一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法的制作方法

1.本发明属于混凝土结构健康监测领域，特别涉及一种利用超声脉冲能量参数动态监测混凝土损伤的方法。


背景技术：

2.混凝土因其组成材料多样、养护时间较长等特点而成为一种性质复杂的工程材料。在实际服役环境中，混凝土结构通常还要承受应力变化、离子侵蚀、干湿循环等复杂的工程状况，这无疑加大了既有混凝土结构的安全监测难度。混凝土结构在役过程中的内部损伤如何演化、结构安全性如何定量评估一直以来都是结构健康监测领域极为关心的问题。
3.在结构健康监测方法中，依赖于现场取样的混凝土力学强度测试虽然直接、可靠，但容易对结构造成附加损害，并且操作过程耗时费力。与此同时，混凝土的损伤程度也无法通过单一的强度指标全面衡量。超声脉冲方法作为一种具有代表性的无损检测手段，被广泛地应用到混凝土结构健康监测及内部损伤识别。脉冲发射器激发的初始脉冲经由材料或结构传播后发生相应变化，接收器获取到的脉冲即携带了与材料/结构改变有关的信息。根据脉冲传播距离及其到达接收器的时刻容易计算出超声波速，这一参数也因其易获取性及相对稳定性而在超声脉冲时域分析中常被采用。
4.以往的室内试验与实践均表明，超声波速对混凝土应力、损伤裂纹发育的敏感程度较明显地依赖于脉冲传播方向，一些平行走向的裂缝甚至难以被识别出来；并且波速参数随应力的变化幅度和范围不够直观，波速与损伤的定量关系也不明确。另外，以波形初始起跳点确定的初至波时刻通常还会引入人为因素，从而降低波速取值的准确性和可靠性。超声脉冲携带的其他信息(如波幅)也因此被利用起来，以反馈材料的内部性态变化。但遗憾的是，多数参数仅选用首波半周幅值或峰值振幅，读数受仪器操作影响而表现出较大的离散性。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提出一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法。该方法采用超声脉冲能量参数取代波速、振幅等传统指标，可实时追踪混凝土材料或结构的内部损伤演变过程，既保留了指征参数的易获取性，又大幅度提升了监测灵敏度。
6.特别地，超声脉冲能量是以波形图中的振幅绝对值对时间轴的积分确定。
7.本发明提出的一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法通过以下步骤实现：
8.(1)在混凝土待测试样或结构待测部位对向安装(或预埋)脉冲发射器与接收器，发射器与接收器通过有线或无线的方式连接到监测控制系统；
9.(2)控制系统以固定时间间隔控制发射器激发超声脉冲；
10.(3)接收器接收穿过待测试样或结构待测部位的超声脉冲，并将脉冲波形实时传送到控制系统；
11.(4)控制系统根据收集的脉冲波形计算相应的超声脉冲能量指标，实时记录脉冲能量的变化曲线，动态监测混凝土材料或结构的内部损伤演变。
12.所述超声脉冲能量法获得的能量变化曲线，可精准追踪混凝土损伤的演变过程。在损伤萌生之前，能量参数随应力增大而线性地发展，其特征类似于力学线弹性，能量非线性变化的起始点即表征损伤萌生；损伤出现以后，能量变化偏离线性，表现出近似弹塑性的特征；在损伤发展完全、即将达到裂纹贯通临界点时，脉冲能量达到极值；此后随着裂纹的贯通和联生，脉冲能量曲线以威布尔分布形式快速下降，完全符合混凝土损伤力学中描述的损伤变化规律，可直接用于表达混凝土应力损伤的演进过程。
13.所述超声脉冲能量变化曲线的极值点显著超前于混凝土峰值应力，并且超前时间与混凝土强度等级、养护龄期等材料自身属性无关，能量法适用于预警材料或结构的破坏。
14.进一步，所述超声脉冲能量法可采用压缩波(p波)或剪切波(s波)作为入射波，监测结果不受脉冲振动方向的影响。
15.本发明所述动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法与已有技术相比具有如下优点：
16.(1)超声脉冲能量参数通过振幅对时间轴的积分确定，将波形图的全电压幅值一同考虑，无需人为确定初至波时间，排除了操作过程中的人为因素，所得结果更加客观、可靠；
17.(2)超声脉冲能量变化曲线上的峰值点、拐点等关键点的位置清晰可辨，有利于精细化分析混凝土的损伤演变过程；
18.(3)超声脉冲能量法不受脉冲振动方向的影响，p波和s波能量曲线的变化趋势相同，均可用于表征混凝土内部损伤的演变过程；
19.(4)超声脉冲能量法可结合波速分析法，在同一波形中同时读取两种参数，在不增加监测量的前提下可获得材料内部结构更为准确的反馈信息。
附图说明
20.图1是基于超声脉冲能量法的混凝土损伤监测系统示意图；
21.图2是不同应变条件下接收到的典型波形图；
22.图3是超声脉冲能量参数的确定方法示意图；
23.图4是超声脉冲能量曲线与混凝土应力变化曲线的对比图
具体实施方式
24.本发明提供了一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法，为更加清晰地解释发明的目的、技术方案及作用效果，以下结合示意图及针对混凝土试样的实施例进一步说明本发明的具体实施方式。需要指出的是，所述的实施例仅用以介绍发明内容，并不用以限定发明。
25.基于超声脉冲能量法的混凝土损伤监测系统由控制器1，脉冲发射器2和接收器3组成。其中，脉冲发射器2和接收器3分别内嵌在上承压头4和下承压头5中，并且均连接到控制器1。
26.为体现监测系统动态追踪混凝土损伤演变的作用效果，实施例中对混凝土待测试
样6施加恒定应变率的压荷载，试样的应变通过安装在两侧的线性位移传感器7采集。在此过程中，控制器1以固定时间间隔激发脉冲发射器2产生超声脉冲，脉冲经由待测混凝土试样6传播后为接收器3所收集，记录的波形被实时传送到控制器1。不同应变条件下得到的波形8,9和10具有显著不同的振幅特征。
27.超声脉冲能量参数11是通过波形12中的振幅绝对值对时间轴的积分确定，积分上限为脉冲走时13。根据连续测得的超声脉冲能量数据绘制能量变化曲线14，曲线14对混凝土应力变化曲线15高度灵敏。
28.在混凝土未损阶段，超声脉冲能量随应力增大而线性地发展到点16。随后能量变化开始偏离线性直至能量极值点17，点17对应待测混凝土试样6的最密实状态。随着裂纹贯通、联生，超声脉冲能量曲线以威布尔分布曲线18快速下降，但应力仍可增长至峰值点19。能量极值点17明显超前于应力峰值点19，可作为混凝土损伤累积的安全预警。
29.动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法，以更加客观可靠的超声脉冲能量参数作为表征混凝土损伤的直观指标，降低了人为操作带来的误差。能量变化曲线上的峰值点、拐点等关键点的位置清晰可辨，能够准确描述混凝土的损伤演变过程。同时，不同振动方向的脉冲均可为脉冲能量法所用，使该方法操作简便，应用范围广。
30.应当指出，以上所述仅为较佳的具体实施方式。本发明的保护范围并非局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内能够轻易联想到的改变或替换，均包含在本发明的保护范围内。


