一种基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法与流程

本发明属于无损检测，特别涉及一种基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法。

背景技术：

1、叠层橡胶支座由多层橡胶与薄钢板交替硫化粘结而成，是桥梁、建筑隔震减震体系中的核心承载与变形构件。在长期使用过程中，受竖向荷载、水平地震/风致往复剪切、温度、橡胶老化等因素作用，支座内部易产生橡胶层与钢板界面脱粘、内部裂纹、分层、鼓包及材料老化等损伤。此类损伤具有隐蔽性强、位于支座内部的特点，常规的外观检查难以发现，而损伤累积将削弱支座的竖向与水平力学性能，威胁工程安全，因此亟需一种能够对在役叠层橡胶支座内部损伤进行非破坏、可现场实施、且能直观成像定位的无损检测手段。

2、现有隔震支座检测技术及其存在的主要问题和缺陷如下：

3、1）目视/外观检查：仅能发现支座表面鼓包、裂纹等浅层缺陷，对内部脱粘、分层等深部损伤无能为力，且无法量化损伤程度。

4、2）常规超声探伤：橡胶材料具有高阻尼、高衰减、各向异性及非均质的特点，成像能力较弱，无法满足工程判断需求。

5、3）x射线/工业ct：虽可检测内部缺陷，但设备昂贵、具有辐射、通常需将构件移至专用场所，难以在役现场对大型支座实施，且对与基体声学特性差异较小的损伤（如早期脱粘）分辨能力有限。

6、4）振动/模态法：对支座整体刚度变化较敏感，但只能给出整体性能判据，无法定位损伤的空间位置与范围，难以区分损伤类型。

7、5）红外热像法：主要对表面及近表面缺陷敏感，对支座深部内部损伤灵敏度低，且受环境温度影响大。

8、综上所述，现有无损检测手段普遍存在以下不足：其一，难以对叠层橡胶支座内部（深部）损伤进行非破坏、可现场实施的可视化检测与定位；其二，现有方法多仅给出整体性能指标，无法将损伤的可视化与力学性能退化建立定量对应，因而难以区分剪切损伤（主要引起lrb水平性能退化）、拉伸损伤（主要引起lnr竖向刚度降低）等不同损伤模式并量化其严重程度。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种非破坏、可在役现场实施、能直观成像并定位叠层橡胶支座内部损伤的无损检测方法。

2、本发明所采用的技术方案为：

3、一种基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法，包括以下步骤：

4、s1：测点布置：在待测叠层橡胶支座的周向表面布置若干个应力波换能器或应力波传感器测点，形成环绕支座的测点阵列；

5、s2：信号激励与采集：依次选取测点作为激励点，向支座内部发射应力波，其余测点作为接收点，采集应力波在各测点之间的传播时间；遍历所有测点作为激励点，获得全部测点两两之间或主要路径上的应力波传播时间矩阵；

6、s3：波速矩阵构建：根据各测点对之间的几何距离与对应的传播时间，计算各传播路径上的应力波传播速度，构建应力波波速矩阵；

7、s4：波速分布成像：

8、采用层析成像算法对波速矩阵进行反演重构得到支座内部的二维或三维波速分布图像；

9、或者，采用基于波速直线分段点自然零点插值的成像方法，并通过设置阈值将成像颜色归并化，形成三色图，以直观的区分无损区域和有损区域，作为内部损伤分布的直观表征；

10、s5：损伤识别与评估：以支座健康状态下或健康界面的基准波速场为参考，将成像结果中的波速异常区识别为内部损伤区域，确定损伤的位置与范围；

11、根据波速降低幅度或相对波速变化率指标量化损伤的严重程度，并结合支座损伤前后力学性能的退化指标，建立成像特征与力学性能退化的对应关系，对支座服役状态作出综合评估。

12、本发明具有非破坏、可在役现场实施的特点，无需剖切或拆解支座，不改变支座结构，可重复检测，便于定期健康监测。

13、本发明针对橡胶类高衰减、非均质材料，通过周向多路径应力波走时采集与波速层析重构，实现内部损伤的可视化成像与定位。

14、本发明可同时给出损伤的空间分布（位置、范围）与损伤程度量化，并可将成像特征与力学性能退化指标对应，提供结构—性能综合评估，优于仅给出整体刚度判据的现有方法。

