（固体力学专业论文）大体积混凝土结构裂缝检测与分析.pdf

摘要 本文主要针对大体积混凝土结构裂缝缺陷的无损检测方法展开 研究，综合讨论了混凝土结构缺陷检测的主要方法及其特点，总结 了国内外混凝土无损检测发展概况及存在问题。阐述了在信号分析 与处理方面所采用的新技术、新方法及其在工程中的应用情况。 根据大体积混凝土结构的特点，运用超声波法和冲击回波法进 行检测，获取了大量检测数据样本。采用基于b p 算法的神经网络原 理建立波速、声时及换能器与裂缝之间的距离同裂缝深度之间的输 入、输出关系模型，并通过实例进行了验证，得到了与实际情况相 一致的结果。 基于小波变换原理的特点，运用冲击回波法检测有裂缝缺陷的 混凝土结构，通过对采集到的信号进行小波变换分析，提取反映裂 缝缺陷的特征信息。研究结果表明，将小波分析方法应用于混凝土 结构的缺陷检测，使混凝土结构的特征信息更加明显，便于对缺陷 的判别和分析；小波分析在混凝土无损检测中具有较好的应用发展 前景。 论文最后总结分析了神经网络原理和小波分析方法在混凝土结 构无损检测中应用的特点及存在的问题，以及还需迸一步深入研究 讨论的问题。 【关键词】无损检测；神经网络；小波变换；超声波；冲击回波 a b s t r a c t t h en o n d e s t r u c t i v e d e t e c t i n gm e a n so fc r a c k si nb u l k yc o n c r e t e s t r u c t u r e sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r m o s t l y s y n t h e t i c a l l yd i s c u s st h e p r i m a r y m e t h o d sa n di t sc h a r a c t e ro ft h ec o n c r e t e s t r u c t u r e s f a u l t s d e t e c t i n g s u m m a r i z et h ed e v e l o p m e n ta n de x i s t i n g p r o b l e mo ft h e c o n c r e t es t r u c t u r e s n o n d e s t r u c t i v e d e t e c t i n g i ti se x p o u n d e dt h a tt h e n e wt e c h n i q u e s 、m e t h o d sa n dt h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o fs i g n a l p r o c e s s i n g f o rt h ec h a r a c t e ro ft h eb u l k yc o n c r e t es t r u c t u r e s ，ag r e a td e a lo f d a t ai so b t a i n e d b y t h eu l t r a s o n i ca n d i m p a c t e c h o n o n d e s t r u c t i v e d e t e c t i n gm e t h o d s u s i n gt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt h e o r yb a s e do n b a c k - p r o p a g a t i o na r i t h m e t i c ，t h e i n p u t o u t p u t r e l a t i o nm o d e lo f c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sa n dc r a c kd e p t hi s p u tu p t h ep a r a m e t e r s i n c l u d eu l t r a s o n i cs p e e d 、a r r i v i n gt i m ea n dd i s t a n c eb e t w e e n t r a n s d u c e r a n dc r a c k i ti s p r o v e db yt h ep r a c t i c a lp r o j e c tt h a tt h er e s u l ta c c o r d s w i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n b a s e d o nt h ec h a r a c t e ro f w a v e l e tt r a n s f o r m t h e o r y , t h e i m p a c t e c h om e t h o di su s e dt od e t e c tc r a c k si nc o n c