本發(fā)明涉及一種鋼筋混凝土主梁結構銹脹裂縫開裂參數(shù)監(jiān)測方法。

背景技術：

對于大氣環(huán)境下、近海環(huán)境下以及使用除冰鹽的鋼筋混凝土橋梁結構，腐蝕介質(氯離子或者二氧化碳)將引發(fā)混凝土中的鋼筋銹蝕，銹蝕產物導致混凝土保護層開裂、甚至剝落，進一步可能引起鋼筋混凝土橋梁結構主梁斷裂等問題。為了維持此類結構的正常服役功能，需要消耗大量的人力物力進行修補。以維持服役橋梁使用功能混凝土結構劣化的主要原因是鋼筋腐蝕和混凝土銹脹裂縫開裂。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年用于橋梁維修加固的資金投入達到數(shù)百億元。歸納起來主要有如下原因：1)我國橋梁數(shù)量多；2)橋梁維修管理的主動性不夠；3)現(xiàn)有的橋梁使用性能預測模型精度不高，這主要由于橋梁銹脹裂縫開裂的開始時間、裂縫的寬度與深度監(jiān)測手段有待于進一步完善，為建立可靠的預測模型提供有力支持。

目前對鋼筋混凝土主梁結構銹脹裂縫開裂參數(shù)監(jiān)測手段主要存在下列問題：1)對結構銹脹裂縫開裂開始時間的監(jiān)測不及時，現(xiàn)有的銹脹裂縫開裂開始時間模型主要是基于實驗室室內實驗模型數(shù)據(jù)，對實橋的應用還有一定的差距；2)銹脹裂縫的寬度監(jiān)測不準，現(xiàn)有的銹脹裂縫寬度模型大部分根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)擬合，實橋環(huán)境更為復雜，尚難以完全應用到實橋；3)銹脹裂縫的深度監(jiān)測方法目前尚無報道。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是，針對現(xiàn)有技術不足，提供一種鋼筋混凝土主梁結構銹脹裂縫開裂參數(shù)監(jiān)測方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是：一種鋼筋混凝土主梁結構銹脹裂縫開裂參數(shù)監(jiān)測方法，包括以下步驟：

1)在主梁結構1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8截面以及主梁結構的兩端各安裝兩個pzt壓電智能傳感器，對于任一截面或者主梁結構任一端的兩個pzt壓電智能傳感器，其中一個pzt壓電智能傳感器沿著水平縱向安裝，用以記錄混凝土結構銹脹裂縫開裂的寬度，另外一個pzt壓電智能傳感器垂直于水平方向安裝，用以記錄結構銹脹裂縫的深度；

2)基于pzt正壓電效應的本構關系以及混凝土銹脹裂縫開裂效應力學原理，建立橢圓形壓電智能骨料與銹脹裂縫開裂時間參數(shù)的力學模型及變換模型，tcrack＝d水平/vg1+d縱向/vg2+tok，tcrack為銹脹裂縫開裂時間，d水平為pzt壓電智能傳感器攜帶的水平開裂信號，d縱向為pzt壓電智能傳感器攜帶的縱向開裂信號，vg1為信號水平傳播速度，vg2為信號水平傳播速度；tok為時間延誤信息，并認為橢圓形傳感器主要受軸向力以及軸向力在傳感器極化面上均勻分布，求解橢圓形壓電智能傳感器與混凝土銹脹裂縫開裂參數(shù)的對應關系，分析銹脹裂縫開裂特征與傳感器激勵信號隨應力波頻率的關系；

3)利用在第2)步中建立的橢圓形壓電智能骨料與銹脹裂縫開裂參數(shù)的力學模型，通過設備對橋梁主梁結構在基準時間t0時的信號的激勵和獲取，對基準時刻t0時的信息進行傅里葉變化以及小波技術處理，記錄新建橋梁在沒有銹脹裂縫開裂時刻的頻率、振幅參數(shù)信息，并記錄在當時條件下的環(huán)境參數(shù)；

