沖擊回?fù)茼憫?yīng)分析研究

張國(guó)偉　李光耀　陳博珊

(北京建筑大學(xué)　工程結(jié)構(gòu)與新材料北京高等學(xué)校工程研究中心，北京　100044)

沖擊回?fù)茼憫?yīng)分析研究

張國(guó)偉李光耀陳博珊

(北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京高等學(xué)校工程研究中心，北京100044)

摘要:通過(guò)測(cè)試板狀結(jié)構(gòu)上距板邊緣不同距離的位置，分析了沖擊回波在測(cè)試距離板邊緣較近的部位時(shí)的準(zhǔn)確性，并對(duì)比了板狀結(jié)構(gòu)與柱狀結(jié)構(gòu)以及密實(shí)混凝土板與含有孔洞的損傷混凝土板的回波響應(yīng)的差異，指出沖擊回波響應(yīng)在測(cè)試距離板邊緣小于板厚的位置時(shí)，測(cè)試結(jié)果會(huì)有偏差，相對(duì)靠近板中的位置的測(cè)試結(jié)果，會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定;不同結(jié)構(gòu)的回波響應(yīng)各有特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:沖擊回波，回波響應(yīng)，邊緣效應(yīng)

0　引言

IE方法的優(yōu)點(diǎn)是:只需要結(jié)構(gòu)的一個(gè)表面進(jìn)行測(cè)試。IE測(cè)試方法還可提供孔洞或缺陷深度的信息，并在圖形中顯示缺陷的橫向位置以及程度。本文通過(guò)檢測(cè)實(shí)心混凝土板、含有孔洞的混凝土板以及實(shí)心混凝土柱對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)回波響應(yīng)的不同，探索沖擊回波在距離板邊緣較近的部位是否仍然具有良好的檢測(cè)效果。掃描式?jīng)_擊回波系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　掃描式?jīng)_擊回波探測(cè)系統(tǒng)

IES主要利用的是縱波在介質(zhì)中的傳播。傳感接收器接收到的信號(hào)是周期性的位移波形，傳感器接收后將其進(jìn)行快速傅里葉變換，轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)后再進(jìn)行分析。當(dāng)應(yīng)力波穿透兩種不同聲阻抗材質(zhì)組成的界面時(shí)，一部分入射應(yīng)力波會(huì)被反射回來(lái)，另一部分入射應(yīng)力波會(huì)被折射進(jìn)入下一介質(zhì)中。混凝土/空氣界二者之間傳播的應(yīng)力波會(huì)在沖擊面上產(chǎn)生一系列的向內(nèi)質(zhì)點(diǎn)位移。此時(shí)，在周期位移波形一周期的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)力波傳播的路程為2T ( 2倍板厚)，故P波的傳播頻率( f)即為P波穿行2倍板厚所需時(shí)程的導(dǎo)數(shù):

其中，f為頻率;αs為形狀系數(shù); Cp為波速; T為結(jié)構(gòu)厚度。

縱波在混凝土/鋼界面之間傳播時(shí)，在周期位移波形一周期的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)力波傳播的路程為4T( 4倍板厚)，故P波的傳播頻率( f)即為P波穿行4倍板厚所需時(shí)程的導(dǎo)數(shù)［1］:

其中，字母含義與式( 1)中相同。通過(guò)以上兩個(gè)公式我們可以計(jì)算結(jié)構(gòu)的厚度以及結(jié)構(gòu)內(nèi)孔洞的深度。

1　試驗(yàn)概況

試驗(yàn)對(duì)四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量分析，分別為厚度15 cm的密實(shí)混凝土板( 1號(hào)板)、厚度25 cm的混凝土板( 2號(hào)板)、厚度20 cm并含有孔洞的混凝土板( 3號(hào)板)以及邊長(zhǎng)39.5 cm的混凝土柱。在每種結(jié)構(gòu)表面畫(huà)出相應(yīng)的測(cè)線，測(cè)量時(shí)，要保證結(jié)構(gòu)表面平整干凈，推動(dòng)小車沿測(cè)線勻速掃描，每條測(cè)線測(cè)量20次。具體尺寸及測(cè)線布置見(jiàn)圖2。

