一种大体积混凝土施工质量检测方法及系统与流程

1.本发明属于混凝土质量检测领域，具体涉及一种大体积混凝土施工质量检测方法及系统。


背景技术：

2.大体积混凝土构件体量较大，常常需要浇筑数千甚至上万立方米混凝土，浇筑完成后，粉煤灰、水泥等胶凝材料逐渐水化而产生大量的热量，同时混凝土的导热系数小，散热能力差，内部聚集大量热量导致混凝土温度急剧升高。而预制混凝土结构可划分为预制木结构、预制钢结构和预制混凝土结构，预制混凝土结构是指将传统建造方式下需要现场浇筑的墙、柱、粱等构建在工厂内进行预制，再通过满足力学性能要求的连接形式进行现场组装连接，结合少量的现场浇筑而形成的混凝土结构。
3.目前，由于注浆口或出浆口封堵不严密导致水泥浆流出，从而形成套筒横向脱空缺陷，套筒中部脱空，由于套筒注浆过程中套筒内存在残留空气未排出或者注浆料内存在残留空气未排出，导致灌浆结束后套筒内依然存在气泡，进而在套筒内形成中部脱空。然而，套筒内钢筋偏心缺陷，钢筋与套筒对接时没有对齐，钢筋弯曲或者倾斜堵住了出浆口或者注浆口，导致灌浆不充分造成内部脱空缺陷，形成套筒内的钢筋偏心缺陷，基于上述原因，亟待提出一种灌浆构件的灌浆质量检测方法，以保证大体积混凝土如建筑与桥梁的安全性能。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种大体积混凝土施工质量检测方法及系统，根据声波在待测构建内传播时会经过不同声阻材料分界面，声波的声速、频率等声学参数会产生变化，接收端接收到的声学信号也会激发段信号不同，通过分析接收信号中的首波声时值、波速等时域信号特征来判断声波在混凝土内的传播状态，从而分析混凝土内部不可见部分的质量问题，具体采用以下技术方案来实现。
5.第一方面，本发明提供了一种大体积混凝土施工质量检测方法，包括以下步骤：
6.获取大体积混凝土施工中的钢管混凝土构件的尺寸信息，建立钢管混凝土构件的有限元模型；
7.对钢管混凝土构件的有限元模型进行加载计算确定钢管混凝土构件模型的检测点；
8.根据检测点以钢管混凝土构件脱空中央处及其对侧位置激发声波制作应力传播云图，以检测声波传播路径；
9.根据声波传播路径确定钢管混凝土有限元模型存在脱空缺陷的位置与不存在脱空缺陷的云图，并确定钢管混凝土构件的灌浆缺陷，以得到钢管混凝土施工的脱空缺陷和灌浆缺陷的质量检测结果，其中，云图包括声波时域图和频域图。
10.作为上述技术方案的进一步改进，根据声波传播路径确定钢管混凝土有限元模型
存在脱空缺陷的位置与不存在脱空缺陷的云图，包括：
11.通过分析有、无脱空缺陷位置的钢管混凝土试件模型的声波传播，一部分应力波经过钢管壁提前到达对侧钢管处，另一部分经过空洞、混凝土与钢管壁的交界处进入混凝土内，之后到达对侧钢管处；
12.未脱空的位置激发的应力波一部分经过钢管壁提前到达对侧钢管处，另一部分经过钢管壁直接直接进入混凝土内，再从对侧空洞、混凝土、钢管壁交界处进入钢管壁到达测点对侧钢管壁，之后这些声波会继续在钢管混凝土构件模型内经过复杂的传播过程直至衰减结束。
13.作为上述技术方案的进一步改进，确定钢管混凝土构件的灌浆缺陷，以得到钢管混凝土施工的脱空缺陷和灌浆缺陷的质量检测结果，包括：
14.建立灌浆模型的有限元模型，获取钢管混凝土构件蜂窝模型尺寸参数和材料参数；
15.对钢管混凝土构件蜂窝模型的网格划分，采用半正弦函数作为激发函数，使用100khz的激发频率激励声波信号，提取声波接收点的竖向加速度作为声波测试的时域信号；
