一种基于红外热成像检测混凝土桥梁隐伏病害的研究方法

摘要

本发明公开了一种基于红外热成像检测混凝土桥梁隐伏病害的研究方法，根据任何温度高于绝对零度的物体都能向外辐射红外线能量的这一物理特性，从理论上建立混凝土桥梁隐伏病害与红外热图像之间的关联，构建有内部空洞缺陷的混凝土模型并对其进行有限元模拟分析，验证红外热成像法检测桥梁混凝土内部缺陷的可行性。其检测步骤包括：步骤一，制作尺寸合适且符合要求的实体桥梁混凝土模型；步骤二，运用红外热像仪采集实体桥梁混凝土模型表面的温度数据；步骤三，运用ABAQUS对实体桥梁混凝土模型进行有限元模拟分析；步骤四，分析有限元模拟中的温度云图。

说明书

技术领域

本发明涉及红外热成像技术领域，具体为一种基于红外热成像检测混凝土桥梁隐伏病害的研究方法。

背景技术

混凝土施工工艺的复杂性以及桥梁运营期使用环境的多变性,会使混凝土桥梁结构产生内部空洞、裂纹等病害，进而影响到桥梁运行的安全性，因此对混凝土桥梁结构病害的研究显得至关重要。空洞是混凝土桥梁结构隐伏病害形式之一，出现空洞的地方会出现应力集中，从而导致桥梁混凝土的破坏，这种破坏往往没有预兆，是一种突发性破坏，对桥梁结构安全有很大的负面影响。空洞又处于混凝土桥梁结构内部，隐蔽性较强，肉眼无法直接观测出来，无法实现有效的可视化检测。对于混凝土结构隐伏病害的检测，目前主要有以下几种方法：超声法、探地雷达法、回弹法、拔出法等。这些方法不同程度的存在着诸如工作量大、制约精度因素多、受地面以上介质影响较大、可能会影响建筑物的正常使用等缺点。为了解决上述存在的问题，本发明设计了一种基于红外热成像检测混凝土桥梁隐伏病害的研究方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决对于目前检测混凝土结构隐伏病害方法存在的问题，如：超声法、探地雷达法、回弹法、拔出法等，这些方法不同程度的存在着诸如工作量大、制约精度因素多、受地面以上介质影响较大、可能会影响建筑物的正常使用等缺点，而提出了一种基于红外热成像检测混凝土桥梁隐伏病害的研究方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于红外热成像检测混凝土桥梁隐伏病害的研究方法，根据任何温度高于绝对零度的物体都能向外辐射红外线能量的这一物理特性，从理论上建立混凝土桥梁隐伏病害与红外热图像之间的关联，构建有内部空洞缺陷的混凝土模型并对其进行有限元模拟分析，验证红外热成像法检测桥梁混凝土内部缺陷的可行性。

其检测步骤包括：

步骤一，制作尺寸合适且符合要求的实体桥梁混凝土模型。

步骤二，运用红外热像仪采集实体桥梁混凝土模型表面的温度数据。

步骤三，运用ABAQUS对实体桥梁混凝土模型进行有限元模拟分析。

步骤四，分析有限元模拟中的温度云图。

优选的，所述步骤一中的实体桥梁混凝土模型为内部有空洞(空洞在内部，并没有贯穿)的混凝土实体模型，混凝土尺寸为12cm×10cm×8cm；共设置8个体积或深度不同的空洞：4个尺寸均为3cm×3cm×2cm，深度分别为0.5cm、1cm、1.5cm、2cm的空洞；4个尺寸分别为2cm×2cm×2cm、3cm×3cm×2cm、4cm×4cm×2cm、5cm×5cm×2cm，深度均为1cm的空洞。

优选的，所述步骤二中的红外热像仪采用红外热成像法，该方法利用斯蒂芬-玻尔兹曼定律建立桥梁混凝土表面温度与其内部空洞缺陷之间的关联，将对桥梁混凝土内部空洞缺陷的检测转化为对桥梁混凝土表面温度的测试。