圖2　測(cè)線方案

2　結(jié)果分析

2.1測(cè)量位置對(duì)測(cè)量結(jié)果影響分析

圖3是1號(hào)板五條測(cè)線的測(cè)量結(jié)果，每條測(cè)線都進(jìn)行20次測(cè)量并取平均值。測(cè)線1～測(cè)線4的測(cè)試結(jié)果基本一致，顯示板的厚度都是15 cm左右，基本沒(méi)有偏差，結(jié)果穩(wěn)定。說(shuō)明幾乎所有的應(yīng)力波都是從板底反射回來(lái)被采集儀接收到，很好的反映了板的厚度信息。而測(cè)線5的測(cè)量結(jié)果偏大，而且不穩(wěn)定，原因是測(cè)線5距離板邊緣較近，只有10 cm，比板厚( 15 cm)還要小，這樣就產(chǎn)生了邊界效應(yīng)，即應(yīng)力波不僅被板底反射，而且也被板邊緣反射，從板底反射回來(lái)的應(yīng)力波受到了從板邊緣反射的應(yīng)力波的影響，測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定。為了分析IES測(cè)量含有孔洞的板時(shí)是否也有這種影響，對(duì)3號(hào)板也進(jìn)行了測(cè)量。圖4是3號(hào)板的測(cè)量結(jié)果，可以看到，測(cè)線2整體比測(cè)線1的結(jié)果偏大，跟圖3中1號(hào)板的測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)一樣。說(shuō)明3號(hào)板測(cè)線2的測(cè)量結(jié)果由于距離板邊緣太近，從而也受到了邊界效應(yīng)的影響。

2.2實(shí)心板與內(nèi)含孔洞板頻域圖對(duì)比分析

圖5和圖6是使用IES測(cè)量3號(hào)板的兩個(gè)典型測(cè)點(diǎn)的結(jié)果的頻域圖，實(shí)際板厚20 cm，在測(cè)線的中部位置下有一個(gè)直徑110 mm的孔洞，孔頂距離板頂45 mm，波速3 950 m/s，其中圖5顯示的是測(cè)點(diǎn)下方無(wú)孔洞測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，圖6顯示的是測(cè)點(diǎn)下方有孔洞測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果。那么根據(jù)式( 1)可以計(jì)算出板厚對(duì)應(yīng)的頻率為f =0.96×3 950/( 2×0.2) =9 480 Hz。從圖5中可以看出，該波形只有一個(gè)明顯波峰，是板厚度對(duì)應(yīng)的頻率，該頻率為9 472 Hz，與理論計(jì)算結(jié)果幾乎一致，說(shuō)明板下是密實(shí)的，無(wú)孔洞。

圖3　1號(hào)板測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4　3號(hào)板測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖5　3號(hào)板無(wú)孔洞位置頻域圖

圖6　3號(hào)板有孔洞位置頻域圖

從圖6的結(jié)果看出，波峰對(duì)應(yīng)的頻率是7 683 Hz。可以得出，當(dāng)板內(nèi)有孔洞時(shí)，板厚對(duì)應(yīng)的頻率會(huì)比相同厚度的實(shí)心板對(duì)應(yīng)的頻率小。原因是由于板內(nèi)孔洞的存在，應(yīng)力波需繞行孔洞，此時(shí)應(yīng)力波經(jīng)歷的路程要長(zhǎng)，所對(duì)應(yīng)的名義板厚就要比實(shí)心板厚度大，根據(jù)式( 1)可得此時(shí)的頻率要小。通過(guò)以上的對(duì)比可知，若板內(nèi)有孔洞，應(yīng)力波的頻域圖與沒(méi)有孔洞的實(shí)心板的頻域圖會(huì)有一個(gè)明顯不同。有孔洞的板的板厚頻率會(huì)向低頻漂移，比實(shí)心板的厚度對(duì)應(yīng)的頻率低，這是判斷板內(nèi)有無(wú)孔洞的重要標(biāo)志;理論上有孔洞的板的頻域圖會(huì)有兩個(gè)明顯波峰，一個(gè)是名義板厚對(duì)應(yīng)的波峰，在頻率較高的地方還會(huì)有一個(gè)較小的波峰，這個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的頻率反映孔洞的深度。但是如果要出現(xiàn)缺陷深度對(duì)應(yīng)的高頻波峰需要符合一定條件，很多時(shí)候是得不到這個(gè)波峰的。

2.3混凝土柱與混凝土板頻域圖對(duì)比分析

圖7是使用IES測(cè)量2號(hào)板的一測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果的頻域圖，2號(hào)板實(shí)際板厚25 cm，波速4 200 m/s。那么根據(jù)式( 1)可以計(jì)算出板厚對(duì)應(yīng)的頻率為f = 0.96×4 200/( 2×0.25) = 8 064 Hz。從圖7中頻域圖上可以看出，該波形只有一個(gè)明顯波峰。