16.将时域信号图进行快速傅里叶变换得到蜂窝缺陷下的钢管混凝土构件有限元仿真模型回波信号的频域图，根据时域图和频域图确定声波的衰减特性判断出钢管混凝土构件内存在蜂窝缺陷。
17.作为上述技术方案的进一步改进，根据检测点以钢管混凝土构件脱空中央处及其对侧完好位置激发声波制作应力传播云图，包括：
18.对钢管混凝土构件模型中的八个不同检测点位置激发应力波进行有限元计算，采用100khz的激发频率激发应力波，提取接收点的竖向加速度作为声波测试的时域信号；
19.选取钢管混凝土构件模型中的首波声时值，先将其以最大值绝对值为标准做归一化，再将原始波形预设时间的数据进行绝对值积分得到各检测点对应的能量特征参数；
20.根据有脱空位置的检测点测得的能量特征参数大于无脱空处检测点测得的能量特征参数大，确定钢管混凝土构件内是否存在灌浆缺陷。
21.作为上述技术方案的进一步改进，将其以最大值绝对值为标准做归一化，再将原始波形预设时间的数据进行绝对值积分得到各检测点对应的能量特征参数，包括：
22.将积分设定为能量特征参数eu，eu为一个无量纲的量用于反映一段时间内声波的能量累计情况，能量特征参数eu的计算式为au(t)为原始信号归一化所得中间函数，tu为累计计算时间，au(t)的计算式为式中a(t)为原始信号幅度函数，|a|
max
为原始信号中最大幅值绝对值的数值。
23.作为上述技术方案的进一步改进，对钢管混凝土构件的有限元模型进行加载计算确定钢管混凝土构件模型的检测点，包括：
24.运用固体模块分析钢管混凝土构件声波传播特性，对模型进行加载，使用预设位移来模拟应力波，使用脉冲波函数进行加载，脉冲波函数的表达式为
25.模型使用瞬态求解器进行求解，信号的激发点与接收点相距3cm，激发方向接收方向均指向圆心，激发频率f设置为100khz，经过计算得到最大时间步长，调整时间步长并设置激发点和接收点位置，提取接收点的竖向加速度作为声波测试的时域信号。
26.作为上述技术方案的进一步改进，建立钢管混凝土构件的有限元模型，包括：
27.根据固体力学模块设置仿真模拟的基本参数，并设置相应的模型尺寸参数并使用布尔运算建立好有脱空缺陷的钢管混凝土构件模型；
28.设置模型对应材料的参数，使用符合要求的网格尺寸对完成尺寸参数与材料参数设置的模型进行网格划分并对有限元模型进行材料属性赋值，以得到钢管混凝土构件的有限元模型。
29.作为上述技术方案的进一步改进，获取大体积混凝土施工中的钢管混凝土构件的尺寸信息，包括：
30.根据采集的混凝土构件的尺寸信息制作灌浆套筒剪力墙试件模板，将试件制作采用的木模板浇筑面刷油用于后续脱模，再将其拼接固定；
31.按照事先设计将套筒固定在模板中，将混凝凝土搅拌浇筑在模板中并进行振捣密实；
32.混凝土有相应强度后拆除木模板，混凝土养护至标准养护期后，对套筒进行灌浆。
33.作为上述技术方案的进一步改进，获取大体积混凝土施工中的钢管混凝土构件的尺寸信息，还包括：
34.制作内置缺陷形状的模板，模板表面刷油便于脱模，按照设计将缺陷模板固定在钢管中；
35.在钢管中浇筑混凝土，将所需要的混凝土搅拌好浇筑在钢管中并进行振捣密实，根据标准养护期养护28d。
36.第二方面，本发明还提供了大体积混凝土施工质量检测系统，包括：
37.获取单元，用于获取大体积混凝土施工中的钢管混凝土构件的尺寸信息，建立钢管混凝土构件的有限元模型；
38.设定单元，用于对钢管混凝土构件的有限元模型进行加载计算确定钢管混凝土构件模型的检测点；
