一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测方法及设备与流程

1.本发明涉及桥梁检测技术领域，特别涉及一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测方法及设备。


背景技术：

2.装配式空心板梁桥是中小跨径桥梁常用的结构形式，其上部结构的各块板梁主要通过铰缝连接形成整体从而共同受力，铰缝的构造情况对于装配式空心板梁桥维持正常工作性能具有关键作用，铰缝的缺陷和损伤会影响桥梁结构荷载横向传递，严重时会产生单板受力。深铰缝是目前主要的铰缝构造形式，相较于浅铰缝其企口深度较深，受构造空间和施工条件限制以及运营荷载影响，深铰缝常常会出现浇筑不密实、混凝土空洞和破损等情况，存在较大安全隐患。但由于深铰缝缺陷存在于结构内部，桥面铺装层的覆盖使得缺陷和损伤难以直接观察，因此急需提出一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测方法及设备。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测方法，可以准确识别出深铰缝内部出现浇筑不密实、混凝土空洞和破损等情况，提高了缺陷检测的准确性。
4.本发明的第二个目的在于提出一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测设备。
5.为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测方法，包括：
6.在装配式空心板梁底布置测区，在测区内铰缝接缝的两侧分别布置发射换能器和接收换能器；
7.采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时tm；
8.建立初始慢度模型，对所述初始慢度模型进行正演计算，采用射线追踪技术计算射线路径矩阵r和理论初至声时tc；
9.根据所述实测初至声时tm及理论初至声时tc判断是否满足设定的收敛条件；
10.在确定满足设定的收敛条件时，结束计算，输出速度分布及缺陷识别结果。
11.根据本发明的一些实施例，还包括：
12.在确定不满足设定的收敛条件时，建立声时反演线性方程式；
13.rδs＝δt
14.其中，δs是介质慢度的修正量向量；δt＝t
m-tc为各测点实测初至声时tm与理论初至声时tc之差组成的向量；r为射线路径矩阵，其元素表示单元内各射线路径长度；
15.求解声时反演线性方程式，再逐次迭代反演计算，修正初始慢度模型，获得反演结果，根据反演结果得到修正慢度模型；
16.对所述修正慢度模型进行正演计算。
17.根据本发明的一些实施例，采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至
声时tm，包括：
18.获取所述发射换能器至接收换能器之间的接收超声波波形，对所述超声波波形信号进行预处理。
19.根据本发明的一些实施例，所述预处理包括信号去噪及信号滤波。
20.根据本发明的一些实施例，根据所述实测初至声时tm及理论初至声时tc判断是否满足设定的收敛条件，包括：
21.计算实测初至声时tm与理论初至声时tc的差值；
22.δt＝t
m-tc23.设定的收敛条件为预设差值，判断所述差值是否小于预设差值。
24.根据本发明的一些实施例，计算理论初至声时tc，包括：
25.根据射线路径矩阵r，通过rs＝t估算理论初至声时tc。
26.根据本发明的一些实施例，还包括：
27.根据速度分布及缺陷识别结果评价混凝土质量，确定缺陷的位置、分布和性质。
28.在一实施例中，对所述超声波波形信号进行预处理，包括：
29.对所述超声波波形信号进行解析，确定波形数量，根据波形数量将波形信号进行分割，得到若干个子波形信号；
30.获取每个子波形信号的小波能量密度；
31.根据快速傅里叶变换对若干个子波形信号进行频谱分析及波形特征提取处理，得到频谱特征及波形特征；
32.根据频谱特征及波形特征对初始母小波函数进行优化，得到优化母小波函数，根据母小波函数得到对应子波形信号的第一小波系数；将得到的若干个第一小波系数分别进行阈值去噪处理，得到若干个第二小波系数；对所述若干个第二小波系数进行滑动平均滤波处理，得到第三小波系数；
33.根据所述小波能量密度及第三小波系数进行反小波变换，得到重构波形信号，并对所述重构波形信号进行归一化处理。
34.在一实施例中，在采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时前，还包括：
35.对采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时的独立通道进行测试，获取各个独立通道的参数信息，根据参数信息确定质量等级，并按照质量等级从高到低建立第一排队队列；
36.建立发射换能器与接收换能器的对应关系，并生成采集任务，获取采集任务的优先等级，并根据优先等级从高到低建立第二排队队列；
37.根据所述第二排队队列中采集任务的数量及第一排队队列中独立通道的数量，得到分配方式。
38.为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测设备，包括：
39.发射换能器，设置在装配式空心板梁底布置测区铰缝接缝的一侧；
