一种利用超声波探测圆柱体混凝土纵向裂缝深度的方法与流程

1.本发明属于混凝土土木工程试验检测技术领域，具体涉及一种利用超声波探测圆柱体混凝土纵向裂缝深度的方法。


背景技术：

2.随着城市交通、高速公路等复杂化和大型化的土木工程结构物的大力发展，混凝土作为重要的土木材料，对控制工程质量起到至关重要的作用。目前，大量重要基础设施和大型土木结构工程长期处于结构载荷、环境侵蚀等因素的相互作用下，此类混凝土土木工程结构必然相继出现各种混凝土缺陷，造成混凝土土木工程对于抵抗突发自然灾害的能力和正常工作年限都会出现明显下降。
3.在对混凝土结构造成破坏的各种缺陷中，最为常见的一种是裂缝。最初很多裂缝是微裂缝，肉眼看不见。而初期微裂缝常常导致继续开裂，于是肉眼可见的宏观裂缝出现。这些裂缝，对混凝土结构耐久性和承载力均会产生重要影响。因此，为了充分保证土木工程结构和人员安全，需要积极采取有效措施对混凝土结构物进行修补和加固，选择的探测方法，主要是采用无损检测法对裂缝的范围、尺寸、成因进行测定。
4.超声法检测混凝土裂缝的基本概念是：利用带波形显示功能的超声波检测仪和频率大于20khz的超声波换能器，测定与分析超声脉冲波在混凝土的物理学参数，并根据这些参数及其相对变化，判定混凝土中是否存在缺陷情况。这些参数包括传播速度(声速)、首波相位、首波幅度(波幅)、信号主频率(主频)等。通过超声波换能器发射和接收的超声波信号，频率高但能量低，一般用于浅层裂缝测试，通常认为裂缝的有效测试深度不得超过500mm。
5.现阶段混凝土裂缝深度的超声检测主要针对的是水平面检测，即检测面与混凝土裂缝相互垂直，如图1所示，无法适用于检测面为曲面时混凝土裂缝深度的检测。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种利用超声波探测圆柱体混凝土纵向裂缝深度的方法，可有效解决上述问题。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.本发明提供一种利用超声波探测圆柱体混凝土纵向裂缝深度的方法，包括以下步骤：
9.步骤1，确定检测点a：
10.圆柱体混凝土侧面具有纵向裂缝，在纵向裂缝中，确定宽度最大位置点，即为检测点a；
11.在圆柱体混凝土的外周，绘制通过检测点a的圆形测线e；
12.步骤2，标定圆柱体混凝土超声波波速v；
13.步骤3，确定首波相位反转位置：
14.步骤3.1，沿圆形测线e，并且，位于检测点a的左右两侧，对称安装超声波发射换能器和超声波接收换能器；
15.具体的：以检测点a为中心，超声波发射换能器安装于检测点a左侧的位置点p1‑1，超声波接收换能器安装于检测点a右侧的位置点p1‑2，位置点p1‑1和检测点a之间的弧长，等于位置点p1‑2和检测点a之间的弧长；
16.步骤3.2，预设置检测时间最大阈值；
17.步骤3.3，超声波发射换能器在位置点p1‑1发射超声波，超声波在混凝土结构内部传播，在检测时间最大阈值内，确定超声波接收换能器在位置点p1‑2能否接收到波信号，如果能接收到，记录超声波接收换能器首次接收到的波信号，并分析得到首波波信号波形；其中，首波波信号波形包括两种：首波呈现向下凸的波形和首波呈现向上凸的波形；
18.步骤3.4，然后，沿圆形测线e，以检测点a为中心，超声波发射换能器和超声波接收换能器等步长反向移动到下一位置，即：超声波发射换能器移动到位置点p2‑1，超声波接收换能器移动到位置点p2‑2，重复步骤3.2的波发射和波测量过程；
19.如此不断进行，每当超声波发射换能器和超声波接收换能器移动到对应位置时，即进行波发射和波测量过程；
20.通过分析确定：随着超声波发射换能器、超声波接收换能器与检测点a距离的不断增加，超声波发射换能器最初无法接收到波信号；然后，当超声波发射换能器能接收到波信号时，波信号持续为首波呈现向上凸的波形，经过一个位置的转换后，波信号转变为首波呈现向下凸的波形，该转换的位置点，称为首波相位反转位置；
