CN117470968A - 一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法及系统，在结构体适宜位置上设置宽频型声发射传感器，传感器与高通滤波器连接，对通行车辆及环境电磁波产生的噪音进行滤波，然后将弹性波信号传送至波形记录仪，将其模拟信号转换成数字信号，对转换后的信号进行频率解析，当评价峰值频率超过1kHz时，对时域波形衰减时间进行判断，对衰减时间不少于6ms的弹性波AE事件判断为预应力钢筋断裂信号，并且进行弹性波源定位，向管理者发出预应力钢筋断裂的实时警报。本发明给出了区分噪音信号及预应力钢筋断裂信号的2个具体判断指标，对消除噪音信号即滤波问题设计了具体滤波的硬件、软件对策，解决了预应力钢筋断裂报警漏报和误报问题。
Description
技术领域
本发明涉及预应力混凝土结构健康监测领域，具体是一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法及系统。
背景技术
预应力混凝土结构中，预应力钢筋的受力起到关键作用。比如，由于预应力钢筋断裂引起的桥梁整体垮塌事故并不少见，例如2018年8月14日意大利莫兰迪大桥突然垮塌事故，2004年6月10日辽宁盘锦大桥预应力混凝土箱梁跨中部分垮塌事故。本发明所指的预应力钢筋断裂，包括预应力钢绞线断丝前的腐蚀初裂、断丝和预应力钢棒断裂。由于预应力钢筋孔道灌浆不饱满存在空洞易受腐蚀影响及预应力钢筋锚固端处易受腐蚀影响引起应力钢筋腐蚀断裂、疲劳断裂，或者氢脆断裂，当受外力触发时，更容易出现预应力钢筋断裂现象。现有钢筋断裂检测技术，比如X射线CT、漏磁检测等是在钢筋断裂后的事后检测方法；由于预应力钢筋埋藏于混凝土中，埋藏于钢筋混凝土中的波纹管及灌浆体中，双重的埋藏增加了预应力钢筋破断监测的隐蔽性及难度。基于声发射的预应力钢筋断裂监测技术，能够对结构体中预应力钢筋断裂产生的弹性波信号进行捕捉，认为使用该技术具有适用性；另一方面，由于其监测采样频率高，连续监测得到的数据量大，对保存硬件容量要求大，对大量保存的数据进行解析也存在困难。因此，只对必要的数据进行保存，滤除噪音信号，减少数据保存量是必要的。
现有技术方案，例如专利CN115406385A，给出了斜拉桥索塔锚固区预应力钢筋断裂监测传感器布置方式及断裂定位的方法，但未给出钢筋断裂弹性波信号的具体识别方法；专利CN116008400A，未给出预应力钢筋腐蚀和损失过程中的声发射信号，未见实测预应力钢筋断裂声发射信号，未见监测中噪音消除对策。
发明内容
针对背景技术中存在的上述问题，本发明提供一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法及系统，对埋藏在混凝土中的后张法预应力钢筋断裂进行监测，检出其断裂发生的时间、数量和位置，提出预应力钢筋断裂弹性波信号识别的具体方法，给出监测中噪音消除的具体硬件和软件对策，并且在实桥中监测到了预应力钢筋断裂，验证了本发明技术方案的有效性。
一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测系统，包括：
若干声发射传感器，设于预应力混凝土结构表面，用于采集外界不规则振动产生的噪音信号以及预应力混凝土结构中预应力钢筋发生变形、腐蚀初裂、断丝或者断裂时产生的弹性波信号；
高通滤波器，与所述若干声发射传感器通信连接，用于滤除所述若干声发射传感器采集的噪音信号；
波形记录仪，与高通滤波器通信连接，用于将高通滤波器滤除噪音信号后的弹性波信号转换为弹性波数字信号；
监测电脑，与波形记录仪连接，用于对最大电压振幅超出门槛值的弹性波数字信号进行分析，得到弹性波频率成分和衰减时间，根据弹性波评价峰值频率和衰减时间与设定的频率阈值和波形衰减时间阈值判断弹性波数字信号是否为预应力钢筋断裂信号，当判断结果为是时发出报警，并根据声发射传感器间的传播时间确定预应力钢筋断裂位置。
进一步的，所述高通滤波的频率选择在100Hz～1kHz之间。
进一步的，所述频率阈值设定为1kHz。
进一步的，所述波形衰减时间阈值设定为6ms。
进一步的，所述声发射传感器的频响在数Hz～数100kHz广域带域。
一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法，采用上述系统进行，所述方法包括：
在预应力混凝土结构表面上设置若干声发射传感器，采集外界不规则振动产生的噪音信号以及预应力混凝土结构中预应力钢筋发生变形、腐蚀初裂、断丝或者断裂时产生的弹性波信号；
对声发射传感器采集的信号，通过高通滤波器滤除噪音信号；