40.接收换能器，设置在装配式空心板梁底布置测区铰缝接缝的另一侧；
41.主机，用于：
42.采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时tm；
43.建立初始慢度模型，对所述初始慢度模型进行正演计算，采用射线追踪技术计算射线路径矩阵r和理论初至声时tc；
44.根据所述实测初至声时tm及理论初至声时tc判断是否满足设定的收敛条件；
45.在确定满足设定的收敛条件时，结束计算，输出速度分布及缺陷识别结果。
46.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
47.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
48.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
49.图1是根据本发明一个实施例的一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测方法的流程图；
50.图2是根据本发明一个实施例的发射换能器和接收换能器的布置示意图；
51.图3是根据本发明又一个实施例的一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测方法的流程图；
52.图4是根据本发明一个实施例的一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测设备的框图。
具体实施方式
53.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
54.如图1-2所示，本发明第一方面实施例提出了一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测方法，包括步骤s1-s5：
55.s1、在装配式空心板梁底布置测区，在测区内铰缝接缝的两侧分别布置发射换能器和接收换能器；
56.s2、采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时tm；
57.s3、建立初始慢度模型，对所述初始慢度模型进行正演计算，采用射线追踪技术计算射线路径矩阵r和理论初至声时tc；
58.s4、根据所述实测初至声时tm及理论初至声时tc判断是否满足设定的收敛条件；
59.s5、在确定满足设定的收敛条件时，结束计算，输出速度分布及缺陷识别结果。
60.上述技术方案的工作原理：在装配式空心板梁底布置测区，在测区内铰缝接缝的两侧分别布置发射换能器和接收换能器；采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时tm；建立初始慢度模型，对所述初始慢度模型进行正演计算，采用射线追踪技术计算射线路径矩阵r和理论初至声时tc；根据所述实测初至声时tm及理论初至声时tc判断是否满足设定的收敛条件；在确定满足设定的收敛条件时，结束计算，输出速度分布及缺陷识别结果。设置初始慢度模型为s0。
61.上述技术方案的有益效果：可以准确识别出深铰缝内部出现浇筑不密实、混凝土空洞和破损等情况，提高了缺陷检测的准确性。
62.如图3所示，根据本发明的一些实施例，还包括：
63.在确定不满足设定的收敛条件时，建立声时反演线性方程式；
64.rδs＝δt
65.其中，δs是介质慢度的修正量向量；δt＝t
m-tc为各测点实测初至声时tm与理论初至声时tc之差组成的向量；r为射线路径矩阵，其元素表示单元内各射线路径长度；
66.求解声时反演线性方程式，再逐次迭代反演计算，修正初始慢度模型，获得反演结果，根据反演结果得到修正慢度模型；
67.对所述修正慢度模型进行正演计算。
68.上述技术方案的工作原理：在确定不满足设定的收敛条件时，建立声时反演线性方程式；rδs＝δt其中，δs是介质慢度的修正量向量；δt＝t
m-tc为各测点实测初至声时tm与理论初至声时tc之差组成的向量；r为射线路径矩阵，其元素表示单元内各射线路径长度；求解声时反演线性方程式，再逐次迭代反演计算，修正初始慢度模型，获得反演结果，根据反演结果得到修正慢度模型；对所述修正慢度模型进行正演计算。在进行求解声时反演线性方程式时，反演求解δs，修正慢度矢量sk＝s
k-1
δs
k-1
；δs
k-1
为第k-1次迭代的介质慢度的修正量向量。
69.上述技术方案的有益效果：实现对初始慢度模型的修正，准确得到修正慢度模型，进而提高了对修正慢度模型进行正演计算的准确性，提高缺陷识别的准确性。
70.根据本发明的一些实施例，采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时tm，包括：
71.获取所述发射换能器至接收换能器之间的接收超声波波形，对所述超声波波形信号进行预处理。
72.上述技术方案的工作原理：获取所述发射换能器至接收换能器之间的接收超声波波形，对所述超声波波形信号进行预处理。
73.上述技术方案的有益效果：便于根据预处理后的超声波波形，以获得精确的实测初至声时，减少采集误差。
74.根据本发明的一些实施例，所述预处理包括信号去噪及信号滤波。
75.上述技术方案的有益效果：便于消除噪声，提高计算准确性。
