冲击回波法检测混凝土结构.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 0 4 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N O ．6 N o v ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 - 1 9 6 4 2 0 0 4 0 6 0 7 0 3 0 5 冲击回波法检测混凝土结构 宁建国1 ，黄新1 ，曲华2 ，李学慧3 1 ．北京航空航天大学土木工程系，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．山东科技大学资源与环境工程学院，山东泰安2 7 1 0 1 9 ； 3 ．北京航空航天大学汽车工程系，北京1 0 0 0 8 3 摘要针对目前超声脉冲波检测混凝土结构缺陷的不足，系统地阐述了冲击回波法检测结构厚 度和内部缺陷、表面开口裂缝深度的原理、试验设备、实验方法和检测混凝土结构的优越性．试 验分析表明冲击回波法可检测只具有一个检测面的单层混凝土结构、检测深度也有显著的提高， 受结构混凝土材料组分与结构状况差异的影响也较小． 关键词冲击回波法；缺陷；厚度；表面开口裂缝 中图分类号T U1文献标识码A N o n d e s t r u c t i v eT e s t i n go fC o n c r e t eS t r u c t u r e s U s i n gI m p a c tE c h oUs t a gI m p a c t - E c h oM e t h o d N I N GJ i a n g u 0 1 ，H U A N GX i n l ，Q UH u a 2 ，L IX u e h u i 3 1 ．D e p a r t m e n to fC i v i lE n g i n e e r i n g ，B e iH a n gU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fN a t u r a lR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n gS D U S T ，T a i a n ，S h a n d o n g2 7 1 0 1 9 ，C h i n a ； 3 ．D e p a r t m e n to fA u t o m o b i l eE n g i n e e r i n g ，B e iH a n gU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h es h o r t c o m i n go fu l t r a s o n i ci m p u l s ew a v ef o rn o n d e s t r u c t i v e I yt e s t i n gc o n c r e t e s t r u c t u r e s ，t h ep r i n c i p l e ，t e s t i n gt e c h n i q u e ，t e s t i n gm e t h o da n ds u p e r i o r i t yo fi m p a c t e c h om e t h o d w e r ed i s c u s s e df o rm e a s u r e m e n to ft h ed e p t ho fc o n c r e t es t r u c t u r e sa n dt h ei n t e r i o rf l a w ，a sw e l la s t h es u r f a c e o p e n i n gc r a c k ．