基于超声导波测试信号钢筋混凝土损伤评价方法研究

摘要

钢筋混凝土广泛应用于土木工程结构中，而钢筋是钢筋混凝土结构中主要受力构件。在环境腐蚀和疲劳荷载作用下，钢筋难免会发生损伤，钢筋的损伤往往具有一定的隐蔽性，给检测带来一定的难度。目前钢筋损伤还缺乏有效的动态监测手段，而超声导波具有灵敏度高、监测面广、接收到的信号包含钢筋内部及接触面的整体信息等优点。但是超声导波信号具有频散和多模态特性，给监测结果识别带来一定的影响。开展基于超声导波信号识别钢筋混凝土损伤具有重要的意义。本文主要内容如下:
　　第一，利用有限元分析软件ANSYS建立了钢筋缺陷超声导波传播模型，对钢筋多种程度的损伤进行了模拟检测，利用ANSYS自带的瞬态力学分析模块进行求解，得到了各组工况缺陷超声导波回波信号。再利用MATLAB软件将各组缺陷超声导波回波信号进行了分形维数的分析，得到了钢筋不同缺陷长度和深度分形维数特征值，研究发现分形维数与缺陷长度和深度存在近似线性关系。
　　第二，进行了不同缺陷长度和深度钢筋超声导波实验，根据不同工况的缺陷回波波形，利用分形维数理论分析了不同损伤程度的超声导波信号。取得了与模拟结果相类似的结果，验证了用分形维数的方法进行超声导波信号的损伤识别的有效性。
　　第三，利用超声导波检测了混凝土中的钢筋腐蚀损伤，对测试超声导波信号进行了能量分析，得出腐蚀前后信号能量变化值是随着腐蚀程度增加而增加的。又用MATLAB软件对原始信号进行小波包分析，得到各腐蚀阶段的小波包能量谱，通过各频段信号的能量分布的变化来诊断结构的损伤程度。此外，运用小波包分析得到了钢筋混凝土腐蚀损伤超声导波信号时频曲线，给出了各个损伤阶段的波形特征、损伤类别和频率分布。
　　通过以上研究，得出如下结论:通过合理的超声导波实验，可以有效的对钢筋缺陷进行检测，应用分形维数法可以准确而有效的量化不同程度的钢筋损伤。对于混凝土中的钢筋的腐蚀损伤，应用信号能量分析和小波包能量分析也可以准确地诊断钢筋的腐蚀程度。