圖7　2號(hào)板無(wú)孔洞位置頻域圖

從圖8中可以看到柱子的頻域波形與板狀結(jié)構(gòu)頻域波形的區(qū)別。柱子的頻域波形不僅僅顯示柱子厚度對(duì)應(yīng)的頻率波峰(我們稱為基本頻率)，還會(huì)顯示與基本頻率相關(guān)的高階頻率波峰，這些是應(yīng)力波在柱子各個(gè)面反射回來(lái)相互干擾疊加形成的，對(duì)反映柱子的密實(shí)度有著重要作用，不可忽略。只要柱子的高度是柱截面尺寸3倍以上，這些波峰就是可輕松辨認(rèn)的。而板狀結(jié)構(gòu)的頻域波形只有一個(gè)明顯波峰(如果板密實(shí))，這個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的頻率反映板的厚度。柱子實(shí)際尺寸為邊長(zhǎng)39.5 cm的方形柱，波速為3 700 m/s，方形柱形狀系數(shù)取0.87。根據(jù)式( 1)計(jì)算基本頻率(基本頻率是柱子厚度對(duì)應(yīng)的頻率值，反映柱子的實(shí)際厚度)。高階頻率與基本頻率的關(guān)系為f2=1.4f1，f3=1.9f1，f4=2.4f1。測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1，測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果中的一階頻率很接近，表明柱子是密實(shí)的。

圖8　柱頻域圖

表1　柱頻率計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)于表1中誤差的分析:沖擊回波探測(cè)儀的精度大概在400 Hz，也就是說(shuō)，測(cè)量結(jié)果誤差不超過(guò)400 Hz都認(rèn)為是準(zhǔn)確的。此外，計(jì)算結(jié)果是厚度為39.5 cm的密實(shí)素混凝土柱的理論計(jì)算結(jié)果，而在實(shí)測(cè)過(guò)程中，柱子不是純素混凝土柱，里面含有鋼筋，可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一點(diǎn)影響;柱子表面不平整，澆筑時(shí)的誤差都會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生不可預(yù)知的影響。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1) IES沖擊回波在測(cè)試板狀混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，在距離板邊緣大于板厚的范圍測(cè)量，結(jié)果很可靠穩(wěn)定，頻域波形既能很好的反映板的厚度信息還能反映板內(nèi)孔洞情況。在距離板邊緣較近的范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果偏于不穩(wěn)定，容易受到板邊緣的影響。2)密實(shí)混凝土板與含有孔洞的混凝土板的頻域波形有明顯的差別。含有孔洞的混凝土板的頻域圖上的名義厚度對(duì)應(yīng)的頻率比相同厚度的密實(shí)板對(duì)應(yīng)的頻率低，原因是由于孔洞的存在，應(yīng)力波繞行，路程變長(zhǎng)，根據(jù)式( 1)可知，頻率會(huì)向低頻漂移，這是判斷板內(nèi)有無(wú)孔洞的重要標(biāo)志。3)密實(shí)混凝土板狀結(jié)構(gòu)和密實(shí)柱狀結(jié)構(gòu)的沖擊回波回應(yīng)有很大不同。密實(shí)板狀混凝土結(jié)構(gòu)的頻域圖上只有一個(gè)明顯的波峰，對(duì)應(yīng)板厚頻率;密實(shí)柱狀混凝土結(jié)構(gòu)的頻域圖上除了反映板厚的基本頻率外，還有與之相關(guān)的高階頻率，結(jié)合基本頻率與高階頻率才能判斷出柱是否密實(shí)。

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On response analysis of impact-echo

Zhang Guowei Li Guangyao Chen Boshan
( Engineering Structure and New Materials Beijing High School Engineering Center，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China)

Abstract:By measuring the locations of different distances at the upper plate edges at the plate structures，the paper analyzes the position of the impact-echo in the closer edge of the measurement plates，compares the differences between plate-shaped and column-shaped structure，and the impact-echoes of the compacted concrete plates and the ones with holes，and points out the result can be a little erroneous with the impact-echo response with distance edge is less than the plate thickness and the measurement will be unstable when it is relatively close to the plate center，and indicates the echo responses of various structures have their own characteristics.

Key words:impact-echo，echo response，edge effect

作者簡(jiǎn)介:張國(guó)偉(1979-)，男，副教授;李光耀(1989-)，男，在讀碩士;陳博珊(1990-)，男，在讀碩士

收稿日期:2015-11-26

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0023-03

中圖分類號(hào):TU311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A