I ti ss h o w nt h a ti m p a c t e c h om e t h o di sm o r ep r e c i s ei nt e s t i n gt h ed e p t h o fc o n c r e t es t r u c t u r e sa n dt h ei n t e r i o rf l a w ，a sw e l la st h es u r f a c e o p e n i n gc r a c ko n l ya l o n gt h eo n e s u r f a c eo ft h ec o n c r e t e ． K e yw o r d s i m p a c t - e c h om e t h o d ；d e f l e c t ；d e p t h ；s u r f a c e o p e n i n gc r a c k 冲击回波法是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来 的一种新的无损检测技术，用于检测只具有一个检 测面的单层混凝土结构 如混凝土人行路。巷道衬 砌等 的内部缺陷，具有很高的精度；由于使用低频 纵波，检测深度也有显著的提高；而且受结构混凝 土材料组分与结构状况差异的影响也较小[ 1 3 ． 1 纵波传播特点 冲击回波法主要关心的是应力波中的纵波，利 用冲击回波法对混凝土结构进行无损检测，主要是 基于纵波如下的传播特点 1 当介质表面受震源作用，将产生向四周传 播的纵波 也称为压缩波、膨胀波或P 波 、剪切波 也称为扭曲波或s 波 和沿表面传播的瑞利波 R a y l e i g hw a v e ，如图1 所示．纵波的传播和介质 的容变弹性有关． 2 纵波传播时介质质点的振动方向与波的传 播方向一致，波振面呈圆形，纵波传播速度最快，口r 口。 口R ，纵波在介质表面引起的位移比剪切波 大，这是冲击回波法最主要的检测依据． 收稿日期2 0 0 4 0 2 1 4 作者简介宁建国 1 9 7 5 一 ，男，山东省宁阳县人，北京航空航天大学博士研究生，从事结构无损检测、水泥土固化机理方面的研究 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 竖向激振 幅 图1震源产生的波的类型 F i g ．1 W a v ef o ri m p u l s es o u r c eo naf r e es u r f a c e 3 纵波的传播速度与材料的物理力学性质 弹性模量E ，柏松比口，质量密度P ，拉梅常数∥，A 具有相关性．通过研究纵波在物体中的波速z ，，，可 以推演得出物体的材料弹性参数，从而可以得到材 料的弹性模量和强度． 2 冲击回波检测技术原理 2 ．1结构厚度和内部缺陷深度的检测技术原理 在介质表面用震源施加一瞬时冲击，产生应力 脉冲波 主要考虑纵波 传人介质内，被介质内部缺 陷表面 孔洞、蜂窝、分层 或底部边界反射到介质 内，反过来，又被介质表面反射回介质内，从而再一 次被介质内部缺陷表面或底部边界反射，如图2 所 示．因此，应力波在介质表面／内部缺陷表面或介质 表面／底部边界之间多次来回反射产生了瞬态共振 条件，其共振频率能在振幅谱中辨别出，可用于确 定构件厚度和内部缺陷深度． 图2 冲击回波检测技术原理图 F i g ．2 T h ep r i n c i p l eo ft h eI m p a c t e c h ot e c h n i q u e 在震源附近布置传感器，用于探测反射纵波到 达而引起的表面垂直位移，如图3 所示．图3 中用 箭头表明的是沿介质表面传播首次到达传感器的 纵波 P 波 、剪切波 S 波 和瑞利波 R 波 ，曲线 后面部分是由于应力波在介质中来回反射造成的， 反射纵波的振幅U 。r 为[ 1 3 U r e f A ， Z z Z 1 ／ Z 2 Z 1 ， 1 式中z 。，Z 2 为交界面两侧介质的声阻抗；A i 为波 引起介质颗粒运动的位移． 把传感器获得的时域信号通过快速傅立叶变 换法 F F T 转变为频域信号，即把位移一时间曲线 转换成振幅一频率关系曲线 振幅谱 ，如图2 所示， 根据式 2 可求出混凝土结构厚度． 图3 时域信号示意图 F i g ．3S c h e m a t i cw a v e f o r mw i t ht h ea r r i v a l so f t h eP 一．S a n dR w a v e f r o n t si n d i c a t e d 如混凝土结构构件中存在缺陷 蜂窝或孔洞 ， 因应力波要绕过内部缺陷才能被底部边界面反射， 而使传播路径增大．