传感器(S5、S6、S7、S8)来接收测试过程中的声发射信号，断铅点位于试件中心的钢绞线上，传感器布置点用砂纸打磨以保证接触面的光滑，选用高真空硅胶脂作为耦合剂以确保传感器与压浆料试件表面的充分接触，将直径0.5mm的HB铅芯与试件平面呈30°夹角方法得出进行断铅测试，重复测试十次；
具体压浆缺陷对声发射信号的衰减影响计算步骤如下：
计算衰减引起的单位面积能量损失：
其中，D0为声发射源的单位能量，D为声发射波在x位置处的能量，ε为比例系数，公式中的e为数学中的自然常数2.7182818459…是一个无限不循环小数；计算振幅的衰减：
Px＝P0e-ax
其中，Px为离声发射源长度为x距离处的振幅，P0为初始振幅，a为振幅的衰减系数，x表示声发射源至测量点间的传播距离；
计算能量的衰减：
Ex＝E0e-kx
其中，Ex为离声发射源长度为x距离处的振幅，E0为初始能量，k为能量的衰减系数，x表示声发射源至测量点间的传播距离。
如图3a、图3b所示，20％压浆缺陷试件和50％压浆缺陷试件在相同监测位置测得的相同声发射参数有着相同的衰减率，底部饱满处20％压浆缺陷试件的振幅衰减16.1％，50％压浆缺陷试件的振幅衰减16.4％；
在空气与压浆料交界处20％压浆缺陷试件振幅衰减22.2％，50％压浆缺陷试件的振幅衰减22.9％；
顶部完全空隙处，20％压浆缺陷试件的振幅衰减23.8％，50％压浆缺陷试件的振幅衰减24.4％；
故振幅和持续时间衰减较少，可作为声发射(AE)监测的特征参数；
20％压浆缺陷试件，50％压浆缺陷试件在压浆料饱满处的振幅、能量和持续时间的衰减率与交界处和完全空隙处的衰减率相比要小，压浆缺陷对信号衰减有不利的影响，实际监测时，声发射布置传感器应尽量避免布置有压浆缺陷存在的位置，压浆缺陷程度对声发射信号衰减影响不大，但传感器布置在压浆空隙位置与饱满位置对信号衰减影响较大，故声发射传感器应布置在压浆饱满位置。
2、获取不同材质、不同壁厚以及不同波纹管横截面(截面1-截面7)声发射传感器监测位置的声发射信号
其中，不同材质指金属波纹管及塑料波纹管，在波纹管内表面进行断铅，模拟由钢绞线损伤产生的声发射信号传递至波纹管表面的情况，以波纹管内穿入钢绞线的部位为基准，确定三个监测位置，如图4a所示，波纹管声发射传感器纵向布置位置中，7个传感器与断铅点间的距离分别是0.2m、0.6m、1.0m、1.4m、1.8m、2.2m和2.5m，图4b所示为波纹管横截面处声发射传感器布置情况，在波纹管横截面内与钢绞线紧密贴合的波纹管的外壁记为顶部，与钢绞线所处部位相距最远的波纹管外壁记为底部，两者的中间位置记为中部；
依据波纹管内外壁传感器记录的声发射振幅、持续时间和能量的变化，量化声发射信号的相对损失，以此来评估波纹管材质对声发射波衰减的影响；
引入希尔伯特－黄变换(HHT)理论，提取声发射信号的主频段，并分析主频段对应振幅的衰减，对信号进行希尔伯特-黄变换，具体步骤如下：
对信号进行分解：
其中，X(t)是分析信号，ci是第i阶IMF，n是IMF的数量，rn是残差项。
希尔伯特谱分析使用HHT来获得IMF的每阶瞬时频率，从而获得信号的时频表示，即希尔伯特谱，为IMF的每个ci都做HHT变换:
建立分析信号：
得到振幅函数：
瞬时相位函数：
将瞬时频率表示为：
用分量将原始信号的希尔伯特谱进行表示：
使用希尔伯特边缘谱反映信号振幅在整个频带内的变化情况：
其中，T是信号的长度，ω表示频率，H(ω,t)表示原始信号的希尔伯特谱，d(t)是在信号长度为T上固定ω不动，对H(ω,t)进行关于t的积分；
对主频段振幅数据信号进行拟合结果如图5a、5b所示(图中的R2是数学中拟合曲线的相关系数，R2越大则拟合程度越好)，发现振幅dB与传播距离x间呈指数关系，使用公式：y＝4eαx进行计算，其中A是待定系数，α是衰减系数，e是数学中的自然常数，值约为2.7182818459…是一个无限不循环小数，是数学上的固定常数，x是指断铅损伤信号的传播距离，是断铅位置到传感器的距离；
经计算(Y是指振幅，是通过拟合的指数函数，已知振幅y、传播距离x，常数e反求出待定系数A、衰减系数a)，镀锌波纹管顶部A＝37.68,α＝0.00456，塑料(PE)波纹管顶部A＝25.99,α＝0.01179；
结合T梁桥中波纹管在梁体跨中位置的分布情况，若要实现对预应力钢绞线损伤情况的有效监测且考虑到混凝土保护层的存在和跨中波纹管相互堆积的分布状态，在布置传感器时只能选择在T梁的底面或侧面位置开槽，将传感器布置在波纹管相对应的位置上，在对使用镀锌波纹管的桥梁进行声发射监测时，声发射传感器可选择波纹管的底部或中部布置传感器；
在对使用塑料(PE)波纹管的桥梁进行声发射监测时，声发射传感器可选择波纹管的中部布置传感器，综合考虑，在对T梁进行监测时，声发射传感器应将波纹管横截面内的中间位置作为最优监测位置。
3、获取不同握裹材料(握裹材料是指预应力钢绞线外裹的压浆料、波纹管和混凝土保护层)厚度的声发射信号
通过内嵌金属波纹管和塑料波纹管的混凝土试件，综合考虑了压浆料、波纹管和混凝土保护层对声发射信号衰减影响，基于声发射信号，对振幅、能量和持续时间的衰减率进行计算，如附图6所示，为S1-S4四个声发射传感器布置位置：