39.制作单元，用于根据检测点以钢管混凝土构件脱空中央处及其对侧位置激发声波制作应力传播云图，以检测声波传播路径；
40.检测单元，用于根据声波传播路径确定钢管混凝土有限元模型存在脱空缺陷的位置与不存在脱空缺陷的云图，并确定钢管混凝土构件的灌浆缺陷，以得到钢管混凝土施工的脱空缺陷和灌浆缺陷的质量检测结果，其中，云图包括声波时域图和频域图。
41.本发明提供了一种大体积混凝土施工质量检测方法及系统，通过在有脱空缺陷的钢管混凝土构件模型上根据其内侧灌浆质量的不同布置不同的测点，对钢管混凝土构件模型进行声学仿真模拟，分析所得到的时域信息、频域信息，从时域信号中提取出了能量特征参数eu，对有脱空缺陷的钢管混凝土构件模型不同检测点的声学测试，有脱空位置的检测点与无脱空位置的检测点测得的能量特征参数eu值差异明显，存在蜂窝缺陷的钢管混凝土
模型的声学仿真模拟结果显示能量特征参数能够反映钢管混凝土构件内部的蜂窝缺陷，蜂窝较密集的位置获得的eu值较大，可以通过能量特征参数来判定钢管混凝土构件内部灌浆质量情况，提高了大体积混凝土施工质量检测的效率和准确性。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
43.图1为本发明提出的大体积混凝土施工质量检测方法的流程图；
44.图2为本发明提出的大体积混凝土施工质量检测系统的结构框图。
具体实施方式
45.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
46.参阅图1，第一方面，本发明提供了一种大体积混凝土施工质量检测方法，包括以下步骤：
47.s1：获取大体积混凝土施工中的钢管混凝土构件的尺寸信息，建立钢管混凝土构件的有限元模型；
48.本实施例中，根据固体力学模块设置仿真模拟的基本参数，并设置相应的模型尺寸参数并使用布尔运算建立好有脱空缺陷的钢管混凝土构件模型；设置模型对应材料的参数，使用符合要求的网格尺寸对完成尺寸参数与材料参数设置的模型进行网格划分并对有限元模型进行材料属性赋值，以得到钢管混凝土构件的有限元模型。钢管混凝土构件将钢管内部用混凝土材料填充，从而构成一种由钢管和混凝土相互作用的新的复合结构，钢管混凝土构件结合了钢材抗拉性能好、混凝土材料抗压性能强的特点、韧性、塑性和抗压强度远高于传统结构形式。有限元声学仿真模拟的基本参数设置，在全局定义模块中定义仿真模拟过程需要设定的参数，包括模型尺寸参数、模型材料参数和模型计算参数等，通过定义不同的模型参数来实现不同环境、不同状态下模型的参数化仿真模拟。
49.需要说明的是，声波在钢管混凝土构件模型内的传播特性时，将模型内的钢管、混凝土等材料视为各向同性体，且为完全弹性，经计算将网格划分最大网格单元尺寸设置为2mm，最大尺寸设定为1mm，使用三角形网格进行划分，构建几何模型、材料参数赋值，使用几何建模模块建立二维有限元模型，钢管外径220mm，内径204mm，空洞范围圆心角设置为90
°
，脱空高度32mm，管壁厚8mm，上述参数作为有限元模型中的参数，从而确保提高质量的检测有效性。
50.s2：对钢管混凝土构件的有限元模型进行加载计算确定钢管混凝土构件模型的检测点；
51.本实施例中，运用固体模块分析钢管混凝土构件声波传播特性，对模型进行加载，使用预设位移来模拟应力波，使用脉冲波函数进行加载，脉冲波函数的表达式为
