利用瞬态冲击法检测钢管混凝土拱桥钢管脱空的方法

摘要

本发明提供利用瞬态冲击法检测钢管混凝土拱桥钢管脱空的方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：测点布置；在待测钢管混凝土钢管的外壁沿轴向设置多个测点，并在每个测点上均放置加速度传感器；第二步：在钢管混凝土钢管的首端或尾端附近的外壁设置激振点，利用激振装置水平敲击激振点，通过加速度传感器测得各测点的加速度响应信号；第三步：加速度传感器输出各测点的响应信号，通过信号放大器输入数据采集仪，通过数据采集仪获得各测点的固有频率及加速度功率谱密度后存储于计算机；本发明根据测点的固有频率和加速度响应的功率谱密度，并通过公式计算比较测点的加速度谱能量值，能够快速准确对钢管混凝土拱桥钢管进行脱空定位。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测钢管混凝土拱桥钢管脱空的方法，特别涉及一种利用瞬态冲击法检测钢管混凝土拱桥钢管脱空的方法。

背景技术

钢管混凝土拱桥在我国应用广泛，但受混凝土材料自身特性和泵送施工工艺等影响，常出现钢管混凝土界面脱空、孔洞等缺陷，直接影响拱桥质量，存在安全隐患，同时，由于管内混凝土脱空，裂缝的隐蔽性和发展的时空随机性，其有效检测（不漏测、定量）的技术难度很高，是该桥型国内外迄今尚未解决的技术关键之一，它直接关系到工程质量和工程安全 。

目前，国内的损伤检测和无损检测方法都有各自局限性。钻孔取芯法对构件随机选取一定检测点开孔，提取里面混凝土芯样检测会对构件本身造成损伤；人工敲击法从声音回响仅能够定性判断钢管壁与混凝土的粘结状况，这与操作人员的经验和主观判断有很大关系，没有有效的依据；超声波法是一种常见的无损检测方法，但由于试件形状的复杂性，如小尺寸、不规则形状，对超声波检测的可实施性有较大影响。材料内部结构，如非均匀性、非致密性等会使超声波检测的灵敏度和信噪比变差，因此对于缺陷的形状种类，超声波检测也较难有效的识别。同时，为使超声波有效地进入试件，必须有耦合剂。另外，本申请人在专利号为ZL200810233391.6的发明专利申请中公开了一种结构面板下脱空的瞬态冲击法检测装置及检测方法，在该申请中，利用加速度传感器测得密实结构面板的固有频率或/和振幅，再利用加速度传感器测得检测点的振动频率或/和振幅，并与密实结构面板的固有频率或/和振幅比较，根据比较结果判断结构面板下脱空。

由于钢管混凝土的振动与路面板振动存在显著差异，因此，对于钢管混凝土拱桥钢管脱空检测，可以利用钢管混凝土其自身的特性，发明出具有更高精确性，且有较高的灵敏度和信噪比，能够快速准确得到结果的检测方法，为发现和治理钢管混凝土脱空提供准确依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单方便，有更高精确性，较高的灵敏度和信噪比，能够快速准确得到结果的利用瞬态冲击法检测钢管混凝土拱桥钢管脱空的方法，该方法不需预先测得密实结构参数，而是直接检测脱空情况未知的钢管混凝土，而且根据钢管混凝土自身特性所发明的本方法，可以依照具体公式对密实、脱空情况进行定性表征，识别结果更为精确。

根据本发明的技术方案，利用瞬态冲击法检测钢管混凝土拱桥钢管脱空的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步.测点布置：在待测钢管混凝土钢管的外壁沿轴向设置多个测点，并在每个测点上均放置加速度传感器；

第二步.在钢管混凝土钢管的首端或尾端附近的外壁设置激振点，利用激振装置水平敲击激振点，通过加速度传感器测得各测点的加速度响应信号；

第三步.加速度传感器输出各测点的加速度响应信号，通过信号放大器输入数据采集仪，通过数据采集仪获得各测点的固有频率及加速度功率谱密度后保存于计算机中；

第四步.计算机比较分析所得数据，判断各测点的固有频率有无异常突变，若各测点的固有频率无异常突变，则在第一步中每两测点之间再新增一测点，重复第一步；若在所得数据分析中，发现某一处或几处测点的固有频率有异常突变，进行第五步；所述固有频率有异常突变是指在某阶固有频率附近，突然密集地新增几个共振峰，即一个波峰变为多个波峰，且幅值增大数倍；

第五步.选出发生固有频率突变的这个频率带，作为特定频率带，根据：

 ……(a)

(a)式中，是加速度响应的功率谱密度（PSD）函数，是加速度响应的傅里叶变换，为圆频率，代表将加速度响应作傅里叶变换。

因为，所以有：

  …………………………………(b)

