基于沖擊回波法的混凝土構(gòu)件厚度及內(nèi)部缺陷檢測(cè)技術(shù)研究

□文/劉力博

基于沖擊回波法的混凝土構(gòu)件厚度及內(nèi)部缺陷檢測(cè)技術(shù)研究

□文/劉力博

文章闡述了沖擊回波法檢測(cè)混凝土構(gòu)件厚度、內(nèi)部缺陷的原理及應(yīng)用方法并結(jié)合工程案例，對(duì)檢測(cè)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：沖擊彈性波在傳播過(guò)程中遇分界面反射與繞射的傳播特性，與混凝土構(gòu)件厚度及內(nèi)部缺陷檢測(cè)具有很好的相關(guān)性，通過(guò)對(duì)沖擊回波法測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，不僅能計(jì)算梁板等構(gòu)件厚度并能有效識(shí)別其內(nèi)部缺陷及位置。

混凝土；缺陷；厚度；沖擊回波法；無(wú)損檢測(cè)

在現(xiàn)澆橋梁施工過(guò)程中，由于有較多工序，配筋也較密，如果施工控制不嚴(yán)，容易出現(xiàn)空洞、不密實(shí)及板厚不足等缺陷，直接關(guān)系到橋梁上部結(jié)構(gòu)的實(shí)體質(zhì)量。在頻繁重載作用下，易由薄弱部位逐步發(fā)展成嚴(yán)重?fù)p害部位，存在沖剪和壓潰破壞的風(fēng)險(xiǎn)[1]。為保證橋梁安全可靠，必須對(duì)其進(jìn)行全面檢測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)病害并加以治理。目前的檢測(cè)方法有鉆芯法、超聲波法、雷達(dá)法等，但各自都存在著一定的缺點(diǎn)。沖擊彈性波法作為一種新興混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是沖擊能量大、沖擊源簡(jiǎn)單、僅需單一測(cè)試面，對(duì)于不同幾何形狀的混凝土結(jié)構(gòu)，有相應(yīng)的波形和頻譜特性[2]，不僅可以檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)厚度還可以測(cè)定混凝土內(nèi)部是否有缺陷并確定位置及范圍。

1　測(cè)試原理

在沖擊混凝土堅(jiān)硬的物體表面時(shí)，形成一瞬間應(yīng)力脈沖。該應(yīng)力脈沖由壓縮波（縱波，P波）、剪切波（橫波，S波）及瑞利波（R波）組成。P波和S波沿圓形波陣面?zhèn)魅朐圀w，R波沿表面?zhèn)鞑ァ．?dāng)P、S波在傳播過(guò)程中遇到缺陷或邊界（底面）時(shí)，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗率不同，應(yīng)力波在這些界面處發(fā)生反射。這樣，在表面與界面（缺陷與邊界）之間產(chǎn)生多重反射，結(jié)果形成瞬時(shí)的類諧振條件。當(dāng)把一個(gè)傳感器置于沖擊點(diǎn)附近時(shí)，即可測(cè)出該處由于多次反射波引起的表面位移響應(yīng)[3]。由于P波引起的表面位移比S波大得多，沖擊回波法主要關(guān)心的是P波。將所得到的沖擊位移響應(yīng)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），即獲得該沖擊響應(yīng)中各種頻率成分的振幅分布圖，稱為頻譜圖。頻譜圖中的峰值為頂面與界面（底面或缺陷）間來(lái)回反射形成的振幅加強(qiáng)所致，頻譜圖上某個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的厚（深）度即可通過(guò)式（1）計(jì)算。

式中：h為某個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的厚（深）度；f為頻譜圖上的頻率峰值；Vp為被測(cè)體聲速。

式（1）適用于混凝土/空氣界面、水等比混凝土聲阻抗低的材料兩者之間的分界面[4～5]。

2　被測(cè)體的聲速值的確定

為計(jì)算被測(cè)體厚度及缺陷深度，首先應(yīng)知道被測(cè)體的聲速VP，可采用以下2種方法。

1）現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定法。選取一處有代表性且厚度已知的部位，進(jìn)行沖擊回波測(cè)試，按式（1）計(jì)算聲速VP，這是最合理的確定聲速的辦法。

2）單面?zhèn)鞑シy(cè)試聲速。如令單面?zhèn)鞑シy(cè)試的聲速為V，則用于計(jì)算厚度或深度的聲速VP按式（2）計(jì)算。

式中：β為幾何形狀系數(shù)，可取0.96。

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1厚度測(cè)試

某大橋全長(zhǎng)296.43 m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆混凝土箱梁，箱梁頂板厚度設(shè)計(jì)值22 cm。采用沖擊回波法對(duì)頂板厚度進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)在結(jié)構(gòu)物表面用打擊錘擊振彈性波并通過(guò)壓電式加速度傳感器采集在分界面處的反射信號(hào)。其中小直徑的打擊錘擊振產(chǎn)生的應(yīng)力波高頻成分較多，適合檢測(cè)厚度較小的板。本次檢測(cè)聲速測(cè)定采用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定法。為保證構(gòu)件厚度值滿足95%的保證率，每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)試10次以上并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的公式對(duì)多次的測(cè)試值進(jìn)行最優(yōu)推定值計(jì)算。