模型使用瞬态求解器进行求解，信号的激发点与接收点相距3cm，激发方向接收方向均指向圆心，激发频率f设置为100khz，经过计算得到最大时间步长，调整时间步长并设置激发点和接收点位置，提取接收点的竖向加速度作为声波测试的时域信号。经过计算得到的最大时间步长分别为0.15μs与0.05μs，根据模拟需要，将时间步长设置为0.01μs，计算时间步长为4000μs。设置八组测点即检测点，激发点在右，接收点在左，间距5cm，等距放在测点两侧，提取接收点的竖向加速度作为声波测试的时域信号，为方波时域信号的提取，模拟过程通过旋转模型而不改变测点位置完成。
52.需要说明的是，为了检测钢管混凝土构件内空洞的存在对声波在构件内传播过程的影响，分别提取声波在有脱空区域的测点和无脱空区域的测点的声波传播云图进行对比分析。为了检测到声波从激发到经过整个钢管混凝土构件截面的全过程，以15μs为时间间隔，提取0-75μs的声波传播云图。模拟所得首波时间为8.4μs，通过计算可得声波在钢管中传播速度为8952m/s，由材料属性可知声波在混凝土中传播速度为8950m/s，时间误差也在时间步长0.01μs内，说明有限元模型的简历基本准确，从声波在钢管混凝土构件内的应力波传播云图中可以看出，在模型不同的位置激发应力波，应力波在构件内的传播的过程是有区别的。
53.s3：根据检测点以钢管混凝土构件脱空中央处及其对侧位置激发声波制作应力传播云图，以检测声波传播路径；
54.本实施例中，通过分析有、无脱空缺陷位置的钢管混凝土试件模型的声波传播，一部分应力波经过钢管壁提前到达对侧钢管处，另一部分经过空洞、混凝土与钢管壁的交界处进入混凝土内，之后到达对侧钢管处；未脱空的位置激发的应力波一部分经过钢管壁提前到达对侧钢管处，另一部分经过钢管壁直接直接进入混凝土内，再从对侧空洞、混凝土、钢管壁交界处进入钢管壁到达测点对侧钢管壁，之后这些声波会继续在钢管混凝土构件模型内经过复杂的传播过程直至衰减结束。
55.需要说明的是，对钢管混凝土构件模型中的八个不同检测点位置激发应力波进行有限元计算，采用100khz的激发频率激发应力波，提取接收点的竖向加速度作为声波测试的时域信号；选取钢管混凝土构件模型中的首波声时值，先将其以最大值绝对值为标准做归一化，再将原始波形预设时间的数据进行绝对值积分得到各检测点对应的能量特征参数；根据有脱空位置的检测点测得的能量特征参数大于无脱空处检测点测得的能量特征参数大，确定钢管混凝土构件内是否存在灌浆缺陷。
56.应理解，通过模型分析钢管混凝土有限元模型存在脱空缺陷的位置与不存在脱空缺陷的云图可以发现，钢管混凝土构件内空洞会改变声波在试件内的传播路径，因此接收到的声学参数也会随之进行相应变化，所以钢管混凝土构件内的脱空缺陷是可以用声学参数进行描述，以提高声学检测的准确性。
57.s4：根据声波传播路径确定钢管混凝土有限元模型存在脱空缺陷的位置与不存在脱空缺陷的云图，并确定钢管混凝土构件的灌浆缺陷，以得到钢管混凝土施工的脱空缺陷和灌浆缺陷的质量检测结果，其中，云图包括声波时域图和频域图。
58.本实施例中，建立灌浆模型的有限元模型，获取钢管混凝土构件蜂窝模型尺寸参数和材料参数；对钢管混凝土构件蜂窝模型的网格划分，采用半正弦函数作为激发函数，使
用100khz的激发频率激励声波信号，提取声波接收点的竖向加速度作为声波测试的时域信号；将时域信号图进行快速傅里叶变换得到蜂窝缺陷下的钢管混凝土构件有限元仿真模型回波信号的频域图，根据时域图和频域图确定声波的衰减特性判断出钢管混凝土构件内存在蜂窝缺陷。