式中，即为加速度功率谱密度函数，为固有频率。

按(b)式计算各测点在该特定频率带内的加速度谱能量，并将加速度谱能量值保存于计算机中；

第六步．选出共振峰增多的测点，并选出与其相邻的共振峰未变化的测点，用第五步计算所得的在特定频率带内的加速度谱能量值进行比较，若共振峰增多的测点的加速度谱能量值也是与其相邻的共振峰未变化的测点的加速度谱能量值的十倍以上，即

E/E＇≥10

说明共振峰增多的该处测点位置耗能更多，阻尼异常变大，则可判定该处测点位置有脱空存在；

其中：E表示共振峰增多的测点的加速度谱能量；

E＇表示与共振峰增多的测点相邻的共振峰未变化的测点的加速度谱能量；

第七步．选出第六步中判定的具有脱空的测点以及与其相邻的未脱空的测点，沿轴向分别在具有脱空的测点以及与其相邻的未脱空的测点之间新增布置测点，再在新增的每个检测点上放置加速度传感器，重复第二步至第六步，最终进行脱空定位。

本发明不需预先测得密实结构参数，直接根据测点的固有频率和加速度响应的功率谱密度，通过计算机判断各测点的固有频率有无异常突变，并依照具体公式比较测点的加速度谱能量值，对密实、脱空情况进行定性表征，由此判断各测点处有无脱空，并最终进行脱空定位，而非利用单一参数进行判断，因此判断结果更准确可靠，同时操作简单、方便、安全。

根据本发明的一个优选方案，在激励装置中设置力传感器，利用激振装置水平敲击激振点的同时，利用力传感器测得冲击力数值，使冲击力定量化，使判断结果更准确。

本发明所述的利用瞬态冲击法检测钢管混凝土拱桥钢管脱空的方法的有益效果是：本发明根据测点的固有频率和加速度响应的功率谱密度，通过计算机判断各测点的固有频率有无异常突变，并依照具体公式比较测点的加速度谱能量值，对密实、脱空情况进行定性表征，由此判断各测点处有无脱空，并最终进行脱空定位，判断结果更准确可靠；利用该方法检测钢管混凝土拱桥钢管脱空能够排除脱空形状、材料内部致密性等对检测结果的干扰，无须耦合剂，并且检测人员只需位于钢管的端头进行操作，简单、方便、安全，能够快速准确地得到检测结果，为早期发现和治理钢管脱空提供准确依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1是本发明所述利用瞬态冲击法检测钢管混凝土拱桥钢管脱空的方法的流程图。

图2是利用瞬态冲击法检测钢管混凝土拱桥钢管脱空的方法的信号传输示意图。

图3是本发明检测布点方法示意图。

图4为第2号测点幅频图。

图5为第3号测点幅频图。

图6为第4号测点幅频图。

图7为第5号测点幅频图。

图8为第6号测点幅频图。

图9为第7号测点幅频图。

图10为第8号测点幅频图。

图11为第9号测点幅频图。

图12为第10号测点幅频图。

具体实施方式

参见图1，利用瞬态冲击法检测钢管混凝土拱桥钢管脱空的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步.测点布置：在待测钢管混凝土钢管的顶部沿轴向设置多个测点，并在每个测点上均放置加速度传感器101；

第二步.在钢管混凝土钢管的首端或尾端附近的外壁设置激振点，利用激振装置102水平敲击激振点，通过加速度传感器101测得各测点的加速度响应信号；并且，在激励装置102中设置力传感器，使利用激振装置102水平敲击激振点的同时，利用力传感器测得冲击力数值，使冲击力定量化；

第三步.加速度传感器101输出各测点的加速度响应信号，通过信号放大器103输入数据采集仪104，通过数据采集仪104获得测点的固有频率及加速度功率谱密度后输入计算机105；

第四步.计算机105比较分析所得数据，判断各测点的固有频率有无异常突变，若各测点的固有频率无异常突变，则在第一步中每两测点之间再新增一测点，重复第一步；若在所得数据分析中，发现某一处或几处测点的固有频率有异常突变，进行第五步；所述固有频率有异常突变是指在某阶固有频率附近，突然密集地新增几个共振峰，即一个波峰变为多个波峰，且幅值增大数倍；

第五步.选出发生固有频率突变的这个频率带，作为特定频率带，按下式计算各测点在此特定频率带内的加速度谱能量，并将其值保存于计算机中；

式中，即为加速度功率谱密度函数，为固有频率。

第六步．选出共振峰增多的测点，并选出与其相邻的共振峰未变化的测点，用第五步计算所得的在特定频率带内的加速度谱能量值进行比较，若共振峰增多的测点的加速度谱能量值也是与其相邻的共振峰未变化的测点的加速度谱能量值的十倍以上，即