15、本发明的设备相对简单、无辐射、成本较低，适合工程现场推广。

16、作为本发明的优选方案，在步骤s1中，测点布置于支座上、下连接钢板外露面或橡胶保护层周向。

17、作为本发明的优选方案，在步骤s1中，各测点成对分布于支座相对两侧或沿周向均匀分布，相邻测点之间的几何间距为已知量。

18、作为本发明的优选方案，在步骤s2中，向支座内部发射应力波为声波或超声脉冲信号。

19、作为本发明的优选方案，在步骤s4中，层析成像算法包括代数重建法、联合代数重建法或滤波反投影。

20、作为本发明的优选方案，在步骤s4中，基于波速直线分段点自然零点插值的成像方法包括以下具体步骤：

21、s41：通过编写绘图程序绘制出代表隔震支座的圆形平面或多边形平面；

22、s42：将各测点进行连线，然后将整个图形网格化和数据化；

23、s43：在测支座内部的线段中点或等分点上赋予矩阵中的波速值，并将线条根据波速大小赋予不同颜色；

24、s44：将线条交叉形成的空白区域插值出二维数据矩阵；

25、s45：接着将插值形成的矩阵按双阈值进行划分，基于划分数据绘制损伤识别图。

26、作为本发明的优选方案，在步骤s45中，将大于高阈值的数据归并为一类数a，小于低阈值的数归为一类数b，介于低阈值和高阈值之间的数归为一类数c；到此为止可得到遍布图像区域的数据，基于abc三类数据以红黄蓝进行分类绘制即可绘制得到损伤识别图。

27、作为本发明的优选方案，在步骤s5中，结合支座损伤前后力学性能的退化指标建立成像特征与力学性能退化的对应关系时，力学性能包括水平屈服后刚度、竖向刚度。

28、作为本发明的优选方案，所述支座类型为铅芯橡胶支座或天然橡胶支座。

29、作为本发明的优选方案，在步骤s1中，在待测叠层橡胶支座的周向表面布置应力波换能器或应力波传感器测点的数量为3～16个。

30、本发明的有益效果为：

31、1.本发明具有非破坏、可在役现场实施的特点，无需剖切或拆解支座，不改变支座结构，可重复检测，便于定期健康监测。

32、2.本发明针对橡胶类高衰减、非均质材料，通过周向多路径应力波走时采集与波速层析重构，克服常规单点超声穿透难题，实现内部损伤的可视化成像与定位。

33、3.本发明可同时给出损伤的空间分布（位置、范围）与损伤程度量化，并可将成像特征与力学性能退化指标对应，提供结构—性能综合评估，优于仅给出整体刚度判据的现有方法。

1.一种基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法，其特征在于：在步骤s1中，测点布置于支座上、下连接钢板外露面或橡胶保护层周向。

3.根据权利要求1所述的基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法，其特征在于：在步骤s1中，各测点成对分布于支座相对两侧或沿周向均匀分布，相邻测点之间的几何间距为已知量。

4.根据权利要求1所述的基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法，其特征在于：在步骤s2中，向支座内部发射应力波为声波或超声脉冲信号。

5.根据权利要求1所述的基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法，其特征在于：在步骤s4中，层析成像算法包括代数重建法、联合代数重建法、滤波反投影或基于波速直线分段点自然零点插值的成像方法。

6.根据权利要求1所述的基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法，其特征在于：在步骤s4中，基于波速直线分段点自然零点插值的成像方法包括以下具体步骤：

7.根据权利要求6所述的基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法，其特征在于：在步骤s45中，将大于高阈值的数据归并为一类数a，小于低阈值的数归为一类数b，介于低阈值和高阈值之间的数归为一类数c；到此为止可得到遍布图像区域的数据，基于abc三类数据以红黄蓝进行分类绘制即可得到损伤识别图。

8.根据权利要求1所述的基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法，其特征在于：在步骤s5中，结合支座损伤前后力学性能的退化指标建立成像特征与力学性能退化的对应关系时，力学性能包括水平刚度、竖向刚度。

9.根据权利要求1所述的基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法，其特征在于：所述支座类型为铅芯橡胶支座或天然橡胶支座。

10.根据权利要求1～9任意一项所述的基于应力波成像的叠层橡胶支座内部损伤无损检测方法，其特征在于：在步骤s1中，在待测叠层橡胶支座的周向表面布置应力波换能器或应力波传感器测点的数量为3～16个。