技术特征：
1.一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法，其特征在于：混凝土损伤监测系统采用超声脉冲能量参数取代已有监测技术中的传统指标，以固定时间间隔追踪超声脉冲能量参数的变化过程，根据获得的超声脉冲能量变化曲线动态识别和表征混凝土内部损伤的演变过程，并预警混凝土材料或结构的破坏。2.根据权利要求1所述的一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法，其特征在于：所述超声脉冲能量参数是以波形图中的振幅绝对值对时间轴的积分确定。3.根据权利要求1所述的一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法，其特征在于：所述监测过程通过以下步骤实现：(1)在混凝土待测部位对向安装超声脉冲发射器与接收器，发射器与接收器连接到监测控制系统；(2)控制系统以固定时间间隔控制发射器激发超声脉冲；(3)接收器连续接收超声脉冲，并将脉冲波形实时传送到控制系统；(4)控制系统根据收集的脉冲波形计算相应的超声脉冲能量指标，记录脉冲能量的变化曲线，实时监测混凝土材料或结构的内部损伤演变过程。4.根据权利要求1所述的一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法，其特征在于：所述超声脉冲能量变化曲线对混凝土损伤的演变过程高度灵敏，能量非线性变化的起始点表征损伤萌生，极值点代表裂纹贯通的临界点，下降段直接表达应力损伤的演进过程。5.根据权利要求1所述的一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法，其特征在于：所述超声脉冲能量变化曲线的极值点显著超前于混凝土应力峰值，且超前时间与材料自身属性无关。6.根据权利要求1所述的一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法，其特征在于：压缩波(p波)或剪切波(s波)均可作为入射波，监测结果不受脉冲振动方向的影响。7.根据权利要求1所述的一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法，其特征在于：所述超声脉冲能量法可结合波速分析法使用，在不增加监测量的前提下获取更为准确的结构信息反馈。

技术总结
本发明提供一种动态监测混凝土损伤的超声脉冲能量法，其特征在于，监测系统采用超声脉冲能量取代已有监测技术中的传统指标，根据实时追踪获得的能量变化曲线动态识别和表征混凝土内部损伤的演变过程。所述超声脉冲能量参数是以波形图中的振幅绝对值对时间轴的积分确定；所述能量变化曲线的非线性起始点表征损伤萌生，极值点代表裂纹贯通的临界点，下降段直接表达混凝土损伤的演进过程。超声脉冲能量参数将波形图的全电压幅值综合考虑，降低了人为操作带来的误差，所得能量变化曲线能够精准判断混凝土损伤演变的关键节点，并且该方法不区分脉冲振动方向，操作简便，应用范围广。应用范围广。应用范围广。


技术研发人员：王振波 左建平 刘畅 孙鹏
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2020.07.13
技术公布日：2022/1/14