因此，在振幅谱中结构厚度频 率向低频部分漂移，这是判断缺陷存在的关键因 素．缺陷的位置也能通过振幅谱分析确定．由于纵 波在缺陷表面的反射将在振幅谱的高频部分产生 一个显著的振幅峰值或一系列显著的振幅峰值 如 混凝土结构中存在蜂窝情况 ，如图2 所示，可由式 3 推定裂缝的深度． 如所测试的构件中纵波传播的速度为G ，振 幅谱中与振幅峰值相应的主频率为厂，则内部缺陷 内部蜂窝和孔洞 深度d 或构件厚度h 为[ 2 3 d 矗 一0 ．9 6 C P ／2 f C P ．P ／2 f ， 2 式中C 附为介质中表观 视 纵波速度，为无限介 质中纵波速度的9 6 ％ 主要是考虑了结构构件形 状尺寸对纵波传播速度的影响 2 ．2 混凝土结构表面裂缝深度检测技术原理[ 3 ] 在混凝土结构表面裂缝一侧用震源敲击，产生 应力波，如图4 a 所示，应力波在结构中传播，当应 力波波前遇到表面裂缝，会改变传播模式，如图4 b 所示，沿结构传播的应力波波前被裂缝边缘反射， 形成反射波P c P ．这样，位于裂缝另一侧的接收传 感器不会接收到应力波引起的结构表面位移，当在 结构内部传播速度最快的纵波波前遇到裂缝尖端 甘甘 c d 图4纵波在表面开口介质中传播示意图 F i g ．4 S c h e m a t i ci l l u s t r a t i o n so ft h ep r o p a g a t i o no fP w a v ei nc o n c r e t ew i t ht h es u r f a c eo p e n i n gc r a c k 万方数据 第6 期宁建国等冲击回波法检测混凝土结构7 0 5 时，会发生衍射，形成球形的衍射纵波 n P 波 ，如 图4 c 所示，首次到达接收传感器的应力波即为受 裂缝尖端衍射的n P 波．如图4 d 所示．P d V 波会引 起结构表面质点明显的位移，其在时域信号表现为 显著的振幅突变，混凝土结构表面裂缝深度的确定 依赖于首次到达接收传感器的P a P 波． 冲击回波法探测混凝土结构表面裂缝深度的 检测设备布置如图5 a 所示，通常情况下H 。 H 。 H ，接收传感器1 距离震源为H 。．冲击回波仪记 录的时域曲线示意图如图5 b 所示，曲线1 为接收 传感器1 记录的波形，t 。表示沿结构表面传播的纵 波首次到达接收传感器1 所需时间，曲线2 为接收 传感器2 记录的波形，t 。表示衍射纵波P P 波首次 到达接收传感器2 所需时间，t 。．表示震源开始敲击 时间 , - - 1 人为自行设定 ．用式 3 可计算表面裂缝 的贯穿深度 a 测试仪器布噩图 b 时域信号 图5冲击回波法检测混凝土结构表面开口裂缝示意图 F i g ．5 T h em e a s u r e m e n to ft h es u r f a c eo p e n i n gc r a c kb yI Em e t h o d 3 在混凝土结构中纵波速度的确定 可用直接确定法和间接确定法确定结构中纵 波速度． 1 直接确定法 纵波在介质中传播时，介质中粒子运动方向与 纵波传播方向平行，但在介质表面，由于泊松比的 作用沿表面传播的纵波，将产生垂直波传播方向的 位移，因此，在冲击回波检测法中为确定纵波的速 度，只关心沿表面传播的纵波． 在混凝土结构构件表面震源附近布置两个间 距已知的传感器，用于探测表面纵波，图6 是用冲 击回波法探测2 ．5c m 混凝土板所得到时间一位移 曲线，图中箭头表明的是沿表面直接传播的纵波首 次到达传感器I ，Ⅱ的时间，根据两个传感器纵波 首次到达的时间差 和两个传感器之间的间距 L ，纵波在介质中的传播速度可表示为 C P L ／A t ． 4 2 间接确定法 由于混凝土结构由水泥、粗骨料、细砂等为基 材，因此混凝土结构中存在许多各相之间的界面、 原生的胶孔、毛细孔及早期非受力变形所造成的位 裂缝，因此，纵波在混凝土结构中衰减也较大，在传 感器接收的时间一位移信号中纵波的到达不明显， 需要放大许多倍以后才能确定纵波首次到达，容易 造成较大的误差． 3 图6 直接法确定纵波速度不意图 F i g ．