76.根据本发明的一些实施例，根据所述实测初至声时tm及理论初至声时tc判断是否满足设定的收敛条件，包括：
77.计算实测初至声时tm与理论初至声时tc的差值；
78.δt＝t
m-tc79.设定的收敛条件为预设差值，判断所述差值是否小于预设差值。
80.上述技术方案的工作原理：计算实测初至声时与理论初至声时的差值；设定的收敛条件为预设差值，判断所述差值是否小于预设差值。预设差值可以控制识别精度，经过多次实验获取设定的。
81.上述技术方案的有益效果：降低了计算复杂度，便于准确确定实测初至声时与理论初至声时的差值是否小于预设差值，提高了判断速率。
82.根据本发明的一些实施例，计算理论初至声时tc，包括：
83.根据射线路径矩阵r，通过rs＝t估算理论初至声时tc。
84.上述技术方案的工作原理：根据射线路径矩阵r，通过rs＝t估算理论初至声时。
85.上述技术方案的有益效果：提高了确定理论初至声时的准确性。
86.根据本发明的一些实施例，还包括：
87.根据速度分布及缺陷识别结果评价混凝土质量，确定缺陷的位置、分布和性质。
88.上述技术方案的有益效果：将速度分布与缺陷信息建立对应的关系，根据速度分布可以准确识别出结构内部缺陷，提高了识别缺陷的准确性，将缺陷结果展示出来，便于直接观察。
89.在一实施例中，在确定深铰缝内出现混凝土空洞时，将水泥、砂、石、和水进行混合以得到填充所述空洞的混凝土并进行填充。
90.确定水泥、砂、石、和水的质量份的方法，包括：
91.根据不同质量份的水泥、砂、石、和水进行混合，在混合时满足预设的搅拌条件及环境温度，记录每次不同的质量份的水泥、砂、石、和水进行混合时，得到混合物的属性信息，在确定所述属性信息在预设属性信息范围内时，记录水泥、砂、石、和水的质量份，得到q条记录；根据q条记录形成相应的矩阵a；矩阵a中包括q行4列；在所述矩阵a的每一行代表一条记录,所述矩阵a的第1列表示水泥的质量份；所述矩阵a的第2列表示砂的质量份，所述矩阵a的第3列表示石的质量份；所述矩阵a的第4列表示水的质量份；
92.计算矩阵a中每列的质量份的调整量：
[0093][0094]
其中,fi为矩阵a的第i列的质量份的调整量；q为矩阵a的总的行数；a
ij
表示矩阵a的第i列第j行的值；a
it
表示矩阵a的第i列第t行的值；w为混合时的搅拌速率；ln()为以自然常数e为底的对数，i＝1、2、3、4；j＝1、2、3、
……
q；
[0095]
根据每列的质量份的调整量，计算每列的调整系数：
[0096][0097]
其中，ui为矩阵a的第i列的调整系数；lg为以10为底的对数；根据每列的调整系数，计算得到水泥、砂、石、和水的质量份：
[0098][0099]
其中，gi为第i列的质量份。
[0100]
上述技术方案的工作原理及有益效果：在确定深铰缝内出现混凝土空洞时，将水泥、砂、石、和水进行混合以得到填充所述空洞的混凝土并进行填充，消除装配式空心板梁桥深铰缝缺陷，提高了装配式空心板梁桥的质量，消耗了安全隐患。为了混合得到满足质量的混凝土，将水泥、砂、石、和水进行混合进行多次实验，准确确定得到水泥、砂、石、和水的质量份，提高配置混凝土的质量，进而减少梁桥缺陷的产生。在确定水泥、砂、石、和水的质量份时，首先对多组实验数据进行分析，确定对应材料的调整量，进而根据调整量计算出调整系数，进而准确计算出对应材料的质量份，进而，确定最合适的配比关系。属性信息包括硬度参数或黏度参数或混合度参数。
[0101]
在一实施例中，对所述超声波波形信号进行预处理，包括：
[0102]
对所述超声波波形信号进行解析，确定波形数量，根据波形数量将波形信号进行分割，得到若干个子波形信号；
[0103]
获取每个子波形信号的小波能量密度；
[0104]
根据快速傅里叶变换对若干个子波形信号进行频谱分析及波形特征提取处理，得到频谱特征及波形特征；
[0105]
根据频谱特征及波形特征对初始母小波函数进行优化，得到优化母小波函数，根据母小波函数得到对应子波形信号的第一小波系数；将得到的若干个第一小波系数分别进行阈值去噪处理，得到若干个第二小波系数；对所述若干个第二小波系数进行滑动平均滤波处理，得到第三小波系数；
[0106]
根据所述小波能量密度及第三小波系数进行反小波变换，得到重构波形信号，并对所述重构波形信号进行归一化处理。
[0107]
上述技术方案的工作原理：对所述超声波波形信号进行解析，确定波形数量，根据波形数量将波形信号进行分割，得到若干个子波形信号；获取每个子波形信号的小波能量密度；根据快速傅里叶变换对若干个子波形信号进行频谱分析及波形特征提取处理，得到频谱特征及波形特征；根据频谱特征及波形特征对初始母小波函数进行优化，得到优化母小波函数，根据母小波函数得到对应子波形信号的第一小波系数；将得到的若干个第一小波系数分别进行阈值去噪处理，得到若干个第二小波系数；对所述若干个第二小波系数进行滑动平均滤波处理，得到第三小波系数；根据所述小波能量密度及第三小波系数进行反小波变换，得到重构波形信号，并对所述重构波形信号进行归一化处理。
[0108]