r e t es t r i a c t u r e s t h e c o l l e c t e ds i g n a li sa n a l y z e db yt h ew a v e l e tt r a n s f o r m t h ec h a r a c t e r i s t i c i n f o r m a t i o no fc r a c k si s p i c k e do u t t h ei n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e a p p l i c a t i o n o fw a v e l e t a n a l y s i s t ot h e c o n c r e t es t r u c t u r e s ，f a u l t s d e t e c t i n g c a nm a k et h ef a u l tc h a r a c t e rm o r e c l e a r i ti sc o n v e n i e n tf o rt h e i i e s t i m a t i o no ff a u l t s s ot h ew a v e l e t a n a l y s i sh a sb e t t e ru s i n gf o r e g r o u n d i nt h ec o n c r e t es t r u c t u r e sn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i n g u l t i m a t e l y , t h ec h a r a c t e ra n de x i s t i n gp r o b l e mo f t h ea p p l i c a t i o no f n e u r a ln e t w o r ka n dw a v e l e t a n a l y s i s t ot h ec o n c r e t e s t r u c t u r e s n o n d e s t r u c t i v e d e t e c t i n g i s a n a l y z e d i nt h e p a p e r f u r t h e r m o r e ，t a l k a b o u tt h ep r o b l e mt h a tn e e d s t u a ym o r e k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i n g ；n e u r a ln e t w o r k ；w a v e l e t t r a n s f o r m ； u l t r a s o n i c ；i m p a c t e c h o i l l 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 混凝土是现代建筑工程中最主要的结构材料之一。由于设计缺陷、施工质量 控制不严、自然灾害或结构老化等原因，混凝土结构在使用过程中不可避免地存 在如裂缝、蜂窝、孔洞、磨损和侵蚀等损伤，危及整个结构的安全，这己成为世 界范围内关注的问题。美国2 0 0 1 年度基础设旖报告书中称有近l 3 i 2 的道路、 桥梁、建筑等基础设旖存在结构性损伤，其交通部报告每年有5 6 0 0 座桥梁被更 新；日本到2 0 2 0 年预计因结构损伤需要维修的桥梁将占到总数的1 2 ；据不完 全统计，我国3 1 0 0 多座大中型水库大坝中有1 2 4 8 座大坝( 其中大型1 5 0 座，中 型1 0 9 8 座) 、8 万多座小型水库大坝中，有不同程度病险问题的占到3 6 ；水利 部和国家电力公司2 0 世纪8 0 年代开始，有组织的对所属大坝进行有序的安全定 期鉴定或定期检查。我国建国初期所建的一大批工业与民用建筑，经过几十年 的使用，各种病害隐患普遍存在，许多已经严重老化，这将威胁到人民生命及财 产安全。因此，加强混凝土的质量监测与控制刻不容缓。 早在2 0 世纪3 0 年代初，人们就已开始探索和研究混凝土无损检测方法，并 获得迅速的发展。1 9 3 0 年首先出现了表面压痕法。1 9 3 5 年格里姆( g o r i m e t ) 、 艾德( j m i d e ) 把共振法用于测量混凝土的弹性模量。1 9 4 8 年施米特( e s c h m i d ) 研制成功回弹仪。1 9 4 9 年加拿大的莱斯利( l e s l i e ) 和奇斯曼( c h e s s m e n ) 、英 国的琼斯( r 7 0 n e s ) 等运用超声脉冲进行混凝土检测获得成功：琼斯使用放射 性同位素对混凝土密实度和强度进行检测。这些研究为混凝土无损检测技术奠定 了基础。随后，许多国家也相继开展了这方面的研究，如前苏联、罗马尼亚、日 本等国家在2 0 世纪5 0 年代都曾取得许多成果。2 0 世纪6 0 年代，罗马尼亚的弗 格瓦洛( i f s c a o a r u ) 提出用声速、回弹综合法估算混凝土强度的方法，为混凝 土无损检测技术开辟了多因素综合分析的新途径。