一种基于导波波峰时延的钢绞线单捻距应力识别方法

本发明涉及钢绞线单捻距应力识别，特别是一种基于导波波峰时延的钢绞线单捻距应力识别方法。

背景技术：

1、预应力混凝土结构因其具有能充分利用材料特性、减轻结构自重、抑制裂缝发展、增加结构跨度和刚度大等优点，在工用、民用建筑中得到普遍的应用，尤其在桥梁结构中应用非常广泛。预应力结构中，普遍采用钢绞线作为受力构件。

2、随着荷载长期作用以及环境因素的影响，结构中钢绞线的力学性能会出现退化，钢丝锈蚀、断裂进而引起保护层胀裂、界面粘结性能严重退化。另外，结构的温度变化、混凝土徐变或收缩、钢绞线蠕变也会导致钢绞线应力水平的变化。无论钢绞线中拉力的增大或降低，都会致使结构承载能力下降，最终酿成重大安全事故。对于既有结构中钢绞线应力状态，目前主要的检测方法有振动频率法、磁弹性法、应变检测法、静力平衡法、超声导波法等。振动频率法受垂度、抗弯刚度以及边界条件等因素影响，测量结果不确定性大；磁弹性法需要将磁致伸缩传感器贯穿磁环，这对于既有结构内部钢绞线检测不具有操作性；应变检测法包括电阻应变片检测法(压力传感器法)、振弦式压力传感器、光纤光栅传感器等，然而此法只能测量应变或应力变化值，不具有绝对应力检测的可能性，且此类方法耐久性较差；静力平衡法需要施加横张力，当钢绞线应力水平较高时，横张力施加困难，检测结果精度低。

3、基于导波声弹性的超声导波应力识别法在无损应力检测领域有其独特的优势，然而目前关于超声导波应力识别的检测指标大都是基于导波群速度构造的，而测量导波群速度需要从实际结构中剥出至少1.5～2m的裸露钢绞线作为测量标距，这不仅在实际检测中难以实现，对钢绞线耐久性和结构安全性也会产生严重影响。若要将测量标距缩短到20cm左右(该长度为钢绞线单捻距长度)，就不能继续使用导波群速度，而要采用导波相速度。由于导波在钢绞线中传播必然发生频散，故导波相速度难以直接测量，需要基于导波相速度构造其它易于实测的识别指标。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于导波波峰时延的钢绞线单捻距应力识别方法，基于波峰时延指标实现对钢绞线的现存应力识别，测量标距短、时延指标对应力变化的敏感度高、信号强度比高、时延指标与应力变化的线性关系好。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于导波波峰时延的钢绞线单捻距应力识别方法，包括以下步骤：

3、步骤1：取同实际工程结构中钢绞线型号的钢绞线样品m根，对每根钢绞线样品任取n个区段,每区段的长度为钢绞线单捻距，或多捻距；标定某个激励频率下波峰时延的应力敏感性系数k并获得信号强度比指标c和线性度r2；设第i根钢绞线样品第j区段的应力敏感性系数kij、信号强度比指标cij和线性度此时1≤i≤m,1≤j≤n；以第1根钢绞线样品第1区段的应力敏感性系数k11、信号强度比指标c11和线性度下标第一个1表示第1根钢绞线，第二个1为第1区段，其他钢绞线样品其他区段的指标获得方法同理；

4、步骤2：改变窄带脉冲信号的频率，重复步骤1得到若干个预设频率下的应力敏感性系数、信号强度比和线性拟合优度；

5、步骤3：通过比较这三个指标数值，从若干个预设频率中挑选出最佳频率；

6、步骤4：重复步骤1，但将钢绞线样品的张拉应力改为a，区段数改为n个，n根据实际情况选定；测出所有钢绞线样品所有区段内第3波峰在信号采集设备上显示的相对时间坐标并取均值，设均值为s；

7、步骤5：取待测钢绞线第1～第p区段，p根据实际情况选定；测量所有区段的第3波峰在信号采集设备上显示的相对时间坐标并取均值，其均值为q；

8、步骤6：根据s-q＝k(a-b)，得钢绞线现存预应力b＝a-(s-q)/k，若不用第3波峰而改用其他序号波峰进行识别，方法同上。

9、在一较佳的实施例中，应力敏感性系数kij、信号强度比指标cij和线性度rij2获取步骤如下：

10、(1)选定导波应力识别的激励信号，其频率为f1；

11、(2)将试验场的温度控制为与测量现场的温度一致，然后在第i根钢绞线样品第j区段一侧导入脉冲信号，并在另一端接收信号；

12、(3)本步骤重复w-1次，得到应力与相对时间坐标的二维序列(1400,t1)、(p2,t2,)、……、(pw,tw)，其中1400<p2<p3<……<pw；