当一个物体表面的发射率ε不变时，该物体的辐射功率与其温度Τ的四次方成正比，其公式如下：

Φ＝εAσT

其中：

Φ-实际物体辐射的红外线总能量，单位w；

ε-物体发射率，总是小于或等于1；

A-实际物体表面积，单位m

σ-黑体辐射常量，斯蒂芬

T-实际物体表面的温度，单位k。

由上述公式可知，实际物体向外辐射红外线能量大小与温度的四次方成正比，温度越高，辐射的红外线能量越大；反之，就越小，一切温度高于绝对零度的物体都能向外辐射红外线能量，用红外热像仪探测的物体也不例外。

热量在材料内部传导时，所遵循的热传导方程为：

其中：

t-温度(℃或K)；

λ-导热系数[W/(m.K)]；

τ-时间(s或h)；

ρ-密度(kg/m

α-热扩散率(导温系数:m

c-比热(J/kg.K)。

由于正常部位与空洞部位的材料传热性能和结构状态的差异，即λ、ρ和c不同，当热量流过有内部空洞的混凝土时，正常部位与空洞部位热流通过的速率不同，热流会在空洞部位过多积累，热流的不同会以温度的不同表现出来，正常部位与空洞部位温度不同会导致正常部位和空洞部位向外辐射强度不同的红外线能量，红外热像仪就会探测到物体强度不同的红外线能量，继而获得根据物体表面温度场的分布状况所形成的有温度差异的分布图。

优选的，所述步骤三中运用ABAQUS对实体桥梁混凝土模型进行有限元模拟分析的步骤为：

第一步，创建分析步，为更加贴近实际情况，用软件模拟混凝土试块模型处于自然太阳光照射下的温度变化，即从早6点到晚22点，采用自然状态下全天候16小时的温度变化，设置8个分析步，每间隔2个小时为一个分析步，1～5个分析步太阳光照射强度大，热流密度为正值，是吸收太阳热辐射的过程，也即混凝土试块模型升温的过程；6～8个分析步太阳光照射强度小，热流密度为负值，是没有太阳辐射的过程，逐渐放出热量，也即混凝土试块模型降温的过程。

第二步，编辑相互作用，确定外界空气与混凝土试块之间的相互作用为对流换热，确定混凝土试块内部的相互作用为热传导；混凝土实体模型定义为各向同性，具有三个方向的热传导能力，且有8个节点每个节点上只有一个温度自由度，可以进行三维稳态或瞬态的热荷载分析，此模型能实现匀速热流的热传导，编辑模型中各个部分的材料属性，输入材料的导热系数λ、比热c及密度ρ这三个热工参数，根据传热学基本理论确定相关热工参数的具体值。

第三步，建荷载，第1个分析步到第8个分析步分别对应8个不同的热流密度，采用阶梯加载的形式，从上表面向下表面完成热流密度荷载的施加。

第四步，创建预定义温度场，根据混凝土试块模型的特性以及操作过程的方便性，四周及底部按绝热处理，设置混凝土试块模型上表面初始温度为10℃，底面初始温度为3℃，以此为初始条件，进行稳态导热方程求解。

第五步；创建作业，求解运行结束之后，得到各个分析步中混凝土试块表面有温度差异的温度云图。

优选的，所述根据步骤四中的温度云图，按空洞的尺寸、深度以及模型表面温度差异制作成表进行分析。

混凝土尺寸为12cm×10cm×8cm，空洞尺寸为3cm×3cm×2cm，深度分别为2cm、1.5cm、1cm、0.5cm的4个模型，任选8个分析步中第2个分析步的温度云图做分析，从有限元模拟的结果来看，3个模型表面的中心(下方是空洞)部位与紧邻部位的温度差异分别为0℃、1.19℃、1.3℃、1.54℃，即在空洞体积不变时，深度越浅，模型表面温差越大，检测效果越明显。