同一时期，声发射技术被引入 混凝土检测体系，吕施( h r t l s c h ) 、格林( a t g r e e n ) 等人先后研究了混凝土 的声发射性能，为声发射技术在混凝土结构中的应用打下了基础。此外，无损检 测的另一分支一钻芯法、拔出法、射击法等半破损法也得到了发展，从而形成了 一个较为完整的混凝土无损检测方法体系。随着混凝土无损检测方法的日臻成 熟，许多国家建立了这方面的标准法规，我国也建立了相应的技术规范，国际标 坷海大学硕士学位论文 准化组织( i s o ) 也先后提出了回弹法、超声法、钻芯法、拔出法等相应的国际 标准草案。这些工作对混凝土结构无损检测技术的应用起到了良好的促进作用 2 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，这方面的工作方兴未艾，尤其值得注意的是，随着科 学技术的发展，无损检测技术已突破了原有的范畴，涌现出一批新的测试方法， 包括微波吸收、雷达扫描、红外热谱、脉冲回波等新技术。在对数据信号的处理 方面，随着小波分析、神经网络等理论的成熟，使得无损检测数据处理方法更加 丰富，对于强度和缺陷判别的准确性和精度明显提高。而且，测试的内容由强度 推定、内部缺陷探测等扩展到更广泛的范畴，其功能由事后质量检测，发展成事 前的质量反馈控制。这方面最有发展和应用前景的是结构健康监测与智能诊断系 统，它基于遗传算法、模糊数学及神经网络等先进的方法和理论。该系统有可能 把目前广泛使用的离线、静态、被动的检测转变为在线、动态、实时健康监测与 控制，将会导致结构安全监控和性能改善产生质的飞跃。鉴于此，结构检测近年 来已引起世界各主要发达国家的极大重视，列为优先发展的研究领域和优先培育 的2 1 世纪商新技术产业之- - 3 1 。 1 2 混凝土无损检测概述 混凝土无损检测是指在不破坏混凝土内部结构和使用性能的情况下，利用 声、光、热、电、磁和射线等方法，测定与混凝土力学性能有关的物理量，来推 定混凝土的强度、缺陷等。混凝土无损检测与常规的标准试块破坏试验方法相比， 具有下列特点 4 】： ( i ) 不破坏构件或建筑物的组织结构，不影响其使用性能，且简便快速； ( 2 ) 可直接在混凝土结构上作全面检测，能比较真实地反映混凝土的实际质 量和强度，可避免标准试块不能真实反映工程质量的缺点； ( 3 ) 能获得破坏试验不能获得的信息，如能检测内部空洞、疏松、开裂、不 均匀性，表层烧伤、冻害及化学腐蚀等。这些都是标准试块破坏试验无法代替的； ( 4 ) 标准试块破坏试验只能用于新建结构工程的混凝土质量检测，而无损检 测方法，对在建工程和现役建筑物都能适用； ( 5 ) 可进行非接触检测，如用红外线法、摄影法等，不需接触建筑物，减少 了搭脚手架等过程； 河海大学硕士学位论文 ( 6 ) 可进行连续测试和重复测试，使测试结果有良好的可比性； ( 7 ) 由于是间接检测，检测结果要受到其它因素的影响，检测精度要差一些。 目前，用于混凝土无损检测的方法很多，除了几种常规方法( 超声、回弹、 射线) 外，还有红外线、电磁波、声发射等方法。表1 1 为混凝土无损检测常用 方法及其原理分类表。 表1 1 混凝土无损检测常用方法及其原理分类表 检测目的方法名称测试量检测分析原理 钻芯法芯样的抗压强度局部区域的抗压、抗 拔出法拔出力拔或抗冲击强度换 压痕法、压力及压痕直径或深算成混凝土标准强 度度的换算值 射击法探针射入深度 嵌注试件法嵌注试件的抗压强度 混 回弹法回弹值根据混凝土应力应 超声脉冲法超声脉冲传播速度变性质与强度的关 凝 超声回弹综合法回弹值和声速系，将声速、回弹、 声速衰减综合法声速和衰减系数衰减等物理量换算 成混凝土标准强度 土 推算值 落球法( 脉冲回波振动参数根据振动参数与强 法) 度的关系，推算混凝 强 土标准强度 射线法射线的吸收和散射强根据吸收和散射强 度 度度与混凝土密实度 的关系，推算混凝土 标准强度 成熟度法度、时、积根据度、时、积与强 度的关系，推算混凝 土标准强度换算值 河海大学硕士学位论文 表1 1 ( 续) 超声脉冲法声时、波高、波形、频波的绕射、衰减、叠 率、反射回波加等 混 声发射法声发射信号、事件记声发射源的定位，声 凝 土 数、幅值分布能谱等发射的凯塞效应 内 脉冲回波法应力波的时域、频域图从时域、频域的综合 部 分析确定应力波的 缺 反射位置 陷 与 射线法穿透缺陷区后射线强不同介质对射线吸 损 度的变化收的差异 伤 雷达法雷达反射波不同反射物的雷达 程 度 波反射强度的差异 红外热谱法热发射缺陷区热发射强度 的变化 共振法固有频率、品质因数振动参数分析及其 敲击法固有频率、对数衰减率与混凝土弹性、非弹 性、脆性及耐久性之 间的关系 。 其 超声法声速、衰减系数、频谱应力波分析及其与 混凝土弹性、非弹性 他 等性质之间的关系 透气法气流变化孔隙渗透性 性 磁测法磁场强度钢筋对磁场的影响 电测法混凝土的电阻率及钢电阻率与含水率及 能 筋的半电池电位厚度的关系，及钢筋 锈蚀与半电池电位 的关系 射线法射线穿过钢筋区后的射线摄影分析 强度变化 4 河海大学硕士学位论文 中子教射法中子散射强度散射强度与氢原子 含量的关系 中子活化法b 射线与y 射线的强同位素和相应的稳 度、半衰期等定元素与射线特征 值的关系 1 3 混凝土无损检测的信息处理 运用应力波在混凝土中的传播特性来检测混凝土缺陷的方法( 超声波法、冲 击回波法等) 在混凝土无损检测中有着广泛的应用，在对缺陷的判别上大体经历 了经验法和数值判据法。 ( 1 ) 经验法 根据低频超声波在混凝土中遇到缺陷时的绕射现象，按声时及声程的变化 判别缺陷的存在和大小： 根据超声波在缺陷界面上产生散射，抵达接收探头时能量显著衰减的现象 判别缺陷的存在和大小； 根据超声脉冲波频率成分在遇到缺陷时衰减的程度不同，接收频率显著降 低，或接收波频谱与发射波频谱产生的差异判别内部缺陷： 根据超声波在缺陷处的波形转换和叠加，造成接收波形畸变的现象判别缺 陷【5 1 。这种方法受人的经验因素影响很大，而且不利于检测自动化、高速化和智 能化，显然已不适应现代工程检测的需要， ( 2 ) 数值判据法 为了减少人为因素的影响，许多学者对缺陷判别方法的数值化、定量化进行 了专门研究1 6 。数值判据法，即根据测试值经适当的数学处理后，找出可能存 在缺陷的临界值，作为判断的依据。为此，必须在测定的声参数和存在缺陷的可 能性之间，建立合理的数学或物理模型，以便找出适当的判据形式。目前已提出 的数值判据大致有四类： 概率法判据 该法是由我国南京水利科学研究院提出的。1 9 6 4 年，南京长江大桥正在施 工兴建，对铁路引桥的某些桥墩混凝土浇注质量有怀疑，南京水利科学研究院承 河海大学硕士学位论文 担了探测缺陷的检测任务。正是通过那次检测，首次提出了判断结构内部有无缺 陷的方法一概率判断法的雏形。基本思想是查出大面积网格测试值中的统计异常 值，出现该异常值的地方即为缺陷区。该判断方法后来经过完善、补充，列入了 国内各种规程中。概率判断法 8 , 9 a 0 1 使对缺陷的判断从无标准的经验判断上升为 统一的、科学的数据计算判断。 斜率与差值乘积判据( p s d 判据) 某些结构物，例如混凝土钻孔灌注桩、地下连续墙等，因施工时需灌注水下 混凝土，由于施工因素的影响，往往导致均匀性较差，数据较离散，这时若以数 据标准差为依据检出异常点有可能出现漏判。针对这些特殊构件，提出了在连续 测量的沿线上声时曲线的斜率与相邻测点声时差值的乘积判据，简称p s d 判据。 其基本思想是在缺陷区往往存在材料不连续或材料性能的变异，因此在缺陷区的 边缘声参数必然产生明显变化，导致该点声时曲线斜率增大，据此判断缺陷的存 在、性质和大小。 多因素概率法判据( n f p 判据) 概率法和斜率与差值乘积都以单一声学参数组成判据，但研究证明，若采用 多项参数( 如声时、波幅、频率等) 进行缺陷综合判断，则可提高判断的灵敏性和 可靠性；基于这一思想，铁道部大桥局科研所提出一种客观因素( 声时、波幅、 频率) 概率分析法，简称综合判定法或n f p 判据。它将上述三个参数组成一个综 合参数，并分析了综合样本的概率分布函数，然后在该概率密度函数的基础上对 样本中的异常值做出判断。 多因素模糊综合判据 多因素概率法虽然综合了三个因素，但对三个因素在判断中的权数分配末予 以充分考虑，容易造成误判。为此，提出了多因素模糊综合判断，即采用模糊数 学的方法对各参数权数进行合理分配，列出因素集和评判集，并通过模糊变换做 出综合判断。 缺陷无损检测的数值判断是一个十分活跃的研究领域。可以预料，随着缺陷 判断理论和实践深入会有更多的判据形式出现。这种方法能对大量测试数据做出 明确的定量的判断。由于计算工作量大，一般都由计算机完成。数值判据使混凝 土测缺技术由原先经验性的判断方法变成了根据实测数值的定量判断，无疑是一 6 河海大学硕士学位论文 大进步。 以上己利用声时、波幅、频率等信息作为混摄土缺陷的判据。但是，这些信 息只是超声波时域范围内的信息。为了提高超声检测的可靠性，岿须尽可能多地 获取接收信号中所带有的各种信息。信息处理技术的运用解决了这一问题。信息 处理与数据处理的含义有所不同。数据处理一般是指对大量测试数据的分析和处 理，从中找出有关的规律，它比较多地运用数理统计的知识，例如缺陷判断的各 种数值判据等都属于数据处理的范畴。而信息处理技术则是指对所获取的信号的 变换、分离、滤波、分析、存贮、记录等方面的技术。信息处理技术在缺陷检测 中的原始运用，就是早期利用接收波波形进行缺陷判断。但由于影响的因素很多， 很难简单地直接从波形做出判断。为此，又提出了直接在接收波形上测读频率或 直接通过波形观察捡出相位 和频率变化点，用以分析一次振源波及二次振源波 的叠加信号，作为缺陷判断的依据。这些方法比波形的简单形状观察又进了一步； 但这种处理方法仍然是初级的。近年来计算机在无损检测中已大量运用，因而为 信息处理打下了基础，许多信号处理方法正进入混凝土无损检测领域，例如时域、 频域分析已用于脉冲回波法检测；功率谱密度分析已用于超声脉冲检测。如单远 铭等对超声脉冲接收信号进行了频谱分析，提出一个频谱畸变系数d x y 作为缺陷 判据，并在畸变系数的三维图上用等高线投影显示缺陷的形状1 1 2 - 1 4 。信息处理技 术在无损检测中的运用，还有待进一步开拓。 1 4 混凝土无损检测技术研究现状 混凝土结构无损检测技术是多学科紧密结合的高技术产物。