上述技术方案的有益效果：将波形信号根据波形数量进行信号分割，获取每个子波形信号的小波能量密度；阈值去噪处理为阈值随子波形信号中噪声动态调整，以便于达到较好的去噪效果；滑动平均滤波处理为根据每个子波形信号，确定合适参数来避免子波形信号失真，最大化的保留子波形信号的细节特征。经过多次处理，使得第三小波系数更加准确的保证每个子波形信号的细节特征，同时达到较好的去噪效果。根据所述小波能量密度及第三小波系数进行反小波变换，考虑到每个子波形信号的小波能量密度就根据子波形信号确定的第三小波系数，提高重构波形信号的准确性，提高了信噪比和分辨率，对重构波形信号进行归一化处理，便于进行信号处理。
[0109]
在一实施例中，在采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时前，还包括：
[0110]
对采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时的独立通道进行测
试，获取各个独立通道的参数信息，根据参数信息确定质量等级，并按照质量等级从高到低建立第一排队队列；
[0111]
建立发射换能器与接收换能器的对应关系，并生成采集任务，获取采集任务的优先等级，并根据优先等级从高到低建立第二排队队列；
[0112]
根据所述第二排队队列中采集任务的数量及第一排队队列中独立通道的数量，得到分配方式。
[0113]
上述技术方案的工作原理：对采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时的独立通道进行测试，获取各个独立通道的参数信息，根据参数信息确定质量等级，并按照质量等级从高到低建立第一排队队列；建立发射换能器与接收换能器的对应关系，并生成采集任务，获取采集任务的优先等级，并根据优先等级从高到低建立第二排队队列；根据所述第二排队队列中采集任务的数量及第一排队队列中独立通道的数量，得到分配方式。分配方式可以为第二排队队列中采集任务的数量除以第一排队队列中独立通道的数量，示例的100除以16，得到为6，余数为4；分配时，第一排队队列中前4个独立通道均分配第二排队队列中7个采集任务，后续12个独立通道均分配6个采集任务。
[0114]
上述技术方案的有益效果：根据将独立通道的质量等级及采集任务的优先等级进行合理分配，提高了对采集任务的完成效率，提高系统的响应能力，实现对独立通道的资源的有效分配。
[0115]
如图4所示，本发明第二方面实施例提出了一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测设备，包括：
[0116]
发射换能器，设置在装配式空心板梁底布置测区铰缝接缝的一侧；
[0117]
接收换能器，设置在装配式空心板梁底布置测区铰缝接缝的另一侧；
[0118]
主机，用于：
[0119]
采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时tm；
[0120]
建立初始慢度模型，对所述初始慢度模型进行正演计算，采用射线追踪技术计算射线路径矩阵r和理论初至声时tc；
[0121]
根据所述实测初至声时tm及理论初至声时tc判断是否满足设定的收敛条件；
[0122]
在确定满足设定的收敛条件时，结束计算，输出速度分布及缺陷识别结果。
[0123]
上述技术方案的工作原理：发射换能器，设置在装配式空心板梁底布置测区铰缝接缝的一侧；接收换能器，设置在装配式空心板梁底布置测区铰缝接缝的另一侧；主机，用于：采集所述发射换能器至接收换能器的超声波实测初至声时tm；建立初始慢度模型，对所述初始慢度模型进行正演计算，采用射线追踪技术计算射线路径矩阵r和理论初至声时tc；根据所述实测初至声时tm及理论初至声时tc判断是否满足设定的收敛条件；在确定满足设定的收敛条件时，结束计算，输出速度分布及缺陷识别结果。设置初始慢度模型为s0。
[0124]
上述技术方案的有益效果：可以准确识别出深铰缝内部出现浇筑不密实、混凝土空洞和破损等情况，提高了缺陷检测的准确性。
[0125]
在一实施例中，主机由微型计算机、激励电路模块、采集系统与配套的软件组成；发射换能器包括表面稀土超磁震源换能器、表面压电发射换能器；接收换能器包括表面压电接收换能器；在主机上装载相应的检测软件。主机、发射换能器、接收换能器通过电缆连接。
[0126]
一种装配式空心板梁桥深铰缝缺陷检测设备具有如下特点：
[0127]
(1)、设备由计算机控制参数的设置、数据的采集；可用触摸屏操作、鼠标操作，适用于室外工作环境。
[0128]
(2)、设备硬件完全集成于专用工程设备箱内，特别是稀土超磁激励电路模块与采集系统的集成，实现了多模式声波发射与设备便携化的统一。
[0129]
(3)、设备具有16个独立通道，每道独立采样频率最高达20mhz，可方便的进行一发多收或传感器阵列测试，不仅工作效率高、而且声波初至时间读取精度高。
[0130]
(4)、设备软件具备多种波形显示；时间读取、ct分析等功能。
[0131]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0132]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0133]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0134]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0135]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。