CN116973451A - 一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法，本方案将预应力孔道内钢束损伤断丝位置这个三维空间定位问题转化成一个二维平面定位和一个一维线性定位的综合问题，其中二维平面定位部分实现损伤所在钢绞线的定位，一维线性定位实现损伤位置的纵向定位，最终实现三维空间定位效果，本方法与现有技术相比，本发明可以直接对桥梁内部预应力孔道中的钢束损伤状况进行监测，可以较为简便、精确地确定实梁预应力孔道内发生损伤的预应力钢束。

Description

一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法
技术领域
本发明涉及声发射监测技术领域，具体涉及一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法。
背景技术
目前，由于钢束损伤造成的桥梁垮塌的事故时有发生，已有的三维空间定位方法无法直接对桥梁内部预应力孔道中钢束(钢束由若干股钢绞线或平行钢丝束与锚具配合组成)的损伤状况进行监测，且无法对预应力孔道内钢束的损伤进行准确定位，这些不足极大阻碍了三维空间定位方法在中小跨径桥梁健康监测中的发展及应用；
此外，对于各项异性材料，已有的二维平面定位方法总是需要满足材料波速已知或特殊布置的传感器阵列的条件，才能够实现平面损伤的精确定位；
鉴于以上，本申请提供一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位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，本发明提出一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法，操作便捷，能够精确地确定预应力孔道内钢束中发生损伤的钢绞线(平行钢丝束)的具体位置。
一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将两声发射传感器间隔粘贴在异形波导杆表面，声发射传感器经前置放大器连接有声发射采集装置；
S2：由声发射传感器采集到的声发射信号到达时间，计算到达时间差进而通过到达时间差判断位于异形波导杆上相应位置的钢束发生损伤；
S3：任取两声发射传感器采集到的声发射信号幅值，将声发射传感器采集到的损伤信号幅值代入传播衰减模型中，反推出声发射源的纵向位置。
上述技术方案有益效果在于：
(1)该方法可直接对桥梁中预应力孔道内钢束的损伤状况进行监测，仅根据两个声发射传感器采集到的损伤信号到达时间和幅值，即可对后张预应力桥梁中预应力孔道内钢束的损伤进行空间定位，以便于获取预应力孔道内钢束中发生损伤的钢绞线(平行钢丝束)的具体位置；
(2)预应力钢束损伤产生的声发射信号最大振幅大于环境噪音的幅值(环境噪音远小于钢束损伤产生的声发射信号最大幅值)，并且最大振幅的测定不受门限阈值设置的影响，故在实际工程应用中，推荐使用声发射信号最大振幅到达时间差对钢束的损伤位置进行识别定位，保障桥梁安全。
附图说明
图1为本发明声发射传感器、异形波导杆、钢束安装位置关系示意图；
图2为本发明锚板结构示意图；
图3为本发明钢束1发生损伤时，基于最大振幅到达时间差的横向定位结果表达图；
图4为本发明钢束2发生损伤时，基于最大振幅到达时间差的横向定位结果表达图；
图5为本发明钢束3发生损伤时，基于最大振幅到达时间差的横向定位结果表达图；
图6为本发明钢束4发生损伤时，基于最大振幅到达时间差的横向定位结果表达图；
图7为本发明预应力孔道内钢束发生损伤时，声发射信号幅值纵向传播衰减模型示意图；
图8为本发明预应力钢束纵向损伤定位流程图。