在钢绞线表面断铅，将距离钢绞线最近的传感器S1所接收到的信号近似视为原始信号，远端传感器S2、S3、S4收到的信号均为衰减信号，通过S1-S2(握裹材料厚度为20mm)、S1-S3(握裹材料厚度为40mm)、S1-S4(握裹材料厚度为60mm)间声发射信号衰减率的对比，确定不同材质波纹管对信号衰减的影响；
注：上文握裹材料分别指内嵌不同材质波纹管时的情况，内嵌金属波纹管时握裹材料指压浆料、金属波纹管和混凝土；内嵌塑料波纹管时握裹材料指压浆料、塑料波纹管和混凝土；
如图7a、7b、7c所示，声发射传感器分别接收到的两种材质波纹管影响后的信号中，在握裹材料厚度不大于40mm处，两种材质的信号参数衰减率整体均处于较低水平；握裹材料厚度不大于60mm处，在使用金属波纹管的条件下，声发射信号衰减率较平稳，而使用塑料波纹管条件下，声发射信号参数有明显上涨；
为使传感器接收到的预应力钢绞线损伤声发射信号衰减较小，在使用塑料波纹管成孔的桥梁进行声发射监测时，传感器可布置在握裹材料厚度不大于40mm处；在使用金属波纹管成孔的桥梁进行声发射监测时，传感器可布置在握裹材料厚度不大于60mm处；
上述一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，综合考虑压浆料、波纹管、混凝土保护层组合条件下对声发射健康监测信号的衰减影响，将振幅和持续时间作为预应力钢绞线损伤断丝监测的最优参数，量化了声发射特征参数的衰减值，得出针对T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器的布置位置；
压浆缺陷程度对声发射信号衰减影响不大，但传感器布置在压浆空隙位置与饱满位置对信号衰减影响较大，故声发射传感器应布置在压浆饱满位置；
使用塑料波纹管时，声发射传感器应布置在横截面中部位置：
使用镀锌波纹管时，声发射传感器应布置在横截面中部、底部位置；
综合考虑，实桥监测时声发射传感器应布置在波纹管横截面的中部位置；
选择预应力钢绞线握裹材料(包括压浆料、金属波纹管、混凝土保护层)厚度不大于60mm的部位布置传感器可以满足监测要求。
选择预应力钢绞线握裹材料(包括压浆料、塑料波纹管、混凝土保护层)厚度不大于40mm的部位布置传感器可以满足监测要求。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据T梁桥图纸确定桥梁成孔所用的波纹管材质、预应力钢绞线在梁中的分布情况和特征截面处预应力钢绞线握裹材料的厚度；
S2：采用数值模拟方法预选出T梁桥中预应力钢绞线的易损位置，再结合实桥勘察结果确定声发射传感器的布置位置；
S3：获取由预应力钢绞线损伤断丝产生的声发射信号穿过握裹材料后的信号衰减情况；
S4：通过缩尺T梁研究握裹材料综合作用下预应力钢绞线损伤断丝产生的声发射信号传播过程中的衰减情况，确定预应力钢绞线健康状态监测的声发射特征参数，通过对应振幅的衰减判定声发射传感器的最优监测位置。
2.根据权利要求1所述的一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，其特征在于，S1中的预应力钢绞线握裹材料包括压浆料、波纹管和混凝土保护层。
3.根据权利要求1所述的一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，其特征在于，S1中的桥梁成孔波纹管材质包括金属波纹管和塑料波纹管。
4.根据权利要求1所述的一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，其特征在于，S4具体包括以下步骤：
S4-1：使用声发射信号振幅和持续时间的衰减率，确定压浆缺陷对传感器布置的影响，压浆缺陷对声发射信号衰减影响计算如下：
计算衰减引起的单位面积能量损失：
D＝D0e-εe-εx
其中，D0为声发射源的单位能量，D为声发射波在x位置处的能量，ε为比例系数；
计算衰减振幅：
Px＝P0e-ax
其中，Px为离声发射源长度为x距离处的振幅，P0为初始振幅，a为振幅的衰减系数，x表示声发射源至测量点间的传播距离；
计算能量的衰减：
Ex＝E0e-kx
其中，Ex为离声发射源长度为x距离处的振幅，E0为初始能量，k为能量的衰减系数，x表示声发射源至测量点间的传播距离。
S4-2：使用希尔伯特-黄(HHT)变换，提取声发射信号的主频段，并根据主频段对应振幅的衰减判定波纹管横截面内的最优监测位置，过程如下：
对信号进行分解：
其中，X(t)是分析信号，ci是第i阶IMF，n是IMF的数量，rn是残差项；
希尔伯特谱分析使用HHT来获得IMF的每阶瞬时频率，从而获得信号的时频表示，即希尔伯特谱，为IMF的每个ci都做HHT变换：
建立分析信号：
得到振幅函数：
瞬时相位函数：
将瞬时频率表示为：
用分量将原始信号的希尔伯特谱进行表示：
使用希尔伯特边缘谱反映信号振幅在整个频带内的变化情况：
其中，T是信号的长度。
5.根据权利要求1所述的一种T梁桥预应力钢绞线损伤断丝混凝土表面声发射传感器布置方法，其特征在于，所述S4中使用铅笔的铅芯并且使之与接触面呈30°夹角时折断铅芯发出的声发射信号模拟预应力钢绞线断丝信号。
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