4)利用銹脹裂縫開裂時刻的頻率、振幅參數(shù)信息，通過信號標定處理，將主梁結構有銹脹裂縫開裂時的橫向應力波和縱向應力波進行降噪處理，結合溫度、濕度，對混凝土主梁結構進行定期地、長期地監(jiān)測，剔除不穩(wěn)定數(shù)據(jù)，得到混凝土橋梁主梁結構銹脹裂縫開裂的開始時間、銹脹裂縫開裂的寬度和深度數(shù)據(jù)。

步驟2)中，橢圓形壓電智能傳感器與混凝土銹脹裂縫開裂參數(shù)的對應關系求解過程包括：

1)橋梁剛建成時，設立基準時間t0，獲得銹脹裂縫還沒有發(fā)生時的基準信號并記錄基準信號

2)獲取任意時間t主梁結構有銹脹裂縫開裂時的橫向應力波信號sti-h和縱向應力波信號sti-z；

3)通過帶通濾波器，利用時域卷積和小波變換技術，進行帶有銹脹裂縫開裂的橫向應力波信號和縱向應力波信號過濾，去除噪音的影響；

4)將過濾后的帶有銹脹裂縫開裂的橫向應力波信號和縱向應力波信號分別與無銹脹裂縫開裂時的橫向應力波信號和縱向應力波信號進行對比分析，校準帶銹脹裂縫開裂信息的橫向應力波與縱向應力波的傳播速度；

5)將當次測試信號與基準信號頻域計算分析，得到帶有銹脹裂縫開裂信息的隨距離變化的橫向應力波信號和縱向應力波信號；

6)對帶有銹脹裂縫開裂信息的橫向應力波信號和縱向應力波信號進行頻譜分析，得到殘差信號，并對殘差信號進行希爾伯特變化，對橫向應力波信號和縱向應力波信號進行相關性和歸一化處理；

7)利用相關性和歸一化處理后的橫向應力波信號和縱向應力波信號，對主梁結構內部任意關心位置的圖像值進行卷積分析，對上述步驟進行反復計算和標定，得到相應位置的總體圖像信息；利用激勵器對總體圖像信息進行處理，得到銹脹裂縫開裂的圖像以及開裂的信息。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明通過將智能骨料傳感器嵌入混凝土中，將骨料作為傳感器和驅動器，當混凝土發(fā)生銹脹裂縫開裂以及裂縫擴展時，應力波傳播的信號發(fā)生變化，與標定信號進行比較，利用多重延時成像技術，結合小波變換處理技術，可以得到銹脹裂縫發(fā)生的時間以及裂縫擴展的寬度和深度。本發(fā)明能夠實現(xiàn)實時監(jiān)測；施工過程中嵌入混凝土中，不對結構造成損傷，與結構和為一體；能夠測試銹脹裂縫開裂的深度，彌補了現(xiàn)有測試技術的不足；結合現(xiàn)有的損傷識別技術和信號處理技術，提高了測試的精度和智能化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明橢圓形pzt智能骨料傳感器示意圖；

圖2為本發(fā)明新建橋梁片主梁結構傳感器的布置圖；

圖3為本發(fā)明測試信號連接圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明制作嵌入式橢圓形pzt壓電智能骨料傳感器1，將橢圓形pzt壓電陶瓷傳感器用防水層2和保護層3包好，在壓電陶瓷傳感器上涂抹一層環(huán)氧樹脂防水層，用以絕緣和粘結外包層。在防水層外再包一層與主梁結構同一級配的混凝土外包層，防止傳感器在結構內部被壓碎，起到保護的作用。

在新建橋梁主梁結構4施工過程中，綁扎于受力主鋼筋5下表面，以保護在混凝土澆注過程中遭受破壞。一片主梁結構分別1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8，7/8截面以及梁的兩端各安裝兩個傳感器，一個是沿著水平縱向安裝，用以記錄混凝土結構銹脹裂縫開裂的寬度，另外一個是垂直于水平方向安裝，用以記錄結構銹脹裂縫的深度，同時將主梁結構分成7個區(qū)，目的是為了獲取不同方向的銹脹裂縫開裂信號。共計18個傳感器，具體的安裝方法見圖2。

