一种基于多损伤因子加权融合的劲钢混凝土内部缺陷识别方法与流程

本发明属于土木工程无损检测，具体涉及一种基于多损伤因子加权融合的劲钢混凝土内部缺陷识别方法。

背景技术：

1、土木工程结构健康检测系统融合了多学科交叉综合发展的成果，目前已逐步形成了集驱动、传感、信息采集与处理于一体的功能体系。借助计算机高效的数据分析处理能力，该系统能够对结构的安全性能进行评估，实现对结构缺陷的检测，从而保障及时修补维护，确保结构在全生命周期内的安全运行。

2、在钢-混组合结构无损检测方法研究领域，压电陶瓷材料因其具有正、逆压电效应，且响应速度快、成本较低、易于与结构集成等优点，受到国内外学者的广泛关注。众多研究者基于压电陶瓷材料制作压电智能骨料，通过外贴或内嵌的方式与工程实体结构结合，主动激发并接收应力波信号，探测结构内部可能存在的损伤和缺陷。该类方法在钢管混凝土、混凝土梁板等构件内部空洞、剥离、裂缝等缺陷识别中已展现出良好的应用潜力。

3、然而，现有基于压电智能骨料的钢-混组合结构无损检测技术仍存在以下不足：第一，检测信号处理易受环境噪声干扰。在实际工程检测环境下，原始检测信号不可避免地受到施工现场电磁干扰、机械振动、温湿度变化等多种噪声源的影响。现有方法大多直接计算原始信号的能量值或幅值特征，未对噪声进行有效分离与抑制，导致信号中包含的微弱损伤特征容易被噪声淹没或扭曲，从而造成对损伤信号特征提取的误判，降低了缺陷识别的可靠性和准确率。第二，缺陷检测方法的工程实用性验证不足。目前基于压电技术对混凝土结构内部损伤的检测研究大多局限于室内缩尺模型试验或标准试件验证，所采用的加载条件、边界环境及损伤类型均较为理想化，缺乏在实际工程复杂工况下的应用与检验。特别是对于现场检测中普遍存在的多路径干扰、传感器耦合差异、结构非均匀性等因素，现有方法尚未形成系统的处理策略。+++第三，针对劲性钢-混组合结构的检测研究相对薄弱。 现有研究多聚焦于普通钢筋混凝土结构或钢管混凝土结构，而对于劲性钢骨混凝土柱、钢板剪力墙等劲性钢-混组合结构的混凝土缺陷检测，相关研究尚处于起步阶段。这类结构中内置型钢或钢板的存在显著改变了应力波的传播路径、衰减特性和反射模式，复合检测工况下应力波的传播机理尚不明确，缺乏针对性的损伤因子提取方法和缺陷判别准则。第四，缺乏多维损伤信息的融合机制。现有单一损伤因子，如单一频带能量变化、单一波形相关系数等难以全面表征劲性钢-混组合结构中混凝土缺陷引起的复杂谱特征变化。不同损伤因子对缺陷的敏感程度不同，如何系统量化各损伤因子的贡献权重，建立多参数融合的损伤指标，目前尚未见到成熟的解决方案。

4、因此，亟需开发一种能够有效抑制环境噪声干扰、适应劲性钢-混组合结构复杂检测工况、融合多维度损伤信息并科学分配权重的内部缺陷识别方法，以填补现有技术在工程实用性和检测可靠性方面的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于多损伤因子加权融合的劲钢混凝土内部缺陷识别方法，要解决现有劲钢混凝土缺陷检测中单一损伤因子难以全面表征复杂谱特征变化，且多因子权重分配缺乏科学依据，导致缺陷识别准确率低、主观性强的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、一种基于多损伤因子加权融合的劲钢混凝土内部缺陷识别方法，包括步骤如下。

4、步骤一，在劲性钢混凝土结构健康状态下，沿设定的检测路径激励并采集应力波时域信号，通过小波包变换构建无缺陷基准谱，记作，n为频带总数；

5、步骤二，在劲性钢混凝土结构使用状态下，沿着与步骤一中相同检测路径激励并采集应力波时域信号，通过小波包变换构建损伤状态谱，记作，n为频带总数。

6、步骤三，基于小波包能量值，分别计算检测目标路径下损伤状态相对于健康状态的均方根偏差值、平均绝对百分比偏差值以及互相关系数偏差值，并将均方根偏差值、平均绝对百分比偏差值以及互相关系数偏差值作为三类基础损伤因子。

