[发明专利]一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法及检测装置

说明书

本发明属于土木工程结构无损检测技术领域，提出了一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法及检测装置。首先，在完好区域检测获得水平剪切波在混凝土中的传播速度；其次，在裂缝处检测获得裂缝端衍射后的初至波走时；接着，结合测得的波速、传感器距发射端的水平距离及裂缝衍射后的初至波走时计算裂缝深度。开发的设备的接收端具有多个传感器能够同时接受同一波源端发射但是经过不同传播路径的多个信号，利用一次检测的多个信号计算裂缝深度的平均值作为一次检测的最优估计值。发展混凝土裂缝深度的精确无损检测方法，对于定量化评估混凝土病害和确保结构的使用安全具有重要的工程意义。

技术领域

本发明属于土木工程结构无损检测技术领域，提出了一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法及检测装置。

背景技术

混凝土收缩、应力作用、碱骨料反应及养护不当等都会导致混凝土开裂，裂缝是在役钢筋混凝土结构常见的一种病害。裂缝的发展会加速混凝土内部钢筋的腐蚀，导致结构承载力和耐久性的降低，最终威胁结构的使用安全。虽然混凝土裂缝的开口在混凝土表面是可见的，但是开口往往很小，无法直接测量裂缝深度。在裂缝处钻孔取样的方法虽然能精确测量裂缝深度，但是会给结构造成一定程度的损伤。因此，发展混凝土裂缝深度的无损检测方法，对于定量化评估混凝土病害和确保结构的使用安全具有重要的工程意义。

研究表明，虽然现有的混凝土裂缝深度无损检测方法可以检测裂缝，但是检测的精度往往较低，而且在裂缝较深时通常无法检测。导致现有方法局限性的主要原因是现有的方法是基于压缩波在裂缝端部的衍射现象检测裂缝，而压缩波在混凝土内部传播时衰减快，且压缩波在裂缝端部衍射后会发生波形转化产生其他类型的波进一步降低了检测信号的信噪比。而且现有的方法采用单传感器的方式，往往需要多次测量才能给出深度估计，检测速度慢无法实现实时检测。本发明首次发现了水平剪切波具有在带裂缝混凝土内部传播时衰减率低且在裂缝端衍射后不会发生波形转换的优点。开发基于水平剪切波的混凝土裂缝检测设备，在设备接触带裂缝区域时能实时给出检测结果，成为本发明需要解决的问题。

发明内容

本发明旨在基于发现的水平剪切波在带裂缝混凝土内部传播时信噪比高的特点，提出混凝土裂缝深度检测方法并发明相应的检测装置。具体技术方案如下：首先，利用希尔伯特变换处理板底反射波和裂缝处衍射波以获得反射波和衍射波的绝对幅值信息；其次，从波的绝对幅值中提取反射波和衍射波走时，并利用不同距离的多个传感器获得不同传播路径的波走时和传感器距离的关系；接着，结合板底反射波的走时和深度的函数关系计算出波在混凝土中的传播速度，结合波的传播速度和裂缝处衍射波的走时计算裂缝深度；最后，集成上述理论开发基于水平剪切波衍射的裂缝深度检测设备，设备包括波源发射端、传感器接收端、信号采集芯片、CPU处理器、控制面板、数据存储及显示屏。

本发明的技术方案：

一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测装置，包括主机1、脉冲输出控制2、波源发射端3、传感器接收端4、数据采集芯片5、I/O接口6、CPU处理器7、控制面板8、显示屏9和数据存储盘10；检测装置通过主机1集成所有组成部分；脉冲输出控制2输出指定的脉冲波到波源发射端3，波源发射端3与检测混凝土表面耦合接触将脉冲波发射到混凝中，传感器接收端4接收得到波源发射端3发射的且穿过混凝土裂缝区域的信号，数据采集芯片5利用指定采样频率采集传感器接收端4接收到的信号，I/O接口6将采集到的信号传输给CPU处理器7，CPU处理器7按照控制面板8设定的参数进行计算分析，计算结果传递给显示屏9并在数据存储盘10中保存。

一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法，步骤如下：

步骤一：获取水平剪切波的绝对幅值信息

令u(t)为从裂缝一侧的波源发射后经过裂缝端衍射在裂缝另一侧被传感器记录到的实信号，v(t)为它的Hilbert变换，在信号处理中，称之为实信号的投影。

Hilbert变换定义为：