建立橢圓形壓電陶瓷實時監(jiān)測力學模型?；趐zt正壓電效應的本構關系以及混凝土銹脹裂縫開裂效應力學原理，建立了橢圓形壓電智能骨料力學模型及變換模型，并認為橢圓形傳感器主要受軸向力以及軸向力在傳感器極化面上均勻分布，求解了橢圓形壓電智能傳感器與混凝土銹脹裂縫開裂參數(shù)的對應關系，分析了銹脹裂縫開裂特征與傳感器激勵信號隨應力波頻率的關系。

橢圓形pzt智能傳感器信號標定以及混凝土橋梁主梁結構在服役過程中的測試涉及到的設備有信號數(shù)字發(fā)生器6、壓電驅動電源7、數(shù)字示波器8、數(shù)據(jù)終端處理器9，其連接順序見圖3。利用在第3)步中建立的橢圓形壓電智能骨料與銹脹裂縫開裂參數(shù)的力學模型，通過設備對橋梁主梁結構4在基準時間t0時的信號的激勵和獲取，經過數(shù)字示波器8，利用數(shù)據(jù)終端處理器9對基準時刻t0時的信息進行傅里葉變化以及小波技術處理，記錄新建橋梁在沒有銹脹裂縫開裂時刻時頻率、振幅等參數(shù)信息，并儲存起來，并記錄在當時條件下的環(huán)境參數(shù)。

由pzt傳感器與pzt傳感器之間接收的信號獲取混凝土結構銹脹裂縫開裂圖像技術的主要步驟為：

a)橋梁剛建成，設立基準時間t0，獲得銹脹裂縫還沒有發(fā)生時的基準信號并記錄下來；

b)獲取任意時間t結構有銹脹裂縫開裂時的橫向應力波信號sti-h和縱向應力波信號sti-z；

c)通過帶通濾波器，利用時域卷積和小波變換技術，進行帶有銹脹裂縫開裂的橫向應力波和縱向應力波信息進行過濾，去除噪音的影響；

d)通過與無銹脹裂縫開裂時的信號對比分析，校準帶銹脹裂縫開裂信息的橫向應力波與縱向應力波的傳播速度；

e)通過與基準信號對比分析，可以計算得到帶有銹脹裂縫開裂信息的隨距離變化的衰減規(guī)律；

f)對帶有銹脹裂縫開裂信息的橫向應力波和縱向應力波信號進行運算處理，得到殘差信號，并對殘差信號進行希爾伯特變化，并對橫向應力波信號和縱向應力波信號進行相關性和歸一化處理；

g)計算結構內部任意關心位置的圖像值，通過信號疊加處理，由于有多個傳感器和驅動器，信號會發(fā)生反射以及衍射，一些反射和衍射脈沖中含有銹脹裂縫開裂信息，對上述步驟進行反復計算和標定，以得到相應位置的總體圖像信息；另外可以通過模擬軟件，利用激勵器對信息進行相關處理，得到銹脹裂縫開裂的圖像以及開裂的信息，還可以將pzt傳感器中的反射信號的強度以及結構內部pzt傳感器的分布設定的反射系數(shù)運用到結構的新的成像中，這樣可以提高銹脹損失監(jiān)測的精度。

6)混凝土主梁銹脹裂縫開裂信息識別技術。利用第3)步建立的pzt智能傳感器與驅動器的力學模型以及結構銹脹裂縫開裂參數(shù)對應關系表達式，通過信號標定處理，將橫向應力波和縱向應力波進行降噪處理，引入不確定性分析技術，結合環(huán)境參數(shù)，對混凝土主梁結構進行定期地、長期地監(jiān)測，剔除不穩(wěn)定數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計以及小波變換，即可得到混凝土橋梁主梁結構銹脹裂縫開裂的開始時間、銹脹裂縫開裂的寬度和深度數(shù)據(jù)，為橋梁維修加固決策提供數(shù)據(jù)支持。