59.需要说明的是，将积分设定为能量特征参数eu，eu为一个无量纲的量用于反映一段时间内声波的能量累计情况，能量特征参数eu的计算式为au(t)为原始信号归一化所得中间函数，tu为累计计算时间，au(t)的计算式为式中a(t)为原始信号幅度函数，|a|
max
为原始信号中最大幅值绝对值的数值。实际工程中可以通过先制作灌浆模型检测其能量特征参数值，与实际工程中的钢管混凝土构件检测结果进行对比，从而判断钢管混凝土构件内是否存在灌浆缺陷。
60.可选地，获取大体积混凝土施工中的钢管混凝土构件的尺寸信息，包括：
61.根据采集的混凝土构件的尺寸信息制作灌浆套筒剪力墙试件模板，将试件制作采用的木模板浇筑面刷油用于后续脱模，再将其拼接固定；
62.按照事先设计将套筒固定在模板中，将混凝凝土搅拌浇筑在模板中并进行振捣密实；
63.混凝土有相应强度后拆除木模板，混凝土养护至标准养护期后，对套筒进行灌浆。
64.本实施例中，制作内置缺陷形状的模板，模板表面刷油便于脱模，按照设计将缺陷模板固定在钢管中；在钢管中浇筑混凝土，将所需要的混凝土搅拌好浇筑在钢管中并进行振捣密实，根据标准养护期养护28d。模拟结果显示能量特征参数对于钢管混凝土构件内部蜂窝缺陷较为敏感，蜂窝较密集的位置获得的eu值较大，可以通过能量特征参数来判定钢管混凝土构件内是否存在蜂窝，对钢管混凝土构件有限元模型的时域特征分析表明，声波的衰减特性能够判断出钢管混凝土构件内存在蜂窝缺陷。在灌浆结构实际检测过程中，当钢管混凝土构件中存在蜂窝缺陷时，在灌浆构件的实际工程测试中，由于砂、石等因素的干扰，可能会干扰反映混凝土内部质量的声学信号的提取，避免了内部质量的具体情况无法得到有效评估。
65.参阅图2，本发明还提供了大体积混凝土施工质量检测系统，包括：
66.获取单元，用于获取大体积混凝土施工中的钢管混凝土构件的尺寸信息，建立钢管混凝土构件的有限元模型；
67.设定单元，用于对钢管混凝土构件的有限元模型进行加载计算确定钢管混凝土构件模型的检测点；
68.制作单元，用于根据检测点以钢管混凝土构件脱空中央处及其对侧位置激发声波制作应力传播云图，以检测声波传播路径；
69.检测单元，用于根据声波传播路径确定钢管混凝土有限元模型存在脱空缺陷的位置与不存在脱空缺陷的云图，并确定钢管混凝土构件的灌浆缺陷，以得到钢管混凝土施工的脱空缺陷和灌浆缺陷的质量检测结果，其中，云图包括声波时域图和频域图。
70.本实施例中，首个波包钢管壁传递过来的面波和经过混凝土反射回来的波卷积在第一个波包内不易分辨，有脱空缺陷位置的后续波包衰减变慢，有脱空位置的回波比无脱
空位置的回波信号频率交底处峰值更高，有脱空位置的回波信号频谱峰值多且较为分散。存在质量缺陷的模型位置回波频谱在低频位置的最大值较高，峰值分散和集中度差。声学法是激励声波的换能器放置于待测构件的待测面，声波被激励后在构件内传播，通过接收换能器携带其内部信息的声学信号，将所得到的声学信号进行相应的时域、频域分析，从接收到的声学信号中提取出相应的声波参数用以分析结构的内部情况，提高了大体积混凝土施工质量检测的效率和准确性。
71.在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
72.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
73.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。