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，在以下配合参考本申请附图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。
现有的箱梁预应力孔道内设有波纹管且钢束、锚具(本方案对锚具材料没有限定，对于任意材料的锚具，相同的预应力孔道结构都可以实现损伤定位)均设于波纹管内，其中锚具包括锚板(锚板上具有与钢束配合的孔且钢束穿过与之对应的孔与锚板之间实现紧密贴合接触)、夹片、锚垫板和螺旋筋，在波纹管内填充有压浆料(以上为现有箱梁预应力孔道内的结构形式)，本方案以预应力孔道内设有四条钢束(本方案中的钢束包括钢绞线、平行钢丝束)为例进行描述说明，锚板上设有四个孔且锚板上四个孔的位置分别位于正方形的四个顶点位置处，两声发射传感器(Sensor-1和Sensor-2)之间的距离为d，四条预应力钢束分别为S1、S2、S3、S4；
注：本方案中的两声发射传感器并未内嵌于波纹管内的压浆料中，两个声发射传感器黏贴布置在锚板的表面，布置完声发射传感器后，需要对其做密封处理，原因不是避免压浆料侵入其内部，压浆料在波纹管内部，不与声发射传感器接触，预应力孔道的结构：两端设有两个锚具、波纹管和穿过波纹管的钢绞线形成一个密闭的整体，声发射传感器布置在封闭整体的外部；
一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法，具体包括以下步骤：
S1：将两声发射传感器分别粘贴在异形波导杆(即，锚板)表面位置并且两声发射传感器间隔设置(两声发射传感器之间距离为d)，在声发射传感器与异形波导杆粘贴位置处涂有凡士林(用作耦合剂)，两声发射传感器经前置放大器连接有声发射数据采集装置(当预应力孔道内钢束发生损伤时，激发的机械振动先由钢束传播至异形波导杆，引起异形波导杆表面的振动，粘在异形波导杆表面的两声发射传感器将瞬态位移转换成电信号，经过前置放大器放大后传至声发射数据采集装置)；
S2：由两声发射传感器采集到的声发射信号到达时间(通过在预应力钢束上断铅以模拟损伤信号)，计算到达时间差，预应力孔道内不同钢束发生损伤时的声发射信号到达时间差具有不同的取值范围，可通过到达时间差的正负来识别锚板左侧(S1、S4)或右侧(S2、S3)的预应力钢束发生损伤，通过比较到达时间差的大小来判断锚板上面(S1、S2)或者下面(S4、S3)的预应力钢束发生损伤，具体包括以下步骤：
S2-1：设定声发射波(钢束损伤源)传递至Sensor-1和Sensor-2的时间分别为T1和T2，当预应力钢束S1发生损伤时，声发射信号到达时间差为ΔT1：
同理可得：当钢束S2、S3、S4发生损伤时，声发射信号到达时间差分别为ΔT2、ΔT3和ΔT4：
式中，d为两声发射传感器之间的距离，V为声发射波在异形波导杆平面内的传播速度(需要实测获得)；
取到达时间差ΔT1和ΔT4的算术平均值ΔT14为判断钢束S1或者S4发生损伤的分界点：
同理，取到达时间差ΔT2和ΔT3的算术平均值ΔT23为判断钢束S2或S3发生损伤的分界点：
因此，通过判断ΔT与ΔT14之间的关系来判断相应的钢束发生损伤，其中ΔT为实际获得的两声发射传感器接收到声发射信号的时间差计算得来的，ΔT14是通过d与v之间的关系，通过公式计算出来的，ΔT14为理论计算而得；
其中，理论值ΔT14是实际值ΔT的一个判断标准，本方案中统一按照传感器Sensor-2的幅值到达时间减去传感器Sensor-1的幅值到达时间作为时间差，ΔT14为左侧两个钢束S1、S4发生损伤的时间分界值，ΔT23为右侧两个钢束S2、S3发生损伤的时间分界值，损伤在波导杆所在平面的投影到达两个传感器距离差不同，时间也不同；
当两个传感器接收到的声发射信号到达时间差满足ΔT14＜ΔT，判定预应力钢束S1发生损伤(S1发生损伤，到达两个声发射传感器的距离差较大，所以ΔT14＜ΔT)；