6D e t e r m i n i n gt h eP w a v es p e e d u s i n gd i r e c tm e t h o d 由于瑞利波的能量占震源辐射总能量的 6 7 ％，占全部能量的2 ／／3 ，在传感器接收的时域信 号中容易鉴定，如图7 所示，根据纵波速和瑞利波 速之间如下的关系，可推求纵波的速度 C p C R 丽‰[ 2 1 一g ／ 1 2 户 ] l ／2 ， 5 式中∥为泊松比；C R L ／ ；A t 为沿表面传播的 瑞利波首次到达传感器I ，Ⅱ的时间差． 图7间接法确定确定纵波速度时域信号 F i g ．7S i g n a la c q u i r e df o rP w a v ev e l o c i t y m e a s u r e m e n tu s i n gi n d i r e c tm e t h o d s 万方数据 7 0 6中国矿业大学学报 第3 3 卷 4 冲击回波检测试验设备 冲击回波无损检测法所需的实验设备包括球 形冲击器、接收传感器、动态信号分析仪和电脑，试 验设备示意图如图2 所示． 球形冲击器配有6 个冲击头，分别带有直径为 5 ，6 ，8 ，9 ．5 ，1 2 ．8 ，2 0m m 的钢珠，可产生不同宽度 的应力脉冲 大约在1 5 ～1 0 0 肛s 之间 [ } 5 | ． 冲击持续时间t c 钢珠与混凝土表面的接触时 间 决定了所产生的应力脉冲的频率成分，进而影 响振幅谱中振幅峰值的大小，从而影响主频率的确 定，要想获得高质量数据就应选择合适的冲击持续 时间．对于直径为D 单位m 的钢珠冲击混凝土表 面产生的冲击持续时间为[ 6 3 t 。 0 ．0 0 4 3 D ． 6 产生的最大频率为 L 。一1 ．2 5 ／t 。 2 9 1 ／D ． 7 脉冲的大部分能量包含在低于大约1 ．5 ／t ，的 频率段内[ 3 ‘，但要注意的是，用冲击回波法探测构 件内部的缺陷，要想纵波在缺陷和构件表面之间来 回反射，应要求纵波波长满足下列要求 A ≤Z ，A 1 0 0 钢珠直径／m m 56 ～88 ～9 ．59 ．5 ～z o2 0 以上 接收传感器一般有加速度计和位移传感器，接 收由冲击所产生的响应．一般情况下，接收点应尽 量靠近冲击点，否则纵波、剪切波、瑞利波堆积在一 起不易区分，接收器与震源间的距离应大于0 ．1 0 m ，一般为0 ．1 5m ．接收器与震源间的距离也不应 太大，因为随着距离的增大，纵波引起的垂直位移 幅值减小，不易被接收，一般不能超过0 ．3m [ 引． 动态信号分析仪的主要功能是采集波形和 A ／D 转换．一般测试时，可使用5 0 0k H z 采样频率， 该系统设置的采样点数有5 1 2 ，1 0 2 4 两种．为提高 频率分辩力 直接关系到厚度的测量精度 可适当 增多采样点数和降低采样频率．当测量较厚结构 时，可启动该系统的频率细化功能． 计算机在显示波形的同时也进行傅立叶变换， 获得冲击响应的频谱图 振幅谱 ，并自动从大到小 排序，确定频谱图振幅峰所对应的频率值，再按式 2 或 3 计算出相应的厚度或深度． 5 应用实例 5 ．1冲击回波法确定单层混凝土结构质量 为了检测某桥墩的厚度，用带有直径为1 2 ．8 m m 钢珠的电控机械冲击器，震源冲击持续时间为 4 0 肛s ，震源和传感器之间的距离为1 0 0m m ．两传 感器之间距离为3 0 0m m [ 8 ] ．用带通滤波器提高每 一信号的信噪比，采样率为1 0 0k H z ，采样点数为 1 0 2 4 ，信号分辨率为常数0 ．0 9 8 ，测量的厚度精度5 c m ，在每一测点测试1 0 次，取其平均值． 纵波速度的测定．在桥墩的3 个已知厚度且没 有缺陷的测点进行测试，应用直接法，根据式 2 推 出3 个测点的纵波速度，由于结构组成成分的复杂 性，平均测定的结果．通过测试得到纵波传播速度 为3 0 0 0m ／s ． 为了便于解释结果，我们把混凝土结构分为以 下几个等级质量较好 V G B 、质量一般 F B 、质 量低下 P B 、质量较差 V P B ． 图8 为V P B 混凝土结构冲击回波法检测的频 谱图．从图8 中可见，在高频60 5 4H z 处有一振幅 峰值，这是应力波在内部缺陷和构件表面来回反射 造成的，在低频11 7 2H z 处有一峰值振幅，这是应 力波在混凝土底部边界多次反射的结果．