【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及钢筋混凝土界面脱粘检测领域，特别涉及基于导波传播模型的钢筋脱粘检测方法。
技术介绍
1、钢筋混凝土结构作为现代建筑、桥梁、道路、水坝及其他关键基础设施的重要组成部分，其稳定性和安全性对于每一个结构的功能性都有着至关重要的影响。然而，环境因素(如温度、湿度和污染)、物理影响(如震动、冲击和过载)以及长期使用都可能导致钢筋混凝土结构出现疲劳、裂缝、腐蚀和其他形式的损伤。其中，钢筋混凝土界面脱粘是一种常见而危险的损伤形式。界面脱粘会破坏混凝土和钢筋之间的粘结，进而削弱结构的承载能力，加速结构的退化过程。在严重的情况下，它甚至可能导致结构的提前失效和崩塌。因此，建立一个有效的结构健康监测(shm)系统，来对钢筋混凝土界面脱粘的情况进行深入研究和定期检测，是具有极高的必要性和紧迫性的。
2、目前，各种非破坏性检测(non-destructive test,ndt)手段已被广泛应用于结构健康监测(shm)系统。特别是基于压电换能器(piezoelectric transducers,pzt)的波传播技术(wave propagation technical,wpt)，由于其对边界条件的敏感性，已经成为了研究钢筋混凝土结构中钢筋-混凝土界面剥离现象的重要工具。主要研究成果包括：通过研究非对称lamb波在不同激励频率下的信号反应特性，检测结构内部界面损伤；采用时间反转法和小波包分解技术处理纵向导波，构建损伤指数来描述损伤状态；通过经验模态分解和能量谱分析构建无量纲损伤参数以获取损伤程度信息；根据傅立叶变换和小波变换建立
3、尽管现有研究提出了多种方法，如通过小波变换、经验模态分解、能量分析等数理统计学系数来描述和评估结构的损伤状态，但是这些方法主要侧重于表征损伤相对于结构初始状态的严重程度——通常称为损伤因子。虽然这些方法在某种程度上有助于理解结构的总体状态，但它们并不能提供损伤的绝对尺寸、形状等详细信息，即它们无法实现损伤的精确定位和量化。
4、因此，鉴于实际工程需求和混凝土结构在基础设施中的安全性与耐久性的重要性，迫切需要开发一套具有明确物理意义、稳定高效且经济实用的钢筋混凝土界面脱粘定位与尺寸量化检测方法以及对应的检测系统。这个检测方法和检测系统能对在建或已建成的混凝土结构的使用状态进行持续实时的追踪、测试和监视，从而及时发现并评估结构内部界面上的局部缺陷和损伤。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于导波传播模型的钢筋脱粘检测方法，该方法通过普适可靠的算法及导波纵向模态在脱粘结构各处的传播规律差异，实现钢筋混凝土结构中钢筋混凝土界面脱粘的定位和尺寸量化。同时能为维护工程师提供精确且实时的界面损伤信息，包括损伤的具体位置、大小和发展趋势。这些信息对于制定有效的维护和强化策略，以预防结构失效和灾难性事故的发生具有重要的意义。
2、实现本专利技术目的的技术方案是：本专利技术中基于导波传播模型的钢筋脱粘检测方法，包括以下步骤：
3、step1：根据模态转换现象和接触声学非线性构建导波传播模型；所述导波传播模型中导波的一次谐波和导波的二次谐波的飞行时间与结构损伤特征和导波传播特征的关系为：
4、
5、
6、其中，tf代表一次谐波的到达时间；t2f代表二次谐波的到达时间；lb1和lb2代表脱粘起始点和脱粘终止点分别距导波激励端和接收端的距离；ld代表界面脱粘的长度；gbf代表在频率f下结构健康段上导波的最快波速；grf代表在频率f下结构脱粘段上导波的最快波速；gb2f代表在频率2f下结构健康段上导波的最快波速；
7、step2：基于结构尺寸参数计算导波在完整钢筋混凝土截面和钢筋截面的纵向模态传播频散特征，所述完整钢筋混凝土截面的频散特征通过半解析有限元方法求解；所述钢筋截面的纵向模态频散特征通过数值积分及遍历搜寻法对其进行数值求解,其控制方程为：
8、
9、其中r为钢筋半径，j0和j1分别代表0阶和1阶第一类贝塞尔方程；α和β是取决于角频率ω、波数k、压力波速度cp和剪切波速度cs的参数，计算公式为：