波形记录仪将滤除噪音信号后的弹性波信号转换成数字信号，再传送至监测电脑；
监测电脑对最大电压振幅超出门槛值的弹性波数字信号进行分析，得到弹性波频率成分和衰减时间，根据弹性波评价峰值频率和衰减时间与设定的频率阈值和波形衰减时间阈值判断弹性波数字信号是否为预应力钢筋断裂信号，当判断结果为是时发出报警，并根据声发射传感器间的传播时间确定预应力钢筋断裂位置。
进一步的，所述高通滤波的频率选择在100Hz～1kHz之间。
进一步的，所述波形衰减时间阈值设定为6ms。
进一步的，所述声发射传感器的频响在数Hz～数100kHz广域带域。
本发明是给出了区分噪音信号及预应力钢筋断裂信号的2个具体判断指标，对消除噪音信号即滤波问题设计了具体滤波的硬件、软件对策。如此，消除了占声发射监测信号绝对多数的噪音以后，突出了预应力钢筋断裂信号，防止预应力钢筋断裂信号被噪音信号埋没问题，解决了预应力钢筋断裂报警漏报和误报问题，解决了预应力钢筋断裂监测的基本问题。利用本发明的技术方案，监测到了实桥的预应力钢筋断裂事件，验证了本发明的有效性。
附图说明
图1为本发明实施例一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测系统的结构示意图；
图2为预应力混凝土结构的预应力钢筋断裂检出中，在结构物上设置的预应力钢筋腐蚀断裂发生模拟装置及AE传感器布置图；
图3为预应力钢筋腐蚀断裂发生模拟装置放大图；
图4为本发明实施例一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法的流程图；
图5为电磁噪音信号及车辆通行噪音信号时域图、频域图；
图6为预应力钢筋断裂弹性波波形衰减图；
图7为弹性波信号电压幅值对日期与时间关系图；
图8为预应力钢筋腐蚀断丝弹性波传播距离衰减曲线；
图9为预应力钢筋腐蚀初裂时时域图；
图10为预应力钢筋腐蚀初裂时频域图；
图11为预应力钢筋腐蚀断丝时域图：断丝第1根(绞合丝)，断丝第7根(直心丝)；
图12为预应力钢筋腐蚀断丝频域图：断丝第1根(绞合丝)；
图13为预应力钢筋腐蚀断丝频域图：断丝第7根(直心丝)；
图14为结构预应力钢棒d＝32mm断裂弹性波时域图；
图15为结构预应力钢棒d＝32mm断裂弹性波频域图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测系统，包括：
若干声发射传感器，设于预应力混凝土结构表面，用于采集外界不规则振动产生的噪音信号以及预应力混凝土结构中预应力钢筋发生变形、腐蚀初裂、断丝或者断裂时产生的弹性波信号；所述预应力混凝土结构可为预应力混凝土结构的桥梁箱梁、T梁、空心板梁等。
高通滤波器，与所述若干声发射传感器通信连接，用于滤除所述若干声发射传感器采集的噪音信号，对滤波频率以下的信号予以阻止，对滤波频率以上的信号予以通过；
波形记录仪，与高通滤波器通信连接，用于将高通滤波器滤除噪音信号后的弹性波信号转换为弹性波数字信号；
监测电脑，与波形记录仪连接，用于对弹性波数字信号进行分析，得到弹性波频率成分和衰减时间，根据弹性波评价峰值频率和衰减时间与设定的频率阈值和波形衰减时间阈值判断弹性波数字信号是否为预应力钢筋断裂信号，当判断结果为是时发出报警，并根据声发射传感器间的传播时间确定预应力钢筋断裂位置。
本发明为了检出预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂，在预应力钢筋锚固端附近及预应力钢筋分布区域的结构体上设置宽频声发射传感器，以采集结构体中的弹性波信号。为了区分采集到的弹性波是噪音信号还是预应力钢筋断裂信号，本发明对采集的弹性波数据进行频率成分分析，并设定频率阈值；对上述设定的阈值，如果弹性波评价峰值频率比阈值小，就是噪音信号，比阈值大的信号就是预应力钢筋断裂信号，本实施所设定的频率阈值为1kHz。对接收到的单个传感器的弹性波的衰减时间，对是否超过波形衰减时间阈值进行判断，对超过波形衰减时间阈值(例如6ms)的弹性波，根据传感器间的传播时间差，决定预应力钢筋断裂位置。
其中声发射传感器选择宽频型传感器(n1～n4)，频响在数Hz～数100kHz广域带域。根据声发射传感器监测得到的弹性波数据，可以实时监测预应力钢筋的腐蚀初裂及断丝发展，具有根据多个AE传感器的数据对断裂进行定位的优点。
如图2及图3所示，在箱梁内侧面上设置了预应力钢绞线腐蚀断丝装置，模拟由于预应力孔道灌浆不饱满导致预应力钢筋腐蚀断裂的情况。电化学腐蚀通电电流0.40A，溶液槽内装有5％NaCl溶液。在预应力钢绞线锚定板上设置了1个声发射传感器，沿桥轴纵向及横向均设置了多个声发射传感器，目的是检测腐蚀断丝过程中的AE弹性波发生及在混凝土中的传播情况。试验结果是检出了腐蚀初裂和全部断丝的弹性波信号。
