彎曲界面的縱波層析成像技術(shù)

王安飛

(南京交通運營管理集團有限公司，南京 211800)

在進行大跨度鐵路連續(xù)梁橋檢測時發(fā)現(xiàn)，作為懸臂現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，0號塊澆筑過程中由于其致密鋼筋網(wǎng)及振搗不充分的影響，內(nèi)部較容易形成不密實區(qū)域，影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全?，F(xiàn)今行業(yè)內(nèi)主要采用雷達和彈性波檢測技術(shù)對運營中的橋梁進行檢測[1]。另外，通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，雷達檢測技術(shù)對內(nèi)部存在致密鋼筋網(wǎng)的混凝土構(gòu)件的檢測效果較差，因此彈性波檢測技術(shù)成為主要檢測方法。目前行業(yè)內(nèi)的彈性波檢測儀適合用于檢測規(guī)則的矩形構(gòu)件，無法對曲面構(gòu)件進行直接檢測。筆者從工程實際出發(fā)，對檢測過程中遇到的曲面構(gòu)件進行了彈性波層析成像研究，并對結(jié)果進行了反演成像及現(xiàn)場驗證。

1 彈性波檢測原理

應(yīng)力波是應(yīng)力和應(yīng)變擾動的傳播形式，而彈性波是應(yīng)力波的一種，即擾動或外力作用引起的應(yīng)力和應(yīng)變在彈性介質(zhì)中傳遞的形式，從波的傳播方向和質(zhì)點的振動方向來進行分類，主要分為縱波和橫波，文章研究的對象為縱波。根據(jù)已有的研究可知，利用縱波聲速來評價混凝土構(gòu)件內(nèi)部的密實質(zhì)量具有明確的理論支撐[2-3]。LESLIE等提出的混凝土質(zhì)量評價標準為：聲速大于4 500 m·s-1為優(yōu)；聲速為3 6004 500 m·s-1為好；聲速為3 0003 600 m·s-1為一般；聲速為2 1003 000 m·s-1為差；聲速小于2 100 m·s-1為劣。楊武[4]介紹的混凝土質(zhì)量評價標準為：聲速大于4 120 m·s-1為優(yōu)；聲速為3 3004 120 m·s-1為良好；聲速為2 7503 300 m·s-1為一般；聲速為1 9202 750 m·s-1為較差；聲速小于1 920 m·s-1為很差?？梢?，縱波聲速已被作為重要指標廣泛應(yīng)用于混凝土內(nèi)部質(zhì)量的評價中。

2 彎曲界面模型

使用傳統(tǒng)彈性波法檢測混凝土內(nèi)部缺陷時，最常見的檢測剖面為雙面平行的矩形剖面和僅有一組對面平行的梯形剖面，由于在工程混凝土的檢測中彎曲界面較少，且混凝土缺陷檢測的相關(guān)規(guī)范中有關(guān)于平行檢測面的強制要求，故目前對彎曲界面檢測的研究不多。為了滿足工程實際需要，文章以彎曲界面為模型進行檢測研究。單彎曲界面檢測剖面模型如圖1所示(圖中F1～F11為激震點，S1～S11為受信點)。

圖1 單彎曲界面檢測剖面模型

3 工程應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)彈性波CT檢測

使用傳統(tǒng)CT(電子計算機斷層掃描)方法進行現(xiàn)場檢測時，一般沿底板向上布置3個檢測剖面，1#剖面距0號塊底板8 cm，2#，3#剖面間隔10 cm依次向上布置。圖2為1#剖面?zhèn)鹘y(tǒng)彈性波CT檢測的結(jié)果(使用SCE-MATS型混凝土多功能檢測儀數(shù)據(jù)處理軟件,圖中百分比為該波速區(qū)域的體積占比)。由圖2可見，由于人孔內(nèi)壁存在植入鋼板和傳統(tǒng)方法對較高波速反應(yīng)不敏感(鋼材中縱波聲速≥5 900 m·s-1)，傳統(tǒng)的彈性波CT檢測模式已無法顯示出人孔的位置。

3.2 曲面彈性波CT檢測

針對該0號塊的特點，采取分區(qū)檢測的測區(qū)布置方式對其曲面進行彈性波CT檢測，測區(qū)布置如圖3所示。

圖3 曲面彈性波CT檢測測區(qū)布置示意

圖3中，測區(qū)A，D采用傳統(tǒng)方法進行檢測；測區(qū)B，C的檢測方式如圖1所示，檢測得到11×11個聲時數(shù)據(jù)。反演成像時，首先對該測區(qū)進行網(wǎng)格劃分(等間隔劃分)，將測區(qū)劃分為20×20個不規(guī)則的四邊形單元，共21×21個節(jié)點，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 反演成像時測區(qū)的網(wǎng)格劃分結(jié)果

利用聯(lián)合迭代反演算法計算單元及節(jié)點上的彈性波聲速[5]，使用MATLAB軟件編寫反演程序?qū)y區(qū)數(shù)據(jù)進行反演成像[6]。區(qū)域C的反演成像結(jié)果如圖5所示。

圖5 區(qū)域C的反演成像結(jié)果

由圖5可知該測試剖面平均聲速為4 237 m·s-1，混凝土內(nèi)部整體密實性完好，但存在部分低速區(qū)域(圖中線框所在區(qū)域)，最低聲速為3 167 m·s-1，疑似為不密實區(qū)域。后對該區(qū)域進行了現(xiàn)場鉆孔，鉆孔內(nèi)窺檢測結(jié)果如圖6所示，可見，該區(qū)域混凝土確實存在不密實現(xiàn)象。

圖6 低聲速區(qū)鉆孔內(nèi)窺檢測結(jié)果

4 結(jié)語

從工程實際出發(fā)，針對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁0號塊內(nèi)部缺陷檢測過程中，傳統(tǒng)CT檢測方法無法解決的問題，提出了曲面彈性波CT檢測方法。利用聯(lián)合迭代算法對檢測結(jié)果進行了反演成像處理并進行現(xiàn)場驗證，說明了該檢測方法結(jié)果直觀、可靠，具有指導(dǎo)意義。