圖1為單個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)的頻譜分析圖，峰值正是由于彈性波在頂面與底面間來(lái)回反射形成的振幅加強(qiáng)所致，峰值對(duì)應(yīng)的頻率就是板厚度頻率，再根據(jù)式（1）即可計(jì)算板厚。圖1中板厚度頻率已換算為應(yīng)力波傳播的時(shí)間T，即頻率的倒數(shù)，這樣顯示更為直觀。

圖2為同一測(cè)點(diǎn)12次測(cè)試的頻譜圖，圖2中豎線位置表示板厚的反射波信號(hào)，可以看出各次厚度測(cè)試值大小均勻，通過(guò)計(jì)算最優(yōu)化推定值即可獲得構(gòu)件厚度。

圖1　單個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)頻譜

圖2　多次測(cè)試數(shù)據(jù)頻譜

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)5個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比見表1。

表1　沖擊回波法與鉆孔法厚度結(jié)果對(duì)比

由表1可以看出，與鉆孔驗(yàn)證結(jié)果相比，沖擊回波測(cè)試誤差在±3.0%以內(nèi)。另外P波波速對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大影響，因此選擇P波聲速測(cè)試位置時(shí)應(yīng)具有代表性，當(dāng)檢測(cè)部位的混凝土材料及配比、施工方法等發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)重新測(cè)試P波波速。條件允許時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)多測(cè)試幾處，從而確定聲速是否存在較大偏差。

3.2內(nèi)部缺陷測(cè)試

對(duì)某預(yù)應(yīng)力小箱梁底板進(jìn)行混凝土缺陷檢測(cè)，在小箱梁底板布置了2個(gè)測(cè)區(qū)，分別距離現(xiàn)狀南側(cè)梁端17.5、13.5 m；每個(gè)測(cè)區(qū)中縱向布置2條測(cè)線，測(cè)線間距0.2 m，每條測(cè)線布置若干測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距0.1 m，采用沖擊回波法進(jìn)行測(cè)試，其中1#測(cè)區(qū)測(cè)線2檢測(cè)結(jié)果見圖3。

圖3　測(cè)線2彩色等值線頻譜

圖3中矩形框內(nèi)區(qū)域存在較明顯的反射信號(hào)，為介質(zhì)不連續(xù)性缺陷，根據(jù)橫坐標(biāo)的聲時(shí)與P波聲速可以確定缺陷所在的深度。

4　結(jié)語(yǔ)

沖擊回波法具有突出的優(yōu)點(diǎn)，沖擊彈性波在傳播過(guò)程中遇分界面反射與繞射的傳播特性，與混凝土內(nèi)部缺陷及構(gòu)件厚度檢測(cè)具有很好的相關(guān)性，通過(guò)對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，不僅能計(jì)算梁板等構(gòu)件厚度并能有效識(shí)別其內(nèi)部缺陷及位置。本文從檢測(cè)原理及工程實(shí)例對(duì)沖擊回波法檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了闡述，文中工程實(shí)例厚度測(cè)量誤差在±3.0%以內(nèi)，可以滿足實(shí)際工程檢測(cè)精度要求，混凝土內(nèi)部缺陷能夠明顯識(shí)別。該方法尤其適用于像箱梁這種封閉結(jié)構(gòu)或只具有單一檢測(cè)面的結(jié)構(gòu)，具有較明顯的工程應(yīng)用及社會(huì)推廣價(jià)值。

[1]姜維，邵華，謝盛明，等.基于沖擊回波法的箱梁厚度檢測(cè)方法研究[J].江西科學(xué)，2015，33（5）：729-733.

[2]M.Sansalone.W.Street.沖擊-回波法及其現(xiàn)場(chǎng)型儀器在砼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[C].土木工程無(wú)損檢測(cè)國(guó)際會(huì)議譯文集[A]. 1997.

[3]林維正.土木工程質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[4]黃建新.沖擊回波法在混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[D].南京：河海大學(xué)，2006．

[5]?；鹁?沖擊回波法混凝土無(wú)損檢測(cè)的數(shù)值仿真[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.05.015

□U446

□C

□1008-3197（2016）05-44-02

□2016-08-11

□劉力博/男，1985年出生，工程師，天津市交通科學(xué)研究院，從事橋梁檢測(cè)工作。