一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法，包括以下幾個(gè)步驟：在待測的橋梁結(jié)構(gòu)上布置傳感器和移動(dòng)荷載；將橋梁振動(dòng)頻率信號作為輸出信號，以symlets小波對信號進(jìn)行小波變換；分別作出時(shí)間-小波系數(shù)圖像和時(shí)間-瞬時(shí)頻率圖像，由此判定橋梁裂紋的存在位置、存在形式以及呼吸式裂紋的發(fā)展程度。本發(fā)明能夠同時(shí)判斷出橋梁結(jié)構(gòu)中呼吸式裂紋存在的位置以及開展程度，提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。
【專利說明】
一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及橋梁結(jié)構(gòu)無損檢測方法，尤其涉及了一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著對橋梁結(jié)構(gòu)安全性要求的不斷提高，橋梁結(jié)構(gòu)的無損檢測愈發(fā)的引起人們的高度重視，其中橋梁結(jié)構(gòu)的裂紋檢測一直是重中之重。橋梁結(jié)構(gòu)，尤其是大型特殊結(jié)構(gòu)的橋梁，在長期的使用過程中難免會(huì)產(chǎn)生裂紋，裂紋往往由于多種的影響因素綜合造成。
[0003]橋梁結(jié)構(gòu)中裂紋存在兩種開展形式，分別為張開式裂紋和呼吸式裂紋。其中，裂紋開展早期大多表現(xiàn)為呼吸式裂紋，呼吸式裂紋作為張開式裂紋的前兆，往往難以發(fā)覺并且缺乏特定的檢測設(shè)備，因此容易被忽視。如果橋梁結(jié)構(gòu)中存在呼吸式裂紋而未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，更沒有采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修措施，在橋梁結(jié)構(gòu)后續(xù)工作時(shí)，若橋梁結(jié)構(gòu)中呼吸式裂紋開展成張開式裂紋，會(huì)大大增加橋梁發(fā)生突然斷裂或倒塌的危險(xiǎn)性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決【背景技術(shù)】存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法，同時(shí)判斷出橋梁結(jié)構(gòu)中呼吸式裂紋存在的位置以及開展程度，提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法，包括如下步驟:
(1)在待檢測的橋梁結(jié)構(gòu)上布置至少一個(gè)加速度傳感器，并且在待檢測的橋梁結(jié)構(gòu)的開端處施加車輛移動(dòng)荷載作為激勵(lì)；
(2)接收加速度傳感器采集的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率信號f(t)，并對信號f (t)進(jìn)行小波變換；
(3)分別作出時(shí)間-小波系數(shù)圖像和時(shí)間-瞬時(shí)頻率圖像，所述時(shí)間-瞬時(shí)頻率圖像的是基于時(shí)間-小波系數(shù)圖像的一種變換，定義瞬時(shí)頻率為小波系數(shù)的平方值；
(4)根據(jù)時(shí)間-小波函數(shù)圖像判斷裂紋的開展位置:時(shí)間-小波系數(shù)圖像中的局部峰值點(diǎn)即對應(yīng)裂紋的開展位置；根據(jù)時(shí)間-瞬時(shí)頻率圖像，分析橋梁結(jié)構(gòu)中裂紋的存在形式，判定其中的呼吸式裂紋，并且計(jì)算出呼吸式裂紋處的瞬時(shí)頻率變化幅度；
(5)將計(jì)算出的呼吸式裂紋處的瞬時(shí)頻率變化幅度對照裂紋開展程度-瞬時(shí)頻率變化幅度圖像，得到呼吸式裂紋的開展程度。
[0006]步驟(I)中，所述加速度傳感器采用壓電式加速度傳感器。
[0007]步驟(I)中，所述加速度傳感器的頻率響應(yīng)范圍為0.2Hz^lkHz0
[0008]步驟(I)中，所述車輛移動(dòng)荷載的質(zhì)量為ΙΟΚΝ?ΟΟΚΝ，車輛移動(dòng)荷載的速度為Im/s?5m/s。