E/E＇≥10

说明共振峰增多的该处测点位置耗能更多，阻尼异常变大，则可判定该处测点位置有脱空存在；

其中：E表示共振峰增多的测点的加速度谱能量；

E＇表示与共振峰增多的测点相邻的共振峰未变化的测点的加速度谱能量；

第七步．选出第六步中判定的具有脱空的测点以及与其相邻的未脱空的测点，沿轴向分别在具有脱空的测点以及与其相邻的未脱空的测点之间新增布置测点，再在新增的每个检测点上放置加速度传感器，重复第二步至第六步，最终进行脱空定位。

参见图2，图2是利用瞬态冲击法检测钢管混凝土拱桥钢管脱空的方法的信号传输示意图，如图2所示，包括加速度传感器101、激振装置102、信号放大器103、数据采集仪104和计算机105，并且在激励装置102中设置力传感器。力传感器的信号输出端依次通过力信号放大器103和数据采集仪104输入计算机105。

根据待测钢管混凝土所需的激励力来选择合适的附加质量和更换锤头材料，使得所测得的频带能满足判定要求。锤头材料越硬，附加质量越轻，则冲击的时间就越短，其能量谱所覆盖的频带便越宽。

以下以对称结构的长度为3米的待测钢管混凝土钢管的一半为例，说明具体实施步骤：

第一步.测点布置：参见图3，在长度为3米的待测钢管混凝土钢管的外壁沿轴向设置测点，每个测点分别距离钢管的首端3/32、5/32、7/32、9/32、11/32、13/32、15/32、并在每个测点上均放置加速度传感器101；

第二步.在距钢管混凝土钢管的首端1/32处的外壁设置激振点，利用激振装置102进行水平方向激励，保证在0至1600Hz这个频带范围内，激励力的幅值维持在5.8e-3（1bf²/Hz）左右，通过加速度传感器101测得各测点的加速度响应信号；

第三步.加速度传感器101输出各测点的加速度响应信号，通过信号放大器103输入数据采集仪104，通过数据采集仪104获得各测点固有频率和加速度功率谱密度后输入计算机105；分别见表1和各测点幅频图。

第四步.计算机105比较分析所得数据，判断出在5号测点和6号测点相对其它测点而言，在1470Hz固有频率附近，突然密集地新增3个共振峰，即一个波峰变为4个波峰，且幅值增大数倍，由e-7量级增为了e-6量级,进行第五步；

第五步.选出发生固有频率突变的这个频率1470Hz附近有幅值的一段作为分析频率带，利用所测加速度响应的功率谱密度（PSD）, 根据：

式中，是加速度响应的功率谱密度（PSD）函数，是加速度响应的傅里叶变换，为圆频率，代表将加速度响应作傅里叶变换。

因为，所以有：

 …………………………………(b)

式中，即为加速度功率谱密度函数，为固有频率。

按(b)式计算各测点在此特定频率带内的加速度谱能量，并将其值保存于计算机中，见表1；

第六步.进一步将表1中共振峰增多的第5号点的加速度谱能量与共振峰未变化的第4号点的加速度谱能量相比，计算可得第5号点的加速度谱能量约为第4号点的加速度谱能量的23倍。同理，可以得到第6号点加速度谱能量值也约为第7号点的加速度谱能量23倍；在激振力定量的前提下，共振峰密集增多，且相应的加速度谱能量增大数十倍，说明共振峰增多的第5号测点和第6号测点位置耗能更多，阻尼异常变大，此二参数共同说明，第5、6号测点处有脱空存在。

第七步．根据第六步选出的具有脱空的测点是第5、6号测点，选出与第5号测点相邻的未脱空的测点是第4号测点，与第6号测点相邻的未脱空的测点是第7号测点，沿轴向在第4号测点和第5号测点的中点新增布置第9号测点，在第6号测点与第7号测点中点新增布置第10号测点，再在新增的每个检测点上均放置加速度传感器101，重复第二步至第六步，再次重复上述操作，进而实现脱空定位。

从本实施例可以看到，第9号测点在特定频带内的固有频率共振峰已增多到3个，但其加速度谱能量值仅为第4号测点加速度谱能量的1.6倍。实际上第9号测点也并不位于脱空区域内，而是处于脱空与密实的交界区域。因此，钢管混凝土拱桥钢管脱空的识别不能仅靠单一参数，而是要综合固有频率和加速度谱能量进行判定。同理，第10号测点和第7号测点的综合比较也能得出此结论。

最终，我们便可根据固有频率显著变化，共振峰明显增多，并且其加速度谱能量值未显著增大这样两个参数变化识别出脱空与密实的交界区域，进而实现脱空定位。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。