7、步骤四，构建综合缺陷损伤指标的加权回归模型，模型表达式为：

8、；

9、其中，，，为待定权重影响系数。

10、步骤五：引入几何层次分析法，将三个损伤因子，，分解为相互独立且逻辑关联的子目标，结合定性分析与定量分析，构造判断矩阵，计算各损伤因子的权重影响系数，，。

11、步骤六：将实际检测计算得到的，，代入步骤四的加权回归模型中，计算值，当值超过预设阈值时判定劲性钢混凝土结构使用状态下该检测路径对应位置存在内部缺陷。

12、优选的，步骤三中所述均方根偏差值按照以下公式计算：

13、；

14、其中，为健康状态下第个小波包频带能量值，为损伤状态下第个小波包频带能量值，为小波包分解频带总数。

15、优选的，步骤三中平均绝对百分比偏差值按照以下公式计算：

16、；

17、其中，为健康状态下第个小波包频带能量值，为损伤状态下第个小波包频带能量值，为小波包分解频带总数。

18、优选的，步骤三中互相关系数偏差值按照以下公式计算：

19、；

20、其中，和分别为健康状态和损伤状态下小波包能量值的算术平均值。

21、优选的，步骤五中所述几何层次分析法具体包括以下子步骤：

22、步骤5.1，邀请不少于五名涵盖土建施工和无损检测领域的专业技术人员，以1~9标度法对三个损伤因子，，进行两两重要性比较；

23、步骤5.2，对每个比较项的标度值采用几何平均法聚合所有技术人员意见。

24、步骤5.3，将聚合后的标度值填入判断矩阵，构造如下的三阶判断矩阵：

25、；

26、为第i行所代表的损伤因子相对于第j列所代表的损伤因子的重要性标度值。

27、步骤5.4，计算判断矩阵每一行元素的几何平均值，其中r为损伤因子的个数， r=3；

28、步骤5.5：对几何平均值进行归一化处理，得到各损伤因子的权重系数；即获得，，的值；

29、步骤5.6：计算判断矩阵的最大特征值，并计算随机一致性指标；

30、步骤5.7：计算一致性比例，其中为随机一致性指标修正值；

31、步骤5.8：当时，判定判断矩阵具有满意一致性，将步骤5.5计算得到的权重系数作为最终权重影响系数。

32、优选的，步骤5.1中1~9标度法的具体含义为：标度1表示两个因子同等重要，标度3表示一个因子比另一个稍微重要，标度5表示明显重要，标度7表示强烈重要，标度9表示极端重要，标度2、4、6、8表示上述相邻判断标准的中间值。

33、优选的，若，则判断矩阵未通过一致性检验；重复步骤5.1至步骤5.7，直至。

34、优选的，步骤六中预设阈值的确定方法为：在已知健康状态的结构区域采集多组数据，计算各检测路径的综合缺陷损伤指标值，取值的平均值加上2~3倍标准差作为缺陷判定阈值。

35、优选的，所述小波包变换中采用的小波基函数为daubechies系列小波，分解层数为3~5层，各频带能量值按照以下公式计算：，其中为第个频带中第k个小波包系数，m为该频带系数总数。

36、与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。

37、1、本发明提出的一种基于小波包能量多损伤因子加权融合的内部缺陷识别方法，引入几何层次分析法将主观专家经验与客观数学计算相结合，系统确定各损伤因子的权重影响系数，有效提升劲钢混凝土内部缺陷识别的准确性和可靠性。其全面融合了均方根偏差、平均绝对百分比偏差、互相关系数偏差三种不同维度的损伤因子，综合的反映谐振频率偏移、谱峰分裂和新谐振点出现等多种谱特征变化。另外，本发明采用几何层次分析法，将多名专业技术人员的主观经验与客观数学计算相结合，权重分配更加科学合理；同时，几何平均法的使用聚合多名专家的判断，避免了单一决策者的偏见，提高了权重系数的稳健性。

38、2、本发明同时提取均方根偏差x、平均绝对百分比偏差y和互相关系数偏差z三类基础损伤因子，分别从整体差异幅度、各频带平均偏离百分比和谱形状扭曲程度三个互补维度刻画损伤状态与健康状态的差异，克服了单一损伤因子信息片面、对复杂缺陷表征能力不足的局限。在本发明的方法中引入几何层次分析法（ahp），将多个损伤因子分解为相互独立的子目标，通过多名专业技术人员的两两比较和1~9标度法，将定性经验判断转化为定量标度数据；采用几何平均法聚合多人意见，构造判断矩阵并计算特征向量，经一致性检验cr<0.1后获得权重系数，既尊重了工程实践经验，又保证了数学逻辑的自洽性。

39、3、本发明的方法邀请不少于5名涵盖土建施工和无损检测领域的专业技术人员独立评分，采用几何平均法聚合意见，避免了个别专家的主观偏见；引入随机一致性指标ri和一致性比例cr，设定cr<0.1的严格阈值，当未通过检验时要求重新评分，确保了权重系数的逻辑合理性和决策结果的稳健性。

40、4、本发明采用小波包变换对应力波信号进行多尺度、全频带分解，有效分离信号与噪声；通过计算各频带能量平方和构建能量谱，相比直接分析原始时域信号，显著降低了电磁干扰、机械振动、温湿度变化等环境噪声对损伤特征提取的干扰，提高了检测的鲁棒性和准确率。