[0009]步驟(2)中，采用symlets小波對信號f (t)進(jìn)行小波變換。
[0010]采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果:
(1)本發(fā)明提供了一種基于小波分析的橋梁結(jié)構(gòu)呼吸式裂紋的檢測方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)橋梁工程無損檢測領(lǐng)域?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)呼吸式裂紋檢測的不足，提高了對橋梁結(jié)構(gòu)裂紋損傷的檢測力度和及時(shí)性；
(2)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程較為簡單，操作也較簡單，對各種檢測和處理的設(shè)備要求不高，易于實(shí)現(xiàn)；
(3)通過對待檢測橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的傳感器布置，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，大大提高橋梁檢測力度和預(yù)警的及時(shí)性；
(4)橋梁結(jié)構(gòu)呼吸式裂紋作為橋梁結(jié)構(gòu)張開式裂紋的開展前兆，通過本發(fā)明，可以清楚的判斷其存在，以及存在的位置和發(fā)展程度，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)養(yǎng)護(hù)和維修具有重要作用，也可大大提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明中車輛移動(dòng)荷載示意圖。
[0012]圖2Ca)是模擬橋梁結(jié)構(gòu)張開式裂紋存在時(shí)的模型的實(shí)測時(shí)間-小波系數(shù)圖。
[0013]圖2 (b)是模擬橋梁結(jié)構(gòu)呼吸式裂紋存在時(shí)的模型的實(shí)測時(shí)間-小波系數(shù)圖。
[0014]圖3 Ca)是模擬橋梁結(jié)構(gòu)張開式裂紋存在時(shí)的模型的實(shí)測時(shí)間-瞬時(shí)頻率圖。
[0015]圖3 (b)是模擬橋梁結(jié)構(gòu)呼吸式裂紋存在時(shí)的模型的實(shí)測時(shí)間-瞬時(shí)頻率圖。
[0016]圖4是裂紋開展程度與瞬時(shí)頻率變化幅度的關(guān)系圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0018]檢測時(shí)的車輛移動(dòng)荷載布置如圖1所示，移動(dòng)荷載形式為車輛荷載，質(zhì)量為100KN，速度為2m/s，分為前后輪，前后輪間距為6m。假定橋梁結(jié)構(gòu)模型的兩個(gè)三分點(diǎn)處存在裂紋，且裂紋形式相同，分別模擬橋梁結(jié)構(gòu)存在張開式裂紋和呼吸式裂紋兩種情況。
[0019]本實(shí)施例提供一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法，選用兩個(gè)完全相同的50m簡支梁(I號梁和2號梁)，梁的橫截面為矩形，長為lm，寬為0.5m,并且使得兩個(gè)梁在其兩個(gè)三分點(diǎn)處均存在裂紋，裂紋形式相同，I號梁存在張開式裂紋，2號梁存在呼吸式裂紋作，兩裂紋開展程度相同，均為10%的梁高，即1cm，加速度傳感器布置位置相同，如圖1所示。在本實(shí)施例中，加速度傳感器采用壓電式加速度傳感器，且傳感器的頻率響應(yīng)范圍為0.2Hz?1kHz。
[0020]在移動(dòng)荷載作用下，加速度傳感器將橋梁結(jié)構(gòu)的頻率信號傳遞至數(shù)據(jù)處理裝置，輸出的時(shí)間-小波系數(shù)圖像如圖2 (a)、圖2 (b)所示。兩幅圖像中均顯示出四個(gè)峰值，即分別在t=5.3s, 8.3s, 13.7s和16.7s處。前兩處峰值代表移動(dòng)荷載前后輪分別經(jīng)過第一個(gè)三分點(diǎn)處裂紋的情況，后兩處峰值代表移動(dòng)荷載前后輪分別經(jīng)過第二個(gè)三分點(diǎn)處的裂紋的情況。以車輛后輪為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)圖像峰值處對應(yīng)的時(shí)間以及移動(dòng)荷載的速度，計(jì)算出梁結(jié)構(gòu)中裂紋存在的位置分別為16.6m和33.4m處，這與模擬結(jié)構(gòu)中在三分點(diǎn)處存在裂紋情況相符。另外圖2 (b)比圖2 Ca)的小波系數(shù)波動(dòng)幅度更大，可以初步判定2號梁中存在呼吸式裂紋。