凝土尺寸为12cm×10cm×8cm，空洞深度为1cm，尺寸分别为2cm×2cm×2cm、3cm×3cm×2cm、4cm×4cm×2cm、5cm×5cm×2cm的4个模型，任选8个分析步中第7个分析步的温度云图做分析，从有限元模拟的结果来看，4个模型表面的中心(下方是空洞)部位与紧邻部位的温度差异分别为0℃、0.73℃、0.85℃、0.98℃，即在空洞深度不变时，体积越大，模型表面温差越大，检测效果越明显。

在实况检测时，阴雨天或者桥梁隐蔽部位，无自然光对结构加热，进而导致结构无温度梯度，这个条件下，红外热成像检测方法没有检测效果，此时可通过人为对外部进行加热。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为基于红外热成像检测混凝土桥梁隐伏病害的研究方法，相对于目前检测混凝土结构隐伏病害的方法(如，超声法、探地雷达法、回弹法、拔出法等)，其工作量小，在检测过程中对桥梁本身无损坏，受环境条件限制较小，其测量精度更高，使用更加便捷。

附图说明

图1为本发明的工作流程框架图。

图2为本发明中热工参数的数值表。

图3为本发明中各分析步及各时刻的热流密度数值表。

图4为本发明中空洞的尺寸、深度以及模型表面温度差异表一。

图5为本发明中空洞的尺寸、深度以及模型表面温度差异表二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：

具体实施例一

一种基于红外热成像检测混凝土桥梁隐伏病害的研究方法，根据任何温度高于绝对零度的物体都能向外辐射红外线能量的这一物理特性，从理论上建立混凝土桥梁隐伏病害与红外热图像之间的关联，构建有内部空洞缺陷的混凝土模型并对其进行有限元模拟分析，验证红外热成像法检测桥梁混凝土内部缺陷的可行性。

其检测步骤包括：

步骤一，制作尺寸合适且符合要求的实体桥梁混凝土模型。

步骤二，运用红外热像仪采集实体桥梁混凝土模型表面的温度数据。

步骤三，运用ABAQUS对实体桥梁混凝土模型进行有限元模拟分析。

步骤四，分析有限元模拟中的温度云图。

其中，步骤一中的实体桥梁混凝土模型为内部有空洞(空洞在内部，并没有贯穿)的混凝土实体模型，混凝土尺寸为12cm×10cm×8cm。共设置4个体积相同但深度不同的空洞：4个体积尺寸均为3cm×3cm×2cm，深度分别为0.5cm、1cm、1.5cm、2cm的空洞。

其中，步骤二中的红外热像仪采用红外热成像法，该方法利用斯蒂芬-玻尔兹曼定律建立桥梁混凝土表面温度与其内部空洞缺陷之间的关联，将对桥梁混凝土内部空洞缺陷的检测转化为对桥梁混凝土表面温度的测试。

当一个物体表面的发射率ε不变时，该物体的辐射功率与其温度Τ的四次方成正比，其公式如下：

Φ＝εAσT

其中：

Φ-实际物体辐射的红外线总能量，单位w；

ε-物体发射率，总是小于或等于1；

A-实际物体表面积，单位m

σ-黑体辐射常量，斯蒂芬

T-实际物体表面的温度，单位k。

由上述公式可知，实际物体向外辐射红外线能量大小与温度的四次方成正比，温度越高，辐射的红外线能量越大；反之，就越小，一切温度高于绝对零度的物体都能向外辐射红外线能量，用红外热像仪探测的物体也不例外。

热量在材料内部传导时，所遵循的热传导方程为：

其中：

t-温度(℃或K)；

λ-导热系数[W/(m.K)]；

τ-时间(s或h)；

ρ-密度(kg/m

α-热扩散率(导温系数:m

c-比热(J/kg.K)。

由于正常部位与空洞部位的材料传热性能和结构状态的差异，即λ、ρ和c不同，当热量流过有内部空洞的混凝土时，正常部位与空洞部位热流通过的速率不同，热流会在空洞部位过多积累，热流的不同会以温度的不同表现出来，正常部位与空洞部位温度不同会导致正常部位和空洞部位向外辐射强度不同的红外线能量，红外热像仪就会探测到物体强度不同的红外线能量，继而获得根据物体表面温度场的分布状况所形成的有温度差异的分布图。