13、(4)根据上述序列拟合一条直线，直线的斜率即为应力敏感性系数kij；导波接收信号的幅值绝对值为cout，导波发射信号的幅值绝对值cin，则得到信号频率fi条件下第i根钢绞线样品第j区段信号强度比指标cij＝cout/cin；

14、(5)同理可得k12～k1n、……、km1～kmn，c12～c1n、……、cm1～cmn；

15、(6)对所有的k、r2和c值取平均，得到激励频率为fi时，取所有钢绞线样品所有区段的均值，意在最大限度消除偶然误差的影响。

16、在一较佳的实施例中，所述步骤3具体包括：

17、(1)设定应力敏感性系数阈值，筛选出高于该阈值的应力敏感性系数对应的频率范围；

18、(2)设定信号强度比阈值，筛选出高于该阈值的信号强度比对应的频率范围；

19、(3)设定线性拟合优度阈值，筛选出高于该阈值的线性拟合优度对应的频率范围；

20、(4)以上三个区域的交集，即f2<f<f1，为最优频率所在区间，取落在该区间内的预设频率作为最佳激励频率，如不止一个最佳激励频率，则可以任选一个；该频率对应的敏感性系数k即为钢绞线样品的敏感性系数。

21、在一较佳的实施例中，对于任意应力状态下钢绞线，有：

22、v＝a(σ-σ0)+v0    (1)

23、σ——钢绞线当前应力(单位：mpa)；

24、σ0——钢绞线基准应力(单位：mpa)；

25、v——钢绞线应力σ对应的导波信号相速度(单位：m/s)；

26、v0——钢绞线基准应力σ0对应的相速度(单位：m/s)；

27、a——导波信号相速度对应力的敏感系数(单位：m·s-1/mpa)；

28、式(1)变换为：

29、

30、声弹性效应是一种弱效应，故ν与ν0差距很小，而σ与σ0差距较大，可知a相较ν0/(σ-σ0)而言是一个小量。

31、在一较佳的实施例中，假定导波从捻距长度的一端发射，另一端接收，导波传播时间为t，传播距离为l，零应力时导波相速度为ν0，对应的传播时间为t0，此时l＝v0t0＝vt，即忽略应力变化造成的钢绞线长度变化，于是有：

32、

33、

34、

35、由于a相较ν0/(σ-σ0)而言是一个小量，故式(5)的分母中可将a忽略，式(5)可变换为：

36、

37、式中t-t0即为波峰时延指标；

38、a、t0和l都是定值，因此-at02/l也为定值，假定k＝-at02/l。k的具体数值可通过试验标定得到；

39、令δσ＝σ-σ0和δt＝t-t0，式(6)变换为：

40、δt＝kδσ (7)

41、其中k称之为波峰时延对应力的敏感性系数；

42、在实际测量时，测量波峰时延指标δt＝t-t0的数值，即可获得该状态下的应力相较于基准应力状态下的变化量δσ＝σ-σ0；

43、不同的导波激励频率k值不同，即不同频率下波峰时延对应力的敏感性不同；最佳的激励频率应该是k、c和r2均取到各自数字范围内的较大值对应的频率；

44、假设对任一钢绞线，现需测出其现存预应力σ；取同类型的钢绞线样品n根，根据选定最佳激励频率f，分别测量在初始应力σ0条件下，n根钢绞线样品单捻距长度下波峰在信号采集设备上显示的相对时间坐标t1、t2、t3……tn，取其均值改变钢绞线应力状态，测得不同钢绞线在不同应力等级下的时延，由此得到n根钢绞线样品的应力敏感性系数分别为k1、k2、k3……kn，取其均值然后对检测对象，使用最佳激励频率f，得到单捻距长度下波峰在信号采集设备上显示的相对时间坐标t，得到当前应力状态相比于初始应力状态的波峰时延由式(7)即计算钢绞线的现存预应力σ。

45、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明基于导波相速度，构造出可在单捻距标距条件下检测标距内钢绞线应力的导波波峰时延指标，这对于土木工程领域中既有钢绞线的应力检测、以及基于检测结果进行的结构安全性评估及后续加固等均具有重大意义。