现代材料科学、 应用物理学及固体力学的发展为混凝土无损检测技术奠定了理论基础，现代电子 技术和计算机科学的发展为其提供了现代化的测试工具，同时现代土木工程中迅 速发展的新设计、新材料、新工艺又对无损检测技术不断提出新的更高要求。所 以，无损检测已成为混凝土测试技术体系中一个重要的组成部分，是建筑工程测 试技术现代化的重要发展方向。 近年来，在该领域的研究工作蓬勃发展，成果丰硕。现从以下几方面对无 损检测技术的研究现状及存在问题作简要的讨论。 ( 1 ) 基本理论 无损检测技术必须建立在混凝土的某些性能指标与适当物理量之间的相互 河海大学硕士学位论文 关系的基础上。为寻找与该性能指标密切相关，而且又能在结构上用无损检测的 方法直接测量的物理量，往往采用两种方法。一种是归纳法，就是在大量试验的 基础上，用回归分析的方法确定它们之间的经验关系。这种方法工作量比较大， 常带有盲目性。而且由于试验条件及原材料等众多因素对试验结果有一定的影 响，所得的经验关系往往只局限于某种条件或某一地区，而没有广泛的适用性。 另一种是演绎法，就是根据性能指标与某些物理量的理论联系进行逻辑推演，从 理论上确定它们之间的关系，然后再通过适当的试验进行验证。这种方法所得的 关系往往是以基础科学的基本原理为理论依据，因而具有较好的适用性。但要进 行这种推演必须建立在理论指导的基础之上。由于混凝土材料的特殊性，这方面 的理论依据较少，丽且往往是建立在假设的基础之上。同时，要在混凝土结构现 场检测的各种试验方法中，都采用演绎法建立基本关系是有困难的。因此，目前 在上述两种方法中使用较多的仍然是前一种方法。近年来随着基础科学的发展， 为混凝土性能与相关物理量之间理论关系的研究奠定了基础。 目前，混凝土结构无损检测基础理论方面的研究主要集中在两个方面，其一 是混凝土强度理论及无损检测常用物理量的关系：其二是混凝土结构中波的传播 机理。 总而言之，混凝土结构无损检测技术是一门多学科综合的应用技术，只有将 基础理论与工程实践结合起来，才能完善现有方法和开辟新的途径。 ( 2 ) 检测方法 近年来，混凝土结构的无损检测方面( 主要是裂缝检测) 并无新的重大突破。 目前最常用的缺陷检测方法是超声脉冲法，通常使用超声波穿过缺陷区时的声 时、波幅、波形的变化作为判断依据；或者是对接收波形信号进行频谱分析，建 立频谱与缺陷的关系，使通常的波形观察量值化，该方法在实际工程中已有较多 的应用 1 5 - 2 2 1 。值得注意的是：在混凝土结构裂缝深度检测中利用超声波首波相位 反转的方法来判断裂缝深度 “】。该方法能够较快、较方便和较准确的估算出裂缝 的深度，而且可以采用对称和不对称法布置换能器，使得检测更具灵活性，在实 际工程检测中有较好的应用价值。 ( 3 ) 检测仪器 随着测试方法和电子技术的发展，混凝土结构无损检测仪器也发展到了一个 新的水平a 超声仪从模拟电路到数字电路，接收部分变成一个完整的瞬态数据采 河海大学硕士学位论义 集系统，并外加数字延时触发及信号叠加增强等功能。激发振源除了小功率发射 外，还有大功率振源，如电火花、锤击和爆炸等。除了进行数据采集之外，还可 以直接进行一些简单的数据处理，随着电子技术及计算机技术的发展，这种处理 能力会越来越强大。传感器系统也越来越完善，高灵敏度及抗干扰能力强的传感 器相继出现，大大提高了检测的精度和效率。 ( 4 ) 信息处理 近年来，对于无损检测技术信息处理方面的研究工作日益受到人们的重视。 特别是在信息处理的研究方面开展了许多工作，取得了一些有价值的成果。在目 前试验条件下，如何更好地对采集到的信号进行有效的分析，以获得所需的关于 混凝土结构缺陷的特征信息，是目前研究的热点。这实际上就是无损检测技术中 的特征因子提取技术。传感器采集的原始信号，一部分可以直接利用，如频率、 振型和位移等，但大部分很难直接利用，再加上噪声及测量误差等因素的影响， 使得原始信号无法反映结构的真实情况，因此必须利用信号分析与处理技术才能 得到敏感反映结构状态的特征因子。滤波技术、频谱分析技术是传统的信号处理 技术。近年来出现的数字滤波技术、自适应滤波技术、小波分析技术等大大丰富 了信号处理技术的内容，特别是小波分析技术，它不仅适合分析平稳信号，而且 适合分析非平稳信号。从根本上讲，小波分析有望取代传统的傅立时分析技术。 另外，近年来发展起来的分形几何技术及模糊技术，也为信号处理提供了崭新的 手段。由于特征因子提取的重要性，信息处理中每一种新技术的运用，都是对无 损检测技术的一次重大推动【3 1 。 值得注意的是，以并行信息处理为特征的人工神经网络在数据处理中的应 用。人工神经网络具有很强的容错性、鲁棒性和泛化能力，这使得它在利用特征 因子对混凝土结构缺陷进行判断方面有极大的优势。因此，用神经网络和小波变 换解决混凝土结构损伤数据处理问题，对信号进行预处理和故障特征提取，并通 过定的方法适当地增大神经网络的规模，以提高判别精度，将有十分广阔的应 用前景。 l 5 本文研究的主要内容 本文主要针对大体积混凝土结构裂缝缺陷的无损检测方法展开研究，主要进 行以下几个方面的工作： 河海大学颈士学位论文 ( 1 ) 综合讨论了混凝土结构缺陷检测的主要方法及其特点，总结了国内外混 凝土无损检测发展概况及存在问题。阐述了在信号分析与处理方面所采用的新技 术、新方法及其在工程中的应用情况。 ( 2 ) 开展了混凝土结构裂缝检测的实验研究。针对大体积混凝土结构的特点， 运用超声波法和冲击回波法进行检测，获取了大量检测数据样本，为下一步进行 缺陷分析识别提供了实测依据。 ( 3 ) 研究讨论了人工神经网络方法的基本原理及其工程应用。基于b p 算法 的神经网络，采用类似于“黑箱”的方法，利用现场实测到的试验数据，在人工 神经网络中建立波速、声时及换能器与裂缝之间的距离同裂缝深度之间的输入、 输出关系模型，编制了相应程序，并通过实例进行了验证，得到了与实际情况相 一致的结果。 ( 4 ) 基于小波变换的多分辨率分析的特点，运用冲击回波法检测有裂缝缺陷 的混凝土结构，通过对采集到的信号进行小波变换分析，提取反映裂缝缺陷的特 征信息。从研究的结果可以看出，将小波分析方法应用于混凝土结构的缺陷检测 可以使混凝土结构的缺陷特征更加明显，对缺陷的判别更加准确。小波分析在混 凝土无损检测中具有较好的应用发展前景。 ( 5 ) 针对混凝土结构的复杂性和检测环境、边界条件等的不确定性对检测的 影响，讨论了神经网络原理和小波分析在混凝土结构无损检测中应用的特点及存 在的问题，提出了进一步深入研究的工作方向。 河海大学硕士学位论文 第二章混凝土裂缝检测方法与研究 2 1 概述 随着科学技术的发展，混凝土被越来越多地用来建筑各类水工建筑物。水工 混凝土建筑物，有的构成水利枢纽的主体，如三峡大坝；有的作为水利枢纽的一 部分，如溢洪道、取水塔等。它们无不担负着重要的历史使命。 水工混凝土建筑物，矗立在江河之上，身系人民生命财产的安全，它们的质 量优劣对人类的生存与幸福有着极其密切的联系。自建国以来，我国修建了大量 的水电站大坝、水库等水工建筑物。随着时间的流逝，这些水工建筑物逐渐出现 老化、大坝防洪标准降低以及混凝土裂缝等隐患。 水工混凝土缺陷常见种类及其危害性： ( 1 ) 裂缝 裂缝是最常见的混凝土缺陷之一，其对建筑物的危害很大，严重的会恶化结 构应力状态，破坏其整体性和抗渗性，危及建筑物的安全运行，轻微的也会影响 建筑物的耐久性和美观，有的还会发展成为严重裂缝。 ( 2 ) 内部架空 内部架空是一种隐蔽性缺陷，它的存在将降低混凝土的密实性、抗渗性、抗 冻性、强度和容重。当架空与止水相通时，会导致漏水：出现在受力钢筋附近时， 会降低混凝土对钢筋的握裹力，靠近溢流面时，易招致溢流面磨损和气蚀破坏。 ( 3 ) 表面不平整与空蚀磨损 这类缺陷主要有蜂窝麻面、外形尺寸走样、高低不平和错台、陡坎、磨损、 冲槽、冲坑、气蚀坑、气蚀洞等。此类缺陷轻则影响建筑物的美观性，重则影响 建筑物的泄流性能，危及建筑物的安全运行。 ( 4 ) 渗漏溶蚀和化学侵蚀 坝体渗漏亦是常见的混凝士缺陷，它给水工混凝土建筑物带来了一系列的不 利影响，危及建筑物的安全运行，会使建筑物产生溶出性侵蚀，即外渗水将水泥 中的c a o 溶化析出，变成氢氧化钙，形成碳酸钙结晶等溶蚀状态，从而使混凝土 的强度下降。 ( 5 ) 低强混凝土 低强混凝土是指混凝土硬化后，达不到相应龄期的设计强度，它给建筑物带 河海大学硕士学位论文 来极大的隐患，影响结构物的整体强度，降低了结构物的使用寿命。 ( 6 ) 此外混凝土的缺陷还有冻融破坏、海水侵蚀等等，这在我国北方寒冷地 区和沿海地区修建的水工建筑物经常遇到。冻融破坏会产生由表及里的层状疏松 损伤，影响混凝土的整体性| ：2 3 。 水工混凝土体积庞大，受自身和周围介质的影响，在温度、湿度变化和周边、 基础约束的作用下，会产生很大的约束力，容易产生裂缝。但是引起裂缝的原因 是非常复杂的，客观诱发因素很多，尽管多年来世界各国都很重视对裂缝成因的 研究，已掌握了裂缝发生的一些规律，但至今还没有完全摸透。一般来说，裂缝 成因主要有以下几个方面。 ( 1 ) 混凝土热学、力学性能的影响 混凝土的热学性能包括导热系数、导温系数、比热、热膨胀系数、绝热升温 等。其中导热系数、导温系数、比热变化不大，对温度应力影响较小，对裂缝的 产生也影响不大。对裂缝的产生影响较大的是热膨胀系数、绝热升温。热膨胀系 数直接关系到温度收缩应力，它与骨料的岩性关系很密切：绝热升温则主要取决 于水泥品种和混凝土配合比，是采用低热水泥还是普通水泥、混凝土中水泥用量 是多还是少，对温度应力和裂缝产生的机率大不一样。 混凝的力学性能，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、极限拉伸值、徐 变度、自身体积变形等：抗拉压强度、弹性模量、极限拉伸值对裂缝的产生影响 已为大家所共识，自身体积变形对裂缝的影响也越来越受到重视。自身体积变形 值主要取决于水泥中的矿物成分，水泥品种不同，自身体积变形有正有负，为正 表示体积膨胀，有利于防止裂缝，为负表示体积收缩会给大体积混凝土裂缝带 来不利影响。 ( 2 ) 环境的影响 虽然混凝土本身质量较好，均匀性也好，但是如果置它们于恶劣的环境中 也可能产生裂缝。例如混凝土在早龄期遇到寒潮袭击又无保护措施时，就会产生 批裂缝。环境的影响是多方面的，除寒潮外，早龄期受洪水进仓、干缩等也常 是造成裂缝的原因。因而不仅寒冷地区应高度重视，就是温和地区、甚至亚热带 地区也不能掉以轻心。 ( 3 ) 结构形式与分缝分块的影响 河海大学硕士学位论文 结构形式不当、体积复杂、孔洞较多等会使结构出现较多的应力集中区，无 疑为裂缝的产生提供了机会。我国建造的许多宽缝重力坝、大头坝、支墩坝等， 由于坝面复杂多变、暴露面多，都查出了大量的裂缝，而暴露面少的坝型，如实 体重力坝、拱坝等，实践表明能减少裂缝发生的机率。分缝分块不合理，也容易 带来裂缝。 ( 4 ) 基岩约束的影响 一般基岩的弹性模量约为( 1 3 ) 1 0 4 m p a ，虽不是完全刚体，但对浇注块也 有相当的约束。基岩约束的存在，形成大面积的拉应力区，常常使许多表面裂缝 发展成基础贯穿裂缝，同时也可能在混凝土内部造成基础贯穿裂缝。 除基岩约束外，老混凝土的约束也是造成裂缝的不容忽视的主要原因，从造 成裂缝来看，老混凝土约束与基岩约束有类似的作用。 ( 5 ) 施工工艺的影响 施工工艺低下是大体积混凝土产生裂缝的最重要原因之一。往往有些工程混 凝土的原材料的品质不错，但搅拌、运输、平仓振捣、养护和表面保护等环节上， 未能重视和严格控制，造成混凝质量差、强度不均匀、暴露时间长等，降低了 混凝土抗裂能力，在不很大的温度应力下产生裂缝。 ( 6 ) 工程运行的影响 工程运行不当也会产生裂缝，不过大部分运行以后产生的裂缝多与设计、施 工密切相关。 水工混凝土的缺陷及损伤往往会严重影响水工混凝土建筑物整体性、耐久 性，使其整体承载能力严重降低，缩短了建筑物的使用寿命。为了应用损伤断裂 力学理论对结构作强度分析和校核，并为改建、加固设计提供基本的强度参数和 其它设计依据，必需探明损伤的部位、大小和性质。因此，水工混凝土结构的损 伤诊断在事故处理、新建工程质量控制、施工验收、旧建筑物安全性鉴定、进行 维修与加固等方面具有无法替代的作用。目前国内外学者已应用各种理论对损伤 的识别诊断问题进行了深入的研究，并且已有不少测试技术已应用于工程实践中 2 4 j 。 一般混凝土大坝和水工结构体积庞大、结构复杂，在结构的裂缝部位，通常 只有一个可测的临空表面。因此，在实际工程中，超声波平测法和冲击回波法是 型塑查兰堡主兰堡堕苎 较常用的两种混凝土缺陷检测方法。 2 2 超声波平测法原理 对水工大体积混凝土结构，当在裂缝部位有一个可测的临空界面时，可采用 单面平测法来进行检测。单面平测法是在裂缝的被测部位，以不同的测距，用跨 缝和不跨缝布置测点进行检测。先将t 、r 换能器( t 为激发端，r 为接收端) 置于裂缝同一侧，以两个换能器不同内边缘间距( ，) 分别读取声时值( f j ) ，通 过平测“时一距”曲线或用统计方法求出每测点超声波实际传播距离和混凝土声 速值v 。跨缝平测时的裂缝深度可按下式计算 2 】 叱= i ( 2 1 ) 脚n = 糕叱 ( 2 2 ) i ，= f 一目 ( 2 3 ) 式中：兄厂第i 点计算的裂缝深度；d l 第i 点跨缝平测时的声时值； 一 第i 点的超声波实际传播距离；f ，换能器内边缘之间的距离；盯一声程的 综合修正值；坍 广一各测点计算裂缝深度的平均值；行一测点数。 图2 1 为平测“时一距”图，图2 2 为单面平测法跨缝测试示意图。计算时 考虑声程的综合修正值a ，是因为声时读取过程中存在一个声时初读数及首波信 号并非沿混凝土表面直接传播等带来的综合误差。 恤) 图2 1 平测“时一距”图图2 2 裂缝测试示意图 跨缝测量时，当在某测距发现首波相位反转时，可用该测距及两个相邻测距 的测量值按( 2 。1 ) 式计算，取此三点的平均值作为该裂缝的深度值，如测量中难 河海大学硕士学位论文 于发现首波相位反转，则将各测距与m h 。相比较，凡测距小于和大于3m h c ， 应剔除该组数据，然后取余下的以，的平均值作为该裂缝的深度值。 基于超声波直线传播的平测法在工程上具有鞍广泛地应用。丽实际上，由于 混凝土材料是非均质的，超声波并非是完全直线传播，同时由于裂缝界面上声阻 抗发生突变，在裂缝末端发生波形转换等原因，使得超声波发射与接收之间的关 系表现出复杂性和不确定性，影响测试精度。而基于神经网络的无损检测方法在 处理这种不确定情况时具有自己独特的优势，因而有很好的应用前景。 2 。3 冲击回波法检测原理 在混凝土的缺陷无损检测研究中，冲击回波法是一种简便易行、适合于现场 操作的检测方法。冲击回波技术( i m p a c t e c h om e t h o d ，简称i e 法) 是2 0 世纪8 0 年代由美国c o r n e l l 大学与国家标准技术研究院提出的并且被证明是一种全方 位的技术。此项技术中，应力波在物件内部产生共振，由共振频率来计算缺陷位 置及物体厚度等。加拿大马尔霍察在1 9 8 4 年国际现场混凝土无损检测会议论文 集的综述中，曾把冲击回波法列为“最有发展前途的现场检测方法之一”。在国 内，南京水利科学研究院对此项技术也进行了一定的研究工作。在冲击回波 中，利用小钢球冲击混凝土表面产生冲击应力脉冲，脉冲包括纵波( p 波) 、横波( s 波) 和表面波( r 波) ，表面波沿表面传播，p 波和s 波沿球面波阵传入物体，在内 部缺陷和物体边界处反射，反射的波传回顶端，在顶端表面，波再次反射传入物体 这样由于波在上表面和内部缺陷或外部边界之间多次反射形成谐振条件，从而使 波形具有周期性特征，这种周期性在幅值谱中表现为对应缺陷或边界深度的频率 峰值。