其中，步骤三中运用ABAQUS对实体桥梁混凝土模型进行有限元模拟分析的步骤为：

第一步，创建分析步，为更加贴近实际情况，用软件模拟混凝土试块模型处于自然太阳光照射下的温度变化，即从早6点到晚22点，采用自然状态下全天候16小时的温度变化，设置8个分析步，每间隔2个小时为一个分析步，1～5个分析步太阳光照射强度大，热流密度为正值，是吸收太阳热辐射的过程，也即混凝土试块模型升温的过程；6～8个分析步太阳光照射强度小，热流密度为负值，是没有太阳辐射的过程，逐渐放出热量，也即混凝土试块模型降温的过程。

第二步，编辑相互作用，确定外界空气与混凝土试块之间的相互作用为对流换热，确定混凝土试块内部的相互作用为热传导；混凝土实体模型定义为各向同性，具有三个方向的热传导能力，且有8个节点每个节点上只有一个温度自由度，可以进行三维稳态或瞬态的热荷载分析，此模型能实现匀速热流的热传导，编辑模型中各个部分的材料属性，输入材料的导热系数λ、比热c及密度ρ这三个热工参数，根据传热学基本理论确定相关热工参数的具体值。

第三步，建荷载，第1个分析步到第8个分析步分别对应8个不同的热流密度，采用阶梯加载的形式，从上表面向下表面完成热流密度荷载的施加。

第四步，创建预定义温度场，根据混凝土试块模型的特性以及操作过程的方便性，四周及底部按绝热处理，设置混凝土试块模型上表面初始温度为10℃，底面初始温度为3℃，以此为初始条件，进行稳态导热方程求解。

第五步；创建作业，求解运行结束之后，得到各个分析步中混凝土试块表面有温度差异的温度云图。

其中，根据步骤四中的温度云图，按空洞的尺寸、深度以及模型表面温度差异制作成表进行分析。

混凝土尺寸为12cm×10cm×8cm，空洞体积尺寸为3cm×3cm×2cm，深度分别为2cm、1.5cm、1cm、0.5cm的4个模型，任选8个分析步中第2个分析步的温度云图做分析，从有限元模拟的结果来看，3个模型表面的中心(下方是空洞)部位与紧邻部位的温度差异分别为0℃、1.19℃、1.3℃、1.54℃，即在空洞体积不变时，深度越浅，模型表面温差越大，检测效果越明显。

具体实施例二

一种基于红外热成像检测混凝土桥梁隐伏病害的研究方法，根据任何温度高于绝对零度的物体都能向外辐射红外线能量的这一物理特性，从理论上建立混凝土桥梁隐伏病害与红外热图像之间的关联，构建有内部空洞缺陷的混凝土模型并对其进行有限元模拟分析，验证红外热成像法检测桥梁混凝土内部缺陷的可行性。

其检测步骤包括：

步骤一，制作尺寸合适且符合要求的实体桥梁混凝土模型。

步骤二，运用红外热像仪采集实体桥梁混凝土模型表面的温度数据。

步骤三，运用ABAQUS对实体桥梁混凝土模型进行有限元模拟分析。

步骤四，分析有限元模拟中的温度云图。

优选的，所述步骤一中的实体桥梁混凝土模型为内部有空洞(空洞在内部，并没有贯穿)的混凝土实体模型，混凝土尺寸为12cm×10cm×8cm；共设置4个体积不同但深度相同的空洞：4个体积尺寸分别为2cm×2cm×2cm、3cm×3cm×2cm、4cm×4cm×2cm、5cm×5cm×2cm，深度均为1cm的空洞。

其中，步骤二中的红外热像仪采用红外热成像法，该方法利用斯蒂芬-玻尔兹曼定律建立桥梁混凝土表面温度与其内部空洞缺陷之间的关联，将对桥梁混凝土内部空洞缺陷的检测转化为对桥梁混凝土表面温度的测试。