21.步骤3.5，因此，通过步骤3.1
‑
步骤3.4，确定首波相位反转位置；假设超声波发射换能器移动到位置点b，超声波接收换能器移动到位置点d时，为首波相位反转位置；
22.步骤4，计算圆柱体混凝土纵向裂缝深度：
23.步骤4.1，将裂缝底部尖端表示为点c；点c到检测点a的直线距离表示为l
ac
，l
ac
即为待求的裂缝深度；
24.步骤4.2，位置点b到点c的距离为l
bc
，通过以下方法确定：
25.超声波发射换能器在位置点b发射超声波，确定超声波接收换能器在位置点d接收到波信号的时间t；
26.具体的，首波相位反转位置代表：超声波发射换能器在位置点b发射的超声波通过裂缝底部尖端，即点c，然后，在点c位置发生绕射，并被超声波接收换能器在位置点d接收到，此种波信号为绕射波；因此，波传播的路径和s为：s＝位置点b到点c的距离l
bc
位置点c到位置点d的距离l
cd
；又由于位置点d和位置点b，距离检测点a对称布置，因此，距离l
bc
＝l
cd
；
27.因此，通过以下公式，得到l
bc
：
[0028][0029]
其中：v为步骤2确定的圆柱体混凝土超声波波速；
[0030]
步骤4.3，测量得到检测点a和位置点b的弧长，表示为：弧长ab；弧长ab对应的圆心角∠aob通过下式计算得到：
[0031][0032]
其中：r为圆形测线e的半径；
[0033]
步骤4.4，根据∠aob，分别得到弦长ab的长度l
ab
以及角度∠bac：
[0034][0035][0036]
步骤4.5，对于三角形abc，得到两条边长度，分别为：l
bc
和l
ab
，得到∠bac，因此，利用正弦定理，按下式得到∠acb的正弦值sin∠acb：
[0037][0038]
步骤4.6，根据∠acb的正弦值sin∠acb，确定角度∠acb；
[0039]
步骤4.7，根据下式，确定角度∠abc：
[0040][0041]
步骤4.8，通过余弦定理，得到裂缝深度l
ac
：
[0042][0043]
由此实现对圆柱体混凝土纵向裂缝深度的探测。
[0044]
优选的，步骤2具体为：
[0045]
在圆柱体混凝土的外周，绘制靠近圆形测线e、但同时不穿过任何裂缝的圆形测线k；沿圆形测线k，任意确定安装点m1和安装点m2，使安装点m1和安装点m2的连线，通过圆形测线k的直径；
[0046]
在安装点m1安装超声波发射换能器，在安装点m2安装超声波接收换能器；超声波发射换能器发射超声波，记录超声波接收换能器接收到超声波的时间t；通过下式，计算得到超声波在被测圆柱体混凝土传播的波速v；
[0047][0048]
其中：r为圆形测线k的半径；
[0049]
多次测量得到多个波速v，取平均值，即为最终标定得到的圆柱体混凝土超声波波速v。
[0050]
本发明提供的一种利用超声波探测圆柱体混凝土纵向裂缝深度的方法具有以下优点：
[0051]
本发明提供的一种利用超声波探测圆柱体混凝土纵向裂缝深度的方法，是一种适用于曲面混凝土裂缝深度检测方法，还具有检测方法简单、快速和准确，实用性高，可大范围推广使用。
附图说明
[0052]
图1为传统混凝土裂缝深度检测适用的平面检测原理图；
[0053]
图2为本发明提供的具有纵向裂缝的圆柱体混凝土的侧面图；
[0054]
图3为本发明提供的圆形测线e的示意图；
[0055]
图4为本发明提供的对测标定圆柱体混凝土波速的示意图；
[0056]
图5为本发明提供的首波相位反转位置确定原理图；
[0057]
图6为本发明提供的波传播三种类型的示意图；
[0058]
图7为本发明提供的首波波形呈现为上凸的波形图；
[0059]
图8为本发明提供的首波波形呈现为下凸的波形图；
[0060]
图9为本发明提供的裂缝深度计算原理图；
[0061]
图10为本发明提供的一种利用超声波探测圆柱体混凝土纵向裂缝深度的方法的原理示意图。
具体实施方式
[0062]
