[0001] 本发明属于钢管混凝土脱空检测技术领域，尤其涉及一种基于散射波法的钢管混凝土脱空检测方法及系统。

[0002] 钢管混凝土拱桥在钢管内填充混凝土，属于钢‑混组合结构。目前，国内对钢管混凝土为首的大型桥梁的养护存在着较大的盲目性，通常是在发现较明显外部缺陷或变形时才进行处治。相比其他形式的拱桥，大跨径下承式钢管混凝土拱桥目前在使用过程中，拱肋内钢管混凝土脱空严重是其主要暴露的问题。

[0003] 目前国内外关于钢管混凝土组合结构脱空损伤的无损检测方法研究并不多，常用检测方法分为有损检测和无损检测两大类，有损检测主要指钻芯取样法，但其费用高、效率低；无损检测技术因其非破坏性、互容性、动态性等优点成为钢管混凝土质量检测的重要手段。无损检测方法包括冲击回波法、人工敲击法、超声波法、红外热像法等等。

[0004] 冲击回波法探伤具有设备轻便、操作简便、测试深度范围大和受高频杂波干扰少等优点，但其测试效率不高，对于复杂的内部缺陷其反射波形的特征还有待进一步的研究与完善，且对脱空缺陷尺寸的定量识别效果并不理想。

[0005] 目前关于红外热成像对于钢管混凝土缺陷的检测方面，研究内容还是很少，缺少有效的方法对钢管混凝土脱空缺陷进行定量的检测，有很多观点还有待验证和研究。超声波法进行结构损伤检测的仪器设备及相关规程的制定也最为成熟。超声波法对于形状复杂，表面粗糙的小尺寸构件，超声法测试难以操作，而且对于内部材料非致密，非均匀的结构，超声法的信噪比较差。同时，用超声法进行结构损伤的定性及定量测量要求操作人员的经验丰富，因此超声法在钢管混凝土结构的检测应用中具有一定的局限性。

[0041] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

[0042] 需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

[0043] 如图1所示，本实施例中提供一种基于散射波法的钢管混凝土脱空检测系统，包括：数据采集模块、数据传输模块、数据检测模块、频率分析模块和脱空位置确定模块；

[0044] 数据采集模块，用于获取钢管的测点Chirp信号和测点位置；

[0045] 数据传输模块，用于将测点Chirp信号和测点位置通过无线数据传输发送给数据检测模块；

[0046] 数据检测模块，用于检测Chirp信号对应的测点位置钢管，获取混凝土不密实区域；

[0047] 频率分析模块，用于根据混凝土不密实区域，采用各测点峰值频率骤然增减的变化初步定位到钢管缺陷位置；

[0048] 脱空位置确定模块，用于根据初步定位到钢管缺陷位置，通过散射波法分析得到时域信号的特征参数，最终确定钢管缺陷位置。

[0049] 具体的，系统中数据采集模块包括Chirp信号发生器和传感器和采集仪采集Chirp信号，其中Chirp信号发生器，用于在激振点生成稳定的弹性波，Chirp信号通过Chirp函数生成，Chirp(t,f0,T,f1)，T表示脉冲宽度，f0表示起始频率，f1表示截止频率，t的取值与采6
样率有关。该信号的采样率fs＝5×10 Hz，脉冲宽度T＝32ms,采样点数N＝fs·T，如图3所示。

[0050] Chirp信号震源触发的能量以及频率均一致，稳定性更强，且在电脑端自动触发更为方便快捷，仅需要一人独立便可完成触发与接收信号的操作，适用于散射波法多测点定位检测。

[0051] 传感器，采用加速度计或速度计，用于接收Chirp信号发生器发射的弹性波。

[0052] 系统中数据传输模块包括无线数据传输，采集仪和无线数据传输，用于接收传感器信号。

[0053] 系统中数据检测模块、频率分析模块和脱空位置确定模块具体实现的过程包括：对接受的传感器的信号进行频率色谱、主频分析；通过观察频率色谱图是否具有稳定性、一致性可以初步判断管道是否有缺陷，通过观察各测点峰值频率骤然增减的变化可以有效判断出钢管混凝土试件是否密实，以及定位到缺陷具体位置。

[0054] 如图2所示，本实施例中提供一种基于散射波法的钢管混凝土脱空检测方法，包括：

[0055] 第一步，根据钢管混凝土的结构形式，确定Chirp信号源激振点的位置以及测点的间距/个数。测点A1，A2，A3，…，An的间距采用最小二乘法进行确定。首先取间距α进行检测(α≤20cm)。