当0＜ΔT＜ΔT14时，判定钢束S4发生损伤(钢束S4发生损伤，到达两个声发射传感器的距离差较大，所以是ΔT14＞ΔT＞0)；
本方案中由于异形波导杆是一个轴对称图形，从对称轴分开，左侧和右侧的时间差正好相反，所以ΔT23＝—ΔT14：
同理，当ΔT＜-ΔT14时，判定钢束S2发生损伤(钢束S2发生损伤，到达两个声发射传感器的距离差较大，所以是ΔT23＝—ΔT14＞ΔT)；
当-ΔT14＜ΔT＜0时，判定钢束S3发生损伤(S3发生损伤，到达两个声发射传感器的距离差较大，所以是ΔT23＝—ΔT14＜ΔT＜0)；
采用算术平均值的目的是为了引入一个分界点作为损伤位置的判断标准，用来提高该方法在实际监测时的宽容度，ΔT1、ΔT2、ΔT3和ΔT4是一个理论计算的结果，但是在实际桥梁监测时会受到温度、气候等各种环境因素的影响，这些因素可能都会对声发射信号的采集产生影响，引入这个算术平均值，即分界点是为了提高该方法在实际工程中的适用性。
S3：确定预应力孔道内钢束发生损伤的纵向位置(钢束损伤源产生是声发射波在预应力钢束上传播时，声发射传感器采集到的信号幅值随着传播距离的增加按照指数规律衰减，可通过采集到的声发射信号幅值反向推算出损伤源的纵向位置)，如图8所示，具体包括以下步骤：
S3-1：进行断铅试验；任意选择预应力钢束中的一股钢束，在钢束上距离异形波导杆0m、1m、2m、3m、4m和5m处各断铅3次，采集所有预应力钢束上不同纵向位置处的断铅信号；
S3-2：提取断铅信号的幅值；提取3次断铅信号(属于声发射技术领域比较常用的一个次数)的幅值并计算均值和标准差，其中，“均值”是因为做了3次相同的试验，平均之后作为一个点幅值代表，而“标准差”的大小代表了3次试验结果的离散性程度(作为一个验证试验离散程度的指标)；
S3-3：建立传播衰减模型；分别对两声发射传感器采集到的断铅信号幅值进行拟合，建立两个声发射传感器与钢束之间的传播衰减模型，具体将S3-2中的均值作为每一个距离点的y坐标，通过拟合距离x和幅值的均值的e指函数关系，建立传播衰减模型，如图7所示，为本发明预应力孔道内钢束发生损伤时，声发射信号幅值纵向传播衰减模型示意图，其中y为采集到的声发射信号幅值，e表示信号幅值衰减模型为e指函数，x是距离声发射源的距离，R2表示拟合函数与测定的数据点的拟合程度。
S3-4：进行纵向定位试验；任选一股预应力钢束，在其上进行断铅来模拟钢束损伤信号，并采集模拟损伤源的声发射信号；
S3-5：提取损伤信号幅值；提取两声发射传感器采集到的模拟损伤信号的幅值；
S3-6：得到纵向定位结果；将两个声发射传感器采集到的声发射信号幅值代入相应钢束的传播衰减模型中，反推出损伤位置，取两声发射传感器均值为最终声发射损伤源的纵向位置；
之所以取两声发射传感器的均值是因为：虽然布置在锚板上的两个声发射传感器的距离与钢绞线的长度相比可以忽略不计，但是实际工况会受到各种复杂因素的影响，两个声发射传感器得到结果的均值可以使损伤定位结果更精确。
如表1所示，是在钢束上距离异形波导杆0m、1m、2m、3m、4m和5m处各断铅3次，所采集到的断铅信号，通过上述传播衰减模型求得的定位结果如表1所示；
表1
由表1可得：除了个别位置0m处，绝大部分位置处的定位误差绝对值小于30cm，相对定位精度达到94％(1-30/500＝0.94)，所提纵向定位方法的定位精度可以满足实际工程应用中的要求。
本方案将预应力孔道内钢束损伤断丝位置这个三维空间定位问题转化成一个二维平面定位和一个一维线性定位的综合问题，其中二维平面定位部分实现损伤所在钢绞线的定位，一维线性定位实现损伤位置的纵向定位，最终实现工具箱损伤的三维空间定位效果，本方法与现有技术相比，本发明可以直接对桥梁内部预应力钢束的损伤状况进行监测，可以较为简便、精确地确定实梁内发生损伤的预应力钢束；