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0063]
相比较于传统混凝土裂缝深度超声检测，本发明提出一种利用超声波探测混凝土圆柱体纵向裂缝深度的方法，利用本发明可以针对圆柱体混凝土纵向裂缝深度进行检测，弥补传统混凝土裂缝深度检测方法不适用于曲面的缺点。
[0064]
本发明提供的利用超声波探测圆柱体混凝土纵向裂缝深度的方法，包括以下步骤：
[0065]
步骤1，确定检测点a：
[0066]
圆柱体混凝土侧面具有纵向裂缝，在纵向裂缝中，确定宽度最大位置点，即为检测点a；如图2所示，为具有纵向裂缝的圆柱体混凝土的侧面图；
[0067]
在圆柱体混凝土的外周，绘制通过检测点a的圆形测线e；如图3所示，为圆形测线e的示意图，即为圆柱体混凝土的一个横截面图。
[0068]
步骤2，标定圆柱体混凝土超声波波速v；
[0069]
在检测圆柱体混凝土裂缝深度前，需对混凝土波速进行标定。具体方法是在裂缝附近找一个无裂缝的横截面，通过对测的方式如图4所示，为对测标定圆柱体混凝土波速的示意图；通过获取发射到接收的时间，从而算出被测圆柱体混凝土里超声波传播的波速。为提高波速的准确率，也可多次测量取平均值。
[0070]
步骤2具体为：
[0071]
在圆柱体混凝土的外周，绘制靠近圆形测线e、但同时不穿过任何裂缝的圆形测线k；沿圆形测线k，任意确定安装点m1和安装点m2，使安装点m1和安装点m2的连线，通过圆形测线k的直径；
[0072]
在安装点m1安装超声波发射换能器，在安装点m2安装超声波接收换能器；超声波发射换能器发射超声波，记录超声波接收换能器接收到超声波的时间t；通过下式，计算得到超声波在被测圆柱体混凝土传播的波速v；
[0073][0074]
其中：r为圆形测线k的半径；
[0075]
多次测量得到多个波速v，取平均值，即为最终标定得到的圆柱体混凝土超声波波速v。
[0076]
步骤3，确定首波相位反转位置：
[0077]
本步骤主要目的是确定首波相位反转的位置。只有出现首波相位反转，才能确定接收信号波形是通过裂缝底部尖端绕射传播得到。
[0078]
如图5所示，为首波相位反转位置确定原理图，具体步骤如下：
[0079]
步骤3.1，沿圆形测线e，并且，位于检测点a的左右两侧，对称安装超声波发射换能器和超声波接收换能器；
[0080]
具体的：以检测点a为中心，超声波发射换能器安装于检测点a左侧的位置点p1‑1，超声波接收换能器安装于检测点a右侧的位置点p1‑2，位置点p1‑1和检测点a之间的弧长，等于位置点p1‑2和检测点a之间的弧长；
[0081]
步骤3.2，预设置检测时间最大阈值；
[0082]
步骤3.3，超声波发射换能器在位置点p1‑1发射超声波，超声波在混凝土结构内部传播，在检测时间最大阈值内，确定超声波接收换能器在位置点p1‑2能否接收到波信号，如果能接收到，记录超声波接收换能器首次接收到的波信号，并分析得到首波波信号波形；其中，首波波信号波形包括两种：首波呈现向下凸的波形和首波呈现向上凸的波形；
[0083]
步骤3.4，然后，沿圆形测线e，以检测点a为中心，超声波发射换能器和超声波接收换能器等步长反向移动到下一位置，即：超声波发射换能器移动到位置点p2‑1，超声波接收换能器移动到位置点p2‑2，重复步骤3.2的波发射和波测量过程；
[0084]
如此不断进行，每当超声波发射换能器和超声波接收换能器移动到对应位置时，即进行波发射和波测量过程；
[0085]
通过分析确定：随着超声波发射换能器、超声波接收换能器与检测点a距离的不断增加，超声波发射换能器最初无法接收到波信号；然后，当超声波发射换能器能接收到波信号时，波信号持续为首波呈现向上凸的波形，经过一个位置的转换后，波信号转变为首波呈现向下凸的波形，该转换的位置点，称为首波相位反转位置；如图7所示，为首波波形呈现为上凸的波形图；如图8所示，为首波波形呈现为下凸的波形图。
[0086]
步骤3.5，因此，通过步骤3.1
‑
