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原文传递基于弹性波层析成像的水下桥墩内部缺陷检测与定位研究

论文题名：	基于弹性波层析成像的水下桥墩内部缺陷检测与定位研究
关键词：	层析成像;水下桥墩;内部缺陷;精准定位;数值模拟
摘要：	桥梁是保障国民经济发展和交通运输畅通的生命线工程。改革开放以来，我国桥梁事业高速发展。近30年以来，结构分析理论、建筑材料和施工技术快速发展，我国亦建设了“港珠澳”大桥等举世瞩目的大跨桥梁。但是“重建设轻管养”的理念却使得在役桥梁的安全性及韧性恢复问题日渐凸显，桥梁安全隐患不容忽视。同时，作为桥梁结构的重要组成部分，水下结构的服役安全长期得不到重视，其理论研究、技术标准、产品装备极度缺乏，严重制约了我国桥梁科学化养护管理的发展。根据发生位置的不同，水下桥墩病害可分为内部损伤与表观损伤。受复杂多变的水下环境限制，常规的混凝土内部损伤检测技术手段难以在水下实现。因此，开展水下桥墩的内部损伤检测技术研究，对保障桥梁结构安全、推动我国交通基础设施可持续转型升级、加快交通强国建设具有重大的经济和社会意义。　　本研究通过对国内外研究现状的调研和分析，从弹性波在混凝土内部传播过程中受缺陷影响会使得弹性波参量（如波速、波形等）发生变化的角度出发，根据弹性波参量的变化来对水下桥墩内部缺陷进行检测与定位研究。基于弹性波层析成像理论基础，通过“算法研究+数值仿真+试验验证”，提出一种水下桥墩内部缺陷检测与定位方法：通过测量弹性波在两点间的走时，反演出水下桥墩内部的速度场，从而获取桥墩内部缺陷的大小、位置和形状等信息，具有检测结果直观、图像清晰等特点。本文从宏观到细观、从理论到装置到应用，多层次多角度地对使用超声层析成像方法对水下桥墩进行内部检测时的算法及影响因素等内容展开了研究。　　本文的主要研究内容如下：　　（1）系统地调研并总结了当前的研究背景及现状。当前我国桥梁水下结构面临受重视程度低、检测管养难度大、技术落后、安全隐患严重等问题。从水下桥墩病害检测技术、混凝土结构内部缺陷检测方法、弹性波层析成像技术三个方面具体地对当前该领域的研究现状进行了总结。为后续的研究奠定理论基础。　　（2）提出并建立了基于LTI-SIRT的混凝土内部超声层析成像算法。从数学理论基础、路径正演算法、速度场反演算法、图像后处理算法、缺陷识别算法共5个部分展开，搭建了一套适用于混凝土内部缺陷检测的计算全流程。同时为了验证所提出算法的计算效果及有效性，基于数值模拟，通过将混凝土内部设计为宏观层次的均质介质模型并在其中嵌入异常区，使用自主编写的计算程序对介质模型进行计算并对结果进行了分析。　　（3）从细观角度研究了混凝土的多相组成对层析成像结果的影响。基于混凝土细观数值模型理论，建立了一套基于MATLAB与多物理场仿真软件COMSOL的混凝土二维细观数值模型建模及层析成像分析方法，给出了从平面细观角度对混凝土进行层析成像数值模拟的基本原理及全流程方法。基于该方法在COMSOL中建立了预置异常区的混凝土二维细观模型，通过有限元分析获取应力波走时并代入第二章中所提出的层析成像计算程序，从细观角度研究了算法应用于混凝土时的有效性及其影响因素。　　（4）设计了一种适用于水下桥墩的内部缺陷检测装置。考虑到实际的检测环境为水下，根据“拟人化”的思想，从装置设计思路、检测装置模块组成、装置使用方法等角度展开，并详细介绍了装置的设计理念、检测对象、检测原理、模块设计、使用场景、三维设计等内容。　　（5）完成了水下桥墩内部缺陷检测缩尺试验。通过浇筑12个预埋泡沫板的缩尺混凝土桥墩试件并将其置于水下环境中，使用所提出的算法和装置对其进行内部检测。为了研究不同条件对检测结果的影响，共设计了5个试验对照条件，包含服役环境、试件形状、有无钢筋、缺陷形状和缺陷大小。对检测结果及影响因素进行了详细的讨论与分析。　　总体而言，水下桥墩的内部缺陷检测在国内外仍属重点待解决的难题，但因水下环境的限制，当前各种在水上结构中已应用成熟的检测技术难以在水下结构中应用。本文对此做出了初步性的探索工作，从算法及装置角度为水下内部检测的难题提供了一定的解决思路。
作者：	范健华
专业：	土木工程;结构工程
导师：	吴刚;程霄翔
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022