[0056] 第二步，在测试结构上将确定的测点进行标示定位，首先对标定的位置进行清洁，清洁工具采用微粉粒度号≤1000的砂纸。

[0057] 第三步，清洁后采用黄泥或黄油进行标示，不仅用于定位还作为耦合剂用于与传感器的粘结，厚度≤0.3mm。

[0058] 第四步，在Chirp信号源激振点的位置进行信号源发射，每个接收端接收的有效数据个数3‑5次。

[0059] 第五步，测点间距α检测完毕后进行频率色谱图分析，初步判定混凝土不密实区域，其中频率色谱图的频率幅值从低到高由深蓝色向深红色过渡，分阶为16种颜色，深蓝色区域频率值为0，深红色区域为峰值频率，频率色谱图的多种颜色紊乱反应出该测点频谱曲线具有复杂性，可能附近存在混凝土不密实区域；频率色谱颜色一致性反应出测试该测点频谱曲线具有单调性，该区域密实。

[0060] 第六步，根据第五步检测结果，缩小检测范围，对初步判定混凝土不密实区域进行间距α/2、α/4、α/8......检测，重复第二步至第五步。

[0061] 根据各测点峰值频率骤然增减的变化定位到缺陷具体位置。主频fm是通过频谱分析(傅里叶分析)得到传感器时域信号的一个特征参数。钢管混凝土缺陷定位检测时采用散射波法。沿钢管侧面等间距布置测点A1，A2，A3，…，An，在初始位置处激发已知的震源信号，同时在震源端放置Chirp信号发生器，另一检波器沿着测点方向依次移动接收不同的位置的散射波信号，通过分析信号频谱变化特征判断钢管混凝土是否存在缺陷，并确定其分布位置。测点A1，A2，A3，…，An的间距采用最小二乘法进行确定。首先取间距α进行检测(αsinθ1≤20cm)，发现缺陷后再进行α/2、α/4、α/8....进行缺陷检测，最终精确将缺陷沿钢管的纵向位置进行确定。

[0062] 第七步，调整Chirp信号源激振点以及测点的位置，重复第二步至第七步。

[0063] 达到检测目的，检测结束。

[0064] 本发明的一个应用实例中采用的钢管高度为120cm、直径为82cm、壁厚为1cm，浇筑混凝土为C50自密实混凝土。设置1个缺陷，缺陷厚度为3mm，缺陷弧长314mm，脱空弧度为45°，缺陷沿轴向长度为(与缺陷弧长度相同)314mm如图4所示，检测方法包括以下步骤：

[0065] 第一步，根据钢管混凝土的结构形式，确定Chirp信号源激振点的位置位于钢管顶，测点间距α＝10cm。

[0066] 第二步，在测试结构上将确定的测点进行标示定位，首先对标定的位置进行清洁，清洁工具采用微粉粒度号800的砂纸。

[0067] 第三步，清洁后采用黄泥或黄油进行标示，不仅用于定位还作为耦合剂用于与传感器的粘结，厚度≈0.2mm。

[0068] 第四步，在Chirp信号源激振点的位置进行信号源发射，每个接收端接收的有效数据个数3次。

[0069] 第五步，如图5所示测点间距α＝10cm检测完毕后进行频率色谱图分析，频率色谱图的频率幅值从低到高由深蓝色向深红色过渡，分阶为16种颜色，深蓝色区域频率值为0，深红色区域为峰值频率，频率色谱图的多种颜色紊乱反应出该测点频谱曲线具有复杂性，可能附近存在混凝土不密实区域；频率色谱颜色一致性反应出测试该测点频谱曲线具有单调性，该区域密实。

[0070] 第六步，对可能存在混凝土不密实区域进行间距α/2＝5cm检测，重复第二步至第五步。

[0071] 分析频率数据。如图6‑8所示主频fm是通过频谱分析(傅里叶分析)得到传感器时域信号的一个特征参数。通过观察各测点峰值频率骤然增减的变化可以有效判断出钢管混凝土试件是否密实，以及定位到缺陷具体位置。

[0072] 第七步，调整Chirp信号源激振点以及测点的位置，重复2‑6步骤。

[0073] 达到检测目的，检测结束。

[0074] 现有技术中采用的锤击信号使用成本经济低，作为震源能量较大、穿透能力较强，理论上具有可行性。但是在散射波法多测点定位检测的实际操作中作为触发震源并不稳定，接收频率会随着不同的人的敲击力度、角度、时间而改变，因此不易检测到缺陷位置，且需要一人触发信号另一人沿测点放置传感器接收信号，锤击信号更适合用于冲击回波法和透射波法定性检测中；本发明中采用的Chirp信号震源虽有一定的研发成本，但相比锤击信号，每次触发的能量以及频率都一致，因此更具有稳定性，且在电脑端自动触发更为方便快捷，仅需要一人独立便可完成触发与接收信号的操作，适用于散射波法多测点定位检测。通过观察频率色谱图是否具有稳定性、一致性可以初步判断管道是否有缺陷并定位到管道注浆缺陷的具体位置，极大减少了检测工作量。本发明仅需一个人即可操作，检测流程简单容易掌握。

[0075] 以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。