способ контроля качества строительных конструкций

Формула изобретения

1. Способ контроля качества строительных конструкций, например обделок и облицовок гидротехнических туннелей, заключающийся в возбуждении и регистрации на поверхности исследуемой конструкции упругих колебаний, их усилении, преобразовании в цифровой код, записи на носитель информации, измерении параметров принятых колебаний и затем определении качества конструкции, отличающийся тем, что регистрацию возбужденных колебаний проводят в расположенной на поверхности исследуемой конструкции сети пунктов приема, приемники колебаний (датчики), установленные на этих пунктах, вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные скорости смещения поверхности конструкции, и по совокупности полученной информации формируют начальное приближение модели дефекта, которое путем сравнения полученных параметров с модельными последовательно улучшают до достижения заданной точности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что начальное приближение модели формируют на основе структуры параметров сигнала методом кластерного анализа при отсутствии эталонной точки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что начальное приближение модели формируют на основе структуры параметров сигнала методом кластерного анализа при наличии эталонной точки, полученной по данным бурения или каким-либо другим способом.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что введение в исходную модель поправок осуществляют изменением соотношения характерных размеров исходной модели, например сторон прямоугольника, полуосей эллипса.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что введение в исходную модель поправок осуществляют добавлением к исходному контуру единичной площадки, например, квадратной формы, и ее перемещением вдоль контура.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для диагностики железобетонных строительных конструкций, обделок и облицовок гидротехнических туннелей.

Известен акустический способ неразрушающего контроля качества изделий из многослойных материалов [1]. В контролируемом многослойном изделии вибраторами периодически синхронно возбуждают в двух точках упругие затухающие колебания. Расположенным между вибраторами приемником принимают колебания и измеряют фазовые характеристики частотного спектра. По амплитуде взаимно корреляционной функции измеряемых фазово-частотных характеристик определяют качество изделия.

Недостатком данного способа является то, что контролировать можно только частоту колебаний или фазовые характеристики частотного спектра, и тем самым судить лишь о наличии дефекта в контролируемом изделии, но не о его форме и параметрах.

Известен также способ контроля дефектности изделия [2]. В контролируемом изделии ударом возбуждают упругие колебания, принимают собственные колебания изделия, измеряют параметры этих колебаний и с учетом этих параметров определяют дефектность изделия. Причем колебания возбуждают в определенной точке контролируемого изделия, принимают в двух различных точках и измеряют амплитуды в этих точках на собственных частотах, а по величине отношений амплитуд определяют дефектность изделия.

Данный способ принят за прототип. Недостатком прототипа является то, что по измерению амплитуды колебаний в определенных точках контролируемого изделия можно определить лишь дефектность изделия, но нельзя очертить контуры дефекта.

Задачей изобретения является повышение точности и надежности определения геометрических параметров - размеров и формы дефектов обделок и облицовок гидротехнических туннелей, других строительных конструкций.

Поставленная задача решается следующим образом: на поверхности исследуемой конструкции возбуждают и регистрируют упругие колебания, усиливают их, преобразуют в цифровой код, записывают на носитель информации, измеряют параметры принятых колебаний, а затем определяют качество конструкции. При этом регистрацию возбужденных колебаний проводят в расположенной на поверхности исследуемой конструкции сети пунктов приема. Установленные на этих пунктах приемники колебаний (датчики) вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные скорости смещения поверхности конструкции, и по совокупности полученной информации формируют начальное приближение модели дефекта, которое путем сравнения полученных параметров с модельными последовательно улучшают до достижения заданной точности. Начальное приближение модели как при наличии, так и при отсутствии эталонной точки (по данным бурения или каким-либо другим способом), формируют на основе структуры параметров сигнала методом кластерного анализа. Введение в исходную модель поправок осуществляют изменением соотношения характерных величин исходной модели, например, сторон прямоугольника или полуосей эллипса. Кроме того, введение в исходную модель поправок осуществляют добавлением к исходному контуру единичной площадки, например, квадратной формы, и ее перемещением вдоль контура.

Способ контроля качества строительных конструкций реализуется с помощью устройства, изображенного на фиг.1.

На фиг.2 показан этап сравнения зарегистрированного сигнала с модельным для одной из точек наблюдений.

Устройство содержит источник возбуждения колебаний 1, сеть приемников колебаний 2, усилители 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, ЭВМ 5. Приемники колебаний (датчики) вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные скорости смещения поверхности конструкции. Сигналы усиливаются и поступают на АЦП, где преобразуются в цифровой код и записываются на носитель информации.

Затем с помощью ЭВМ проводится обработка, интерпретация и оформление результатов измерений.