如图4所示，本发明实施例还提供一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法，采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：
Step1，在预应力混凝土结构表面上设置若干声发射传感器(n1～n4)，采集外界不规则振动产生的噪音信号以及预应力混凝土结构中预应力钢筋发生变形、腐蚀初裂、断丝或者断裂时产生的弹性波信号。为了提高监测效率，对设置的所有AE传感器，当其中的一个传感器监测值超过触发用门槛值(电压振幅)时，采用启动触发采集，对全通道的传感器实施自动采集数据并进行保存的方式。
如图5所示，是实桥监测的噪音信号时域图及频域图，噪音信号大多是外来不规则振动信号，大多具有随机发生的特点，桥面车辆通行也可产生噪音信号，噪音信号无主频频率或频率低于1kHz；如表1所示，实测预应力钢筋模拟腐蚀初裂、断丝及结构预应力钢棒断裂的弹性波主频频率成分最小值为5kHz，均大于1kHz。
表1实测预应力钢筋断裂弹性波评价峰值频率(kHz)
Step2，对上述采集的信号，通过高通滤波器(高通性能：数Hz～数10kHz，斜率24dB/OCT程度)滤除噪音信号，设置高通滤波频率选择在100Hz～1kHz之间，传送至波形记录仪(性能：记忆保存、电压范围5mV～20V/div、采样率1MSPS以上、预触发功能、FFT频率解析、通道间绝缘)。滤波设定条件及噪音情况分析见表2。
表2滤波设定条件及噪音情况分析表
step3，波形记录仪将滤除噪音信号后的弹性波信号转换成数字信号，再传送至监测电脑，由监测软件控制数据的采集、传送和保存。
Step4，监测电脑判断弹性波信号最大电压振幅、或者最大电压振幅的平均值是否超过门槛值。超过门槛值时，对采集到的弹性波信号进行频率解析，对评价峰值频率是否大于等于1kHz进行判断，小于1kHz时判断为No返回Step1，大于等于1kHz时判断为Yes进入Step5。
Step5，判断弹性波信号波形的衰减时间。如图5～6所示，预应力钢筋破断时的波形衰减时间长，腐蚀初裂时在断丝点附近也不小于6ms，随着弹性波能量加大，传播距离加大，衰减时间会加长；实桥中的预应力钢棒，由于断裂时释放能量更大，衰减时间更长。通行车辆噪音(小于2ms)、电磁噪音(小于3ms左右)的波形衰减时间较短。
如图7～图15所示，预应力钢筋腐蚀初裂、断丝或者断裂产生的弹性波，除腐蚀初裂时产生的能量较小声发射弹性波振幅较小外，预应力钢筋断丝产生的弹性波能量大，幅值也大，明显高于噪音及其他信号，并且多个传感器在同时间段接受到断丝事件信号，距离断裂源10米衰减振幅仍然可达约50dB；在超过适宜设定的电压振幅门槛值采集的弹性波评价峰值频率在5kHz～40kHz范围内。结构中的预应力钢棒d＝32mm断裂点附近的弹性波频率应该更高，随着传播距离加大，高频成分衰减，频率降低。噪音大多是无规则的振动，大多表现为无明显峰值频率。Step5，就是对预应力钢筋破断信号，设定了第二判断手段。
因此在Step5，弹性波波形的衰减时间的数值，与设定的衰减阈值(例如6ms)比较，如果小于阈值判断为「NO」，返回Step1，如果大于阈值判断为「Yes」，进入Step6。
Step6，对判断为预应力钢筋破断的弹性波信号，进入Step6a的断裂位置定位，同时进入Step7发出警报，在桥梁现场设置的监测系统，通过有线或者无线通信方式，监测管理画面及数据送信至桥梁管理所和监测中心，送信至桥梁运维管理者手机，实时报警，实现报警管理信息的共享。
Step6a，在多个AE传感器中，最快接受到破断弹性波信号的传感器的传播时间，从与同事件其他传感器接受到信号的时间差，利用已知的方法，来计算断丝或者断裂源位置。
Step8，在Step7发出警报后，对预应力混凝土结构的受损预应力钢筋进行补修、交换工程。最后，完成预应力钢筋破断弹性波检出处理。
如上所述，在预应力混凝土结构中发生的弹性波，判定噪音的频率在阈值1kHz以下还是以上，判断是车辆通行产生的噪音或者是电磁噪音，还是预应力钢筋破断信号，从而检出预应力钢筋的破断。
本发明的关于预应力混凝土结构中的预应力钢筋破断监测方法及系统，对弹性波的波形进行频率分析，知其处于什么带域，能够对预应力钢筋断裂的发生进行明确判定，对市政道路桥梁、公路桥梁，铁路桥梁，以及其他预应力结构物的预应力钢筋的安全管理上，可以进行广泛的适用。