10、
11、通过完整钢筋混凝土截面和钢筋截面的纵向模态传播频散特征绘制完整钢筋混凝土截面和钢筋截面的频散曲线，进而确定频率f下结构健康段上导波的最快波速gbf的取值，频率f下结构脱粘段上导波的最快波速grf的取值，频率2f下结构健康段上导波的最快波速gb2f的取值；
12、step3：基于相位反转法处理导波信号，分离导波信号中的一次谐波组分和二次谐波组分；所述相位反转法处理的原始波场、相位反转后波场和叠加相位场表示为：
13、u(0)＝a1exp[j(kx-wt)]+a2exp[2j(kx-wt)]；
14、u(π)＝a1exp[j(kx-wt+π)]+a2exp[2j(kx-wt+π)]；
15、
16、其中u(0)和u(π)分别代表原始相位和反转相位的导波位移场；w代表角速度；a1和a2代表波场在空间坐标x和时间坐标t下一次谐波和二次谐波的幅值；j代表虚数单位；k代表波数；代表原始相位和反转相位的叠加位移场；
17、通过上述方式获取一次谐波的到达时间tf，二次谐波的到达时间t2f；
18、step 4:基于步骤step2和步骤step3获取的参数导入导波传播模型中，计算结构内界面脱粘的长度和存在部位，计算公式为：
19、
20、
21、lb1＝la-ld-lb2；
22、其中δt＝tf-t2f，代表一次谐波和二次谐波的时间差；la为钢筋混凝土结构的长度。
23、进一步，上述导波传播模型根据模态转换现象获取界面的脱粘起始点和脱粘终止点。
24、所述模态转换现象是指在一个存在多波导截面的结构上，导波经过不同截面交接处时的衍射现象，其本质是波导频散特征变化引起的波传播行为突变。
25、所谓接触声学非线性，脱粘段的钢筋混凝土接触界面的本构方程通过以下双线性分段应力应变关系表示：
26、σ＝mii[1-h(ε-ε0)(δm/mii)]ε；
27、其中，σ和ε分别代表应力和应变；mii代表界面压缩状态时的弹性模量；δm代表刚度的变化区间大小；ε0代表临界应变大小；h(ε-ε0)为一个单位跃迁函数，当ε＞ε0时，跃迁函数的值等于1，当ε＜ε0时，跃迁函数的值等于0。
28、所述接触声学非线性是指当导波通过这个已经脱粘的钢筋混凝土接触界面时，接触表面在导波的拉伸和压缩作用下周期性地开闭，所产生的非线性响应。...
【技术保护点】
1.一种基于导波传播模型的钢筋脱粘检测方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于导波传播模型的钢筋脱粘检测方法，其特征在于：所述导波传播模型根据模态转换现象获取界面的脱粘起始点和脱粘终止点。
3.根据权利要求1所述的基于导波传播模型的钢筋脱粘检测方法，其特征在于：所述Step1步骤中导波传播特征为：在钢筋混凝土结构的端部激励，激发信号后导波快速演变为群速度各异的多模态传播状态，此时的传播状态被标记为Gbf；各模态具有不同的波速，它们依次到达界面脱粘的起始点，出现模态转换现象；当导波进入脱粘段后，所有从健康段传入的导波都转变为在钢筋中的传播模态，此时的传播状态标记为Grf；
4.根据权利要求1所述的基于导波传播模型的钢筋脱粘检测方法，其特征在于：所述Step3步骤前包含步骤：针对待检测的钢筋混泥土结构进行初始信号激励和初始信号的反转相位激励；
【技术特征摘要】
1.一种基于导波传播模型的钢筋脱粘检测方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于导波传播模型的钢筋脱粘检测方法，其特征在于：所述导波传播模型根据模态转换现象获取界面的脱粘起始点和脱粘终止点。
3.根据权利要求1所述的基于导波传播模型的钢筋脱粘检测方法，其特征在于：所述step1步骤中导波传播特征为：在钢筋混凝土结构的端部激励，激发信号后导波快速演变为群速度各...
【专利技术属性】
技术研发人员：乔丕忠，廖智威，陈安，王翔宇，徐德强，
申请(专利权)人：常州中碳建筑产业有限公司，
类型：发明
国别省市：
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