预应力钢束损伤产生的声发射信号最大振幅大于环境噪音的幅值(环境噪音声发射信号的最大幅值一般在40dB以下，这在声发射监测领域是公认约定俗成的，本发明采集到的声发射信号最大振幅是远大于40dB的，所以得出预应力钢束损伤产生的声发射信号最大振幅大于环境噪音的幅值)；
并且最大振幅的测定不受门限阈值设置的影响(因为声发射监测时会存在环境噪音、机械噪音等非目标信号的影响，所以需要对采集到的声发射信号进行降噪的处理，一种常用的降噪手段为设置幅值的阈值来剔除小于设定门限阈值的信号，由于声发射信号的最大振幅一般都是远大于设定的门限阈值，所以“最大振幅的测定不受门限阈值设置的影响”)；
故在实际工程应用中，推荐使用声发射信号最大振幅到达时间差对钢束的损伤位置进行识别定位(预应力钢束损伤产生的声发射信号最大振幅大于环境噪音的幅值，并且最大振幅的测定不受门限阈值设置的影响，所以使用声发射信号最大振幅到达时间差进行定位，也可用首波到达时间差等参数来进行定位，但易受环境噪音等的影响使得定位结果不准确)，保障桥梁安全。
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 (6)

1.一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将两个声发射传感器间隔粘贴在异形波导杆表面，声发射传感器经前置放大器连接有声发射采集装置；
S2：由声发射传感器采集到的声发射信号到达时间，并计算到达时间差进而通过到达时间差判断位于异形波导杆上相应位置的钢束发生损伤；
S3：任取两声发射传感器采集到的声发射信号幅值，将声发射传感器采集到的损伤信号幅值代入传播衰减模型中，反推出声发射源的纵向位置。
2.根据权利要求1所述的一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法，其特征在于，S1中的所述异形波导杆由与钢束配合的锚板构成，所述声发射传感器粘贴于锚板表面。
3.根据权利要求1所述的一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法，其特征在于，所述钢束包括钢绞线和平行钢丝束。
4.根据权利要求2所述的一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法，其特征在于，所述声发射传感器与锚板表面粘贴位置处涂有凡士林。
5.根据权利要求1所述的一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法，其特征在于，所述S3中确定预应力孔道内钢束发生损伤的纵向位置，具体包括以下步骤：
S3-1：进行断铅试验；任意选择预应力钢束中的其中一股并且在其上面距离异形波导杆0m、1m、2m、3m、4m和5m处各断铅3次，采集预应力钢束中所有股上面不同纵向位置处的断铅信号；
S3-2：提取断铅信号的幅值；提取3次断铅信号的幅值并计算均值和标准差；
S3-3：建立传播衰减模型；分别对两声发射传感器采集到的断铅信号幅值进行拟合，建立两个声发射传感器与钢束之间的传播衰减模型；
S3-4：进行纵向定位试验；任选预应力钢束中的一股，在其上进行断铅来模拟损伤信号，并采集模拟损伤源的声发射信号；
S3-5：提取损伤信号幅值；提取两声发射传感器采集到的模拟损伤信号的幅值；
S3-6：得到纵向定位结果；将两个声发射传感器采集到的声发射信号幅值代入相应钢束的传播衰减模型中，反推出损伤位置。
6.根据权利要求5所述的一种预应力孔道内钢束损伤双声发射传感器空间定位方法，其特征在于，所述S3-6中取两声发射传感器均值为最终声发射损伤源的纵向位置。
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