[0021]數(shù)據(jù)處理裝置輸出的時(shí)間-瞬時(shí)頻率圖像如圖3 (a)、圖3 (b)所示，很明顯的可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在張開式裂紋時(shí)，如圖3 (a)，其瞬時(shí)頻率幾乎不隨時(shí)間而變化；而當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在呼吸式裂紋時(shí)，如圖3 (b)，其瞬時(shí)頻率隨時(shí)間的變化而產(chǎn)生較大波動(dòng)。這就可以清楚的辨別橋梁結(jié)構(gòu)中裂紋的存在形式，即本實(shí)施例中I號梁中存在張開式裂紋，2號梁中存在呼吸式裂紋。
[0022]根據(jù)時(shí)間-瞬時(shí)頻率圖像，很容易得出呼吸式裂紋瞬時(shí)頻率的變化幅度(Hz)，其值為裂紋處瞬時(shí)頻率的最大值與最小值的差值的絕對值。2號梁中呼吸式裂紋存在處瞬時(shí)頻率的變化幅度為0.1Hz，對照圖4所示的裂紋開展程度與瞬時(shí)頻率變化幅度的關(guān)系圖，即可很清楚的得出裂紋開展的程度為10%的梁高。
[0023]當(dāng)判定橋梁結(jié)構(gòu)中存在呼吸式裂紋時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)輸出裂紋的位置和開展程度信息。
[0024]以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)在待檢測的橋梁結(jié)構(gòu)上布置至少一個(gè)加速度傳感器，并且在待檢測的橋梁結(jié)構(gòu)的開端處施加車輛移動(dòng)荷載作為激勵(lì)； (2)接收加速度傳感器采集的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率信號f(t)，并對信號f (t)進(jìn)行小波變換； (3)分別作出時(shí)間-小波系數(shù)圖像和時(shí)間-瞬時(shí)頻率圖像，所述時(shí)間-瞬時(shí)頻率圖像的是基于時(shí)間-小波系數(shù)圖像的一種變換，定義瞬時(shí)頻率為小波系數(shù)的平方值； (4)根據(jù)時(shí)間-小波函數(shù)圖像判斷裂紋的開展位置:時(shí)間-小波系數(shù)圖像中的局部峰值點(diǎn)即對應(yīng)裂紋的開展位置；根據(jù)時(shí)間-瞬時(shí)頻率圖像，分析橋梁結(jié)構(gòu)中裂紋的存在形式，判定其中的呼吸式裂紋，并且計(jì)算出呼吸式裂紋處的瞬時(shí)頻率變化幅度； (5)將計(jì)算出的呼吸式裂紋處的瞬時(shí)頻率變化幅度對照裂紋開展程度-瞬時(shí)頻率變化幅度圖像，得到呼吸式裂紋的開展程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法，其特征在于:步驟(I)中，所述加速度傳感器采用壓電式加速度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法，其特征在于:步驟(I)中，所述加速度傳感器的頻率響應(yīng)范圍為0.2Hz^lkHz0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法，其特征在于:步驟(I)中，所述車輛移動(dòng)荷載的質(zhì)量為10KN100KN，車輛移動(dòng)荷載的速度為lm/iT5m/S。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于小波變換的橋梁呼吸式裂紋的檢測方法，其特征在于:步驟(2)中,采用symlets小波對信號f (t)進(jìn)行小波變換。
【文檔編號】G01N29/12GK104165931SQ201410357871
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】張研, 楊迪, 蔣林華 申請人:河海大學(xué)