步骤3.4，确定首波相位反转位置；假设超声波发射换能器移动到位置点b，超声波接收换能器移动到位置点d时，为首波相位反转位置；
[0087]
实际应用中，在等步长反向移动超声波发射换能器和超声波接收换能器时，可以先以较大步长移动，当出现首波相位反转后，在相位反转区间再以小步长移动，从而更加精确的确定相位反转点位置。
[0088]
下面对本步骤进行详细解释：
[0089]
如图6所示，ac为裂缝，点c为裂缝底部尖端；当超声波发射换能器移动到检测点a左侧不同位置，并发射超声波时，具有以下几种情况：1)超声波发射换能器产生波，以球形向外传播。当波传播到裂缝位置时，被裂缝左边缘反射并在混凝土结构内部向左侧传播，即为图6中g1波路径，此种情况下，右侧的超声波接收换能器不能直接接收到波信号。2)超声
波发射换能器产生波，当速度最快的纵波(即首波)到达裂缝底部尖端c时，将在裂缝底部尖端c处发生绕射，此时，裂缝尖端c作为一个新波源，通过传播到达接收换能器，即为图6中的g3波路径。此时可以确定，接收换能器接收到首波时，其路径必然为图6中的g3路径，此时，通过测量波传播时间，可得到g3路径长度。3)超声波发射换能器产生波，经圆形测线e外边界其他位置反射，到达接收换能器，即为图6中的g2波路径。此种情况，虽然接收换能器同样能接收到波，但其路径并不是g3的路径。因此，当接收换能器能接收到波时，如果确定接收到的为g3路径的波，而不是g2位置的波，就是本发明需要重点解决的问题。
[0090]
因此，通过步骤3.1
‑
步骤3.5的方法，可以确定，当首波相位反转位置时，即为g3路径形成的波。
[0091]
步骤4，计算圆柱体混凝土纵向裂缝深度：
[0092]
如图9所示，为裂缝深度计算原理图。
[0093]
步骤4.1，将裂缝底部尖端表示为点c；点c到检测点a的直线距离表示为l
ac
，l
ac
即为待求的裂缝深度；
[0094]
步骤4.2，位置点b到点c的距离为l
bc
，通过以下方法确定：
[0095]
超声波发射换能器在位置点b发射超声波，确定超声波接收换能器在位置点d接收到波信号的时间t；
[0096]
具体的，首波相位反转位置代表：超声波发射换能器在位置点b发射的超声波通过裂缝底部尖端，即点c，然后，在点c位置发生绕射，并被超声波接收换能器在位置点d接收到，此种波信号为绕射波；因此，波传播的路径和s为：s＝位置点b到点c的距离l
bc
位置点c到位置点d的距离l
cd
；又由于位置点d和位置点b，距离检测点a对称布置，因此，距离l
bc
＝l
cd
；
[0097]
因此，通过以下公式，得到l
bc
：
[0098][0099]
其中：v为步骤2确定的圆柱体混凝土超声波波速；
[0100]
步骤4.3，测量得到检测点a和位置点b的弧长，表示为：弧长ab；弧长ab对应的圆心角∠aob通过下式计算得到：
[0101][0102]
其中：r为圆形测线e的半径；
[0103]
步骤4.4，根据∠aob，分别得到弦长ab的长度l
ab
以及角度∠bac：
[0104][0105][0106]
步骤4.5，对于三角形abc，得到两条边长度，分别为：l
bc
和l
ab
，得到∠bac，因此，利用正弦定理，按下式得到∠acb的正弦值sin∠acb：
[0107][0108]
步骤4.6，根据∠acb的正弦值sin∠acb，确定角度∠acb；
[0109]
步骤4.7，根据下式，确定角度∠abc：
[0110][0111]
步骤4.8，通过余弦定理，得到裂缝深度l
ac
：
[0112][0113]
由此实现对圆柱体混凝土纵向裂缝深度的探测。
[0114]
通过本发明具有以下有益效果：
[0115]
相比较于传统混凝土裂缝深度检测方法只能水平面检测，本发明解决了以往无法检测曲面混凝土裂缝深度的问题，而且，检测方法简单、快速和准确，实用性高，可大范围推广使用。
[0116]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。