本发明具有如下特点：
1、利用本发明提出的预应力钢筋断裂监测方法，能够明确区分噪音信号与预应力钢筋腐蚀初裂信号和断丝信号，对预应力钢筋断裂做出实时报警，因此能够对预应力混凝土构造物坍塌破坏事故做到提前预测。另外，利用频率滤波，对电磁噪音以及通行车辆导致的噪音进行剔除，目标只对预应力钢筋断裂信号数据进行保存，可以解除因为保存大量不必要的数据带来的困扰。
2、使用宽频声发射传感器，设置在预应力钢筋的锚固端及预应力钢筋分布的区域，能够构筑有效及高性价比的预应力钢筋破断监测系统。利用本发明提供的方法和市场上可以买到的采集装置部件可以构筑紧凑版监测系统，降低监测成本。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测系统，其特征在于，包括：
若干声发射传感器，设于预应力混凝土结构表面，用于采集外界不规则振动产生的噪音信号以及预应力混凝土结构中预应力钢筋发生变形、腐蚀初裂、断丝或者断裂时产生的弹性波信号；
高通滤波器，与所述若干声发射传感器通信连接，用于滤除所述若干声发射传感器采集的噪音信号；
波形记录仪，与高通滤波器通信连接，用于将高通滤波器滤除噪音信号后的弹性波信号转换为弹性波数字信号；
监测电脑，与波形记录仪连接，用于对最大电压振幅超出门槛值的弹性波数字信号进行分析，得到弹性波频率成分和衰减时间，根据弹性波评价峰值频率和衰减时间与设定的频率阈值和波形衰减时间阈值判断弹性波数字信号是否为预应力钢筋断裂信号，当判断结果为是时发出报警，并根据声发射传感器间的传播时间确定预应力钢筋断裂位置。
2.如权利要求1所述的一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测系统，其特征在于：所述高通滤波的频率选择在100Hz～1kHz之间。
3.如权利要求1所述的一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测系统，其特征在于：所述频率阈值设定为1kHz。
4.如权利要求1所述的一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测系统，其特征在于：所述波形衰减时间阈值设定为6ms。
5.如权利要求1所述的一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测系统，其特征在于：所述声发射传感器的频响在数Hz～数100kHz广域带域。
6.一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任一项所述系统进行，所述方法包括：
在预应力混凝土结构表面上设置若干声发射传感器，采集外界不规则振动产生的噪音信号以及预应力混凝土结构中预应力钢筋发生变形、腐蚀初裂、断丝或者断裂时产生的弹性波信号；
对声发射传感器采集的信号，通过高通滤波器滤除噪音信号；
波形记录仪将滤除噪音信号后的弹性波信号转换成数字信号，再传送至监测电脑；
监测电脑对最大电压振幅超出门槛值的弹性波数字信号进行分析，得到弹性波频率成分和衰减时间，根据弹性波评价峰值频率和衰减时间与设定的频率阈值和波形衰减时间阈值判断弹性波数字信号是否为预应力钢筋断裂信号，当判断结果为是时发出报警，并根据声发射传感器间的传播时间确定预应力钢筋断裂位置。
7.如权利要求6所述的一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法，其特征在于：所述高通滤波的频率选择在100Hz～1kHz之间。
8.如权利要求6所述的一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法，其特征在于：所述频率阈值设定为1kHz。
9.如权利要求6所述的一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法，其特征在于：所述波形衰减时间阈值设定为6ms。
10.如权利要求6所述的一种预应力混凝土结构中预应力钢筋断裂监测方法，其特征在于：所述声发射传感器的频响在数Hz～数100kHz广域带域。
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- 2023-11-10 CN CN202311494685.5A patent/CN117470968A/zh active Pending
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