На обследуемом участке конструкции выполняют следующие операции. На основании априорных данных и опыта работ определяют детальность измерений и производят разметку участка. Определяют и обустраивают места расположения пунктов возбуждения колебаний и их регистрации. Импульсным воздействием (ударом, взрывом, электромагнитным импульсом или иным способом) возбуждают упругие колебания и регистрируют возбужденные колебания в сети пунктов приема, расположенных на поверхности исследуемой конструкции. Регистрируют дополнительную информацию, как то: координаты пунктов возбуждения колебаний и их регистрации, параметры записи сигнала, условия выполнения измерений.

После возбуждения колебаний на поверхности конструкции в области расположения дефекта возникает сложная интерференционная картина, состоящая из областей максимумов и минимумов смещений, а также линий постоянного уровня, так называемых фигур Хладни [3]. Характер картины зависит от многих факторов, например физико-механических свойств материалов, слагающих конструкцию, среди которых главное место занимает форма и геометрические размеры дефекта. Если в качестве модели обделки (облицовки) на дефектном участке выбрать пластину неправильных очертаний, то, задав соответствующие начальные и краевые условия, можно с помощью численных методов, например, конечных разностей [4] или конечных элементов приближенно получить формы и частоты колебаний модели.

Обработка сигнала состоит из следующих операций. Зарегистрированные сигналы считывают с носителя информации, распаковывают и визуализируют. С целью снижения уровня помех, неизбежно интерферирующих с полезным сигналом, выбирают и реализуют частотную и временную фильтрацию, определяют временное окно, в котором будет производиться сравнение модельных и зарегистрированных сигналов. Рассчитывают параметры сигнала, его энергию, частотный состав. На основе параметров зарегистрированных сигналов (энергии, частотного состава: затухания и др.) и априорных данных формируют начальное приближение модели. С этой целью применяется метод кластерного анализа. Выделенные по данным кластерного анализа аномальные точки оформляются в виде карты и используются в качестве начального приближения.

С целью определения искомых параметров дефекта и уточнения результатов решают обратную задачу. В ходе решения обратной задачи методом подбора [5] используют минимизацию среднеквадратичного отклонения от модели по формуле

,

где:

X_mod - сигнал в n - точке модели,

X_obs - сигнал в n - точке наблюдений,

N - число точек наблюдений,

n - порядковый номер точки наблюдении.

Введение в исходную модель поправок осуществляют в двух вариантах. Одним из вариантов является изменение соотношений характерных размеров исходной модели, например, сторон прямоугольника или полуосей эллипса. Другим вариантом является добавление к исходному контуру единичной площадки, например, квадратной формы, и ее перемещение вдоль контура. Расчет вносимой поправки для обоих вариантов осуществляется методом Ньютона или определяется экспертом интерактивно. Расчет невязки производится согласно формуле (1). Процедура повторяется до достижения заданной точности.

На фиг. 2 показан этап сравнения зарегистрированного сигнала (6) с модельным (7) для одной из точек наблюдений.

Проведены полевые испытания предлагаемого способа. В качестве контролируемой конструкции исследовалась железобетонная обделка напорного гидротехнического туннеля. Диаметр туннеля 8 м, толщина обделки 0,7 м. Возникновение дефектов было связано с нарушениями технологии укладки бетона. Всего исследовано более 200 п.м., в том числе участки контрольного бурения. В качестве источника возбуждения использовался ударный инструмент в виде стального стержня массой 20 кг падающего под действием собственного веса. В качестве приемных устройств использовались 24 сейсмоприемника (велосиметра), расположенных в узлах квадратной сетки с шагом 1 м. Регистрирующей аппаратурой явилась компьютеризированная сейсмическая станция СП-001 (разработки института "Гидропроект") с 12 разрядным АЦП и полосой пропускания 2-4000 Гц. В цифровой мультиплексной форме данные записывались на магнитный диск. Для обработки применялась ПЭВМ IBM PC/AT.

Анализ результатов экспериментов показал, что предлагаемый способ контроля позволяет надежно определять наличие заоблицовочных полостей, нарушения контакта бетон-скала, а также восстанавливать форму заоблицовочных пустот и очерчивать контуры дефектов за обделкой строительной конструкции. Кроме этого, по полученным данным также можно определять толщину обделки на исследуемом участке, плотность заполнителя и обводненность заоблицовочного пространства, объем дефектной полости.

Источники информации.

1. Авторское свидетельство СССР N 1516962 кл. G 01 N 29/12, 24.07.87.

2. Заявка РФ N 94015760 кл. G 01 N 29/04, 27.04.94

3. Смирнов В. А. , Расчет пластин сложного очертания. - М: Стройиздат, 1987.

4. Прусаков Г.М., Математические модели и методы в расчетах на ЭВМ. - М. : Наука, 1993.

5. Электроразведка методом сопротивлений./Под ред. В.К. Хмелевского, В. А.Шевнина. - М.: МГУ, 1994.