用快速傅立叶变换( f f t ) 将时域波形转换为幅值谱，从而获得换能器接 收到的纵波频率。 如果己知混凝土内部纵波速度为c 。，则内部缺陷或外边界的深度h 为【2 6 】 r 日= - ( 2 4 ) 立1 式中：厂为反射纵波的f f t 的主频率。 该公式适用于混凝土与声阻抗低于混凝土材料间的界面，如混凝土空气界 面或者混凝土水界面。 对于混凝与声熙抗高于混凝材料的界面，如混凝土钢界面，则采用以 堡塑查兰堡兰竺堡苎 f 公式 日：生 ( 2 5 ) 4 i 由于不同界面存在着不同的纵波反射形式，所以采用的计算公式有所不同。 如果下层材料的声阻抗低于上层纵波入射材料的声阻抗( 如混凝土气界面) ，反 射后的应力波将改变符号，即入射纵波在界面处由压缩波反射为拉伸波。图2 3 为在混凝土板上进行冲击回波的示意图。其中实线代表压缩波，虚线代表拉伸波。 冲击源在混凝土内部激发压缩波，并在混凝土空气界面反射为拉伸波，该拉伸 波在上表面再次反射为压缩波，如此反复进行。图2 4 为位移波形示意图，应力 波在上下表面来回反射，相同位移间的间隔为丁= 等( 日为板厚) ，其倒数即 为反射波的主频厂，对应于公式2 4 。 押面探 ! 气， kll 琵土 - ， 、 空气 2 p4 p6 p8 p l iii vv vv h v ，2 h = sc 。 图2 3 冲击回波示意图图2 4 位移波形示意图 如果下层材料的声阻抗高于上层纵波入射材料的声阻抗( 如混凝土钢界 面) ，则反射后的应力波在界面处不改变符号。图2 5 为钢基混凝土板进行冲击 回波实验的示意图。图2 6 为其位移波形图。应力波在混凝土钢界面符号不发 生改变，而在混凝土空气界面符号发生改变。因此，相同位移间的间隔为r 2 筹 ( 日为板厚) ，其倒数即为反射波的主频厂，对应于公式2 。5 。 河海大学硕士学位论文 2 p4 p6 p8 p 入f入f v 塞讥 s 图2 5 冲击回波示意图 图2 6 位移波形示意图 同时，还要考虑反射波的幅值。两种材料声阻抗的不同决定了界面上反射波 的能量的大小，从而决定了用冲击回波法能否探测到该界面。由于水的声阻抗要 比空气的声阻抗大的多，因此，混凝土空气界面反射波的能量要大于混凝土水 界面反射的能量，从而导致在混凝土空气界面的情况下对于缺陷和边界深度的 判断明显好于混凝土水界面。 河海大学硕士学位论文 第三章人工神经网络原理及其应用 3 1 概述 研究人类智能一直是科学发展中最有意义、最激动人心，也是最富有挑战性 的课题。人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k - - a n n ) ，简称为“神经网 络”，作为对人脑最简单的一种抽象和模拟，是探索人类智能奥秘的有力工具。 人工神经网络采用类似于“黑箱”的方法，通过学习和记忆而不是假设，我出输 出和输入变量之间的非线性关系( 映射) ，在执行问题和求解时，将所获取的数 据输入给训练好的网络，依据网络学到的知识进行网络推理，可以得到合理的答 案与结果。因而人工神经网络被广泛地应用于模式识别、图像信号处理等领域 2 7 1 。神经网络技术作为智能科学的领头羊，是近年来发展起来的- - i 十分活跃 的交叉学科。它涉及生物、电子、计算机、数学、物理等学科，有着广泛的应用 前景。 神经网络的研究始于2 0 世纪4 0 年代。大致经历了以下三个阶段1 2 8 】： ( 1 ) 初始发展阶段( 1 9 4 3 年1 9 6 0 年) 。1 9 4 3 年，心理学家w s m c c u l l o c h 和数学家w p i t t s 在研究生物神经元的基础上提出了一种简单的人工神经元模 型，即后来所谓的“m p 模型”。虽然“卜p 模型”过于简单，只能完成一些简 单的逻辑运算，但它的出现开创了神经网络研究的先河。在这之后，一系列的关 于神经元及神经网络的模型、学习算法被提出，引起了学术界的极大兴趣。 ( 2 ) 低潮阶段( 2 0 世纪7 0 年代) 。由于冯诺依曼数字计算机出色的性能表 现和各种以数字计算为研究基础的人工智能理论的日臻完善，使得人们渐渐对人 工神经网络理论的研究失去了往日的热情。神经网络理论的研究在这个时期一直 处于低潮。 ( 3 ) 复兴及发展高潮阶段( 2 0 世纪8 0 年代至今) 。1 9 8 2 年和1 9 8 4 年生物物 理学家j o h n j h o p f i e l d 博士先后发表了两篇十分重要的论文，在他所提出的 h o p f i e l d 网络模型中首次引入网络能量的概念，并给出了网络稳定性判据。掀 起了神经网络研究的热潮。误差反向传播算法即b p 算法也是在这时期提出的。 3 2 人工神经网络原理 b p 神经网络是指基于误差反向传播算法( b a c k p r o p a g a t i o n 算法) 的多层前 河海大学硕士学位论文 向神经网络，它是d e r u m e l h a r t 和j l m c c e l l a n d 及其研究小组在1 9 8 6 年研究 并设计出来的。b p 算法已成为目前应用最为广泛的神经网络学习算法，据统计 有9 0 的神经网络应用是基于b p 算法的。b p 神经网络神经元采用的传递函数 通常是s i g m o i d