当一个物体表面的发射率ε不变时，该物体的辐射功率与其温度Τ的四次方成正比，其公式如下：

Φ＝εAσT

其中：

Φ-实际物体辐射的红外线总能量，单位w；

ε-物体发射率，总是小于或等于1；

A-实际物体表面积，单位m2；

σ-黑体辐射常量，斯蒂芬

T-实际物体表面的温度，单位k。

由上述公式可知，实际物体向外辐射红外线能量大小与温度的四次方成正比，温度越高，辐射的红外线能量越大；反之，就越小，一切温度高于绝对零度的物体都能向外辐射红外线能量，用红外热像仪探测的物体也不例外。

热量在材料内部传导时，所遵循的热传导方程为：

其中：

t-温度(℃或K)；

λ-导热系数[W/(m.K)]；

τ-时间(s或h)；

ρ-密度(kg/m

α-热扩散率(导温系数:m

c-比热(J/kg.K)。

由于正常部位与空洞部位的材料传热性能和结构状态的差异，即λ、ρ和c不同，当热量流过有内部空洞的混凝土时，正常部位与空洞部位热流通过的速率不同，热流会在空洞部位过多积累，热流的不同会以温度的不同表现出来，正常部位与空洞部位温度不同会导致正常部位和空洞部位向外辐射强度不同的红外线能量，红外热像仪就会探测到物体强度不同的红外线能量，继而获得根据物体表面温度场的分布状况所形成的有温度差异的分布图。

其中，步骤三中运用ABAQUS对实体桥梁混凝土模型进行有限元模拟分析的步骤为：

第一步，创建分析步，为更加贴近实际情况，用软件模拟混凝土试块模型处于自然太阳光照射下的温度变化，即从早6点到晚22点，采用自然状态下全天候16小时的温度变化，设置8个分析步，每间隔2个小时为一个分析步，1～5个分析步太阳光照射强度大，热流密度为正值，是吸收太阳热辐射的过程，也即混凝土试块模型升温的过程；6～8个分析步太阳光照射强度小，热流密度为负值，是没有太阳辐射的过程，逐渐放出热量，也即混凝土试块模型降温的过程。

第二步，编辑相互作用，确定外界空气与混凝土试块之间的相互作用为对流换热，确定混凝土试块内部的相互作用为热传导；混凝土实体模型定义为各向同性，具有三个方向的热传导能力，且有8个节点每个节点上只有一个温度自由度，可以进行三维稳态或瞬态的热荷载分析，此模型能实现匀速热流的热传导，编辑模型中各个部分的材料属性，输入材料的导热系数λ、比热c及密度ρ这三个热工参数，根据传热学基本理论确定相关热工参数的具体值。

第三步，建荷载，第1个分析步到第8个分析步分别对应8个不同的热流密度，采用阶梯加载的形式，从上表面向下表面完成热流密度荷载的施加。

第四步，创建预定义温度场，根据混凝土试块模型的特性以及操作过程的方便性，四周及底部按绝热处理，设置混凝土试块模型上表面初始温度为10℃，底面初始温度为3℃，以此为初始条件，进行稳态导热方程求解。

第五步；创建作业，求解运行结束之后，得到各个分析步中混凝土试块表面有温度差异的温度云图。

其中，根据步骤四中的温度云图，按空洞的尺寸、深度以及模型表面温度差异制作成表进行分析。

混凝土尺寸为12cm×10cm×8cm，空洞深度为1cm，体积尺寸分别为2cm×2cm×2cm、3cm×3cm×2cm、4cm×4cm×2cm、5cm×5cm×2cm的4个模型，任选8个分析步中第7个分析步的温度云图做分析，从有限元模拟的结果来看，4个模型表面的中心(下方是空洞)部位与紧邻部位的温度差异分别为0℃、0.73℃、0.85℃、0.98℃，即在空洞深度不变时，体积越大，模型表面温差越大，检测效果越明显。

另外，在实况检测时，阴雨天或者桥梁隐蔽部位，无自然光对结构加热，进而导致结构无温度梯度，这个条件下，红外热成像检测方法没有检测效果，此时可通过人为对外部进行加热。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。