此外，可 以看出与结构厚度相应的振幅峰值远远小于与缺 陷深度相应的振幅峰值，这说明应力波能大部分被 缺陷表面反射，只有一小部分波能到达底部边界， 所以在该测点我们可以认为V P B 区． 1 8 1 6 1 4 1 2 l O 8 6 4 2 0 图8V P B 混凝土结构频谱图 F i g ．8F r e q u e n c ys p e c t r u mo fV P Bc o n c r e t es t r u c t u r e 图9 为P B 混凝土结构冲击回波法检测的频 谱图．从图9 中可见，在低频8 7 8H z 处有一振幅峰 值，这是应力波到达底部边界多次反射的结果；在 高频51 0 0 ～72 0 0H z 之间有许多振幅峰值，振幅 万方数据 第6 期宁建国等冲击回波法检测混凝土结构 7 0 7 峰值大于低频部分的振幅峰值，表明在混凝土结构 中存在小的孔洞或蜂窝． 图9P B 混凝土结构频谱图 F i g ．9F r e q u e n c ys p e c t r u mo fP Bc o n c r e t es t r u c t u r e 图1 0 为F B 混凝土结构冲击回波法检测的频 谱图．从图1 0 中可见，在低频12 6 9H z 处有一较 大振幅峰值，这表明有大部分应力波能到达底部边 界，在高频52 7 3H z 处有一振幅峰值，这表明在结 构中有缺陷存在． 图1 0F B 混凝土结构频谱图 F i g ．10F r e q u e n c ys p e c t r u mo fF Bc o n c r e t es t r u c t u r e 图1 1 为V G B 混凝土结构冲击回波法检测的 频谱图．从图1 1 中可见，只在低频13 6 7H z 处有 一振幅峰值，在高频部分之有一些小的振幅峰值， 远远小于低频部分的振幅峰值，这表明几乎所有的 应力波能传播到底部边界，在顶部表面和底部边界 之间来回反射． 图1 1V G B 混凝土结构频谱图 F i g ．11F r e q u e n c ys p e c t r u mo fV G Bc o n c r e t es t r u c t u r e 5 ．2 冲击回波法确定混凝土结构表面开口深度 在结构尺寸为6 0 01 T i m 6 0 0m m 1 2 0 0m m 的混凝土试件上测试深为2 5 ，5 0 ，7 5m m 的表面裂 缝口] ．震源冲击持续时间为2 5 “ s ，震源产生的应力 波沿表面传播，首先被传感器1 接收，纵波经裂缝 尖端衍射后到达传感器2 ．设t 。为纵波首次到传 感器1 的时间，t 。为纵波经衍射后首次到达传感器 2 的时间，如图1 2 所示 探测裂缝深度为2 5m m 的 时间一位移曲线 ，式 2 得出表面开口裂缝深度为 2 8m l T l ，和实际裂缝深度2 5I T l l T I 相差不多．实际 开口深度为5 0 ，7 5I T l m 的裂缝测定深度分别为 4 8 ．6 ，7 6 ．4m l T l ，精确度为1 0 ％． 图1 2 冲击回波法检测混凝土结构表面开口裂缝 F i g ．12 T h em e a s u r e m e n to ft h es u r f a c e o p e n i n gc r a c kb yI Em e t h o d 参考文献 [ 1 ] K u m a rA ，R a jB ，K a l y a n a s u n d a r a mP ，e ta 1 ．S t r u c t u r a li n t e g r i t ya s s e s s m e n to ft h ec o n t a i n m e n ts t r u c t u r e o fap r e s s u r i z e dh e a v yw a t e rn u c l e a rr e a c t o ru s i n g i m p a c te c h ot e c h n i q u eL J ] ．N D T ＆．EI n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 2 ，3 5 4 2 1 3 - 2 2 0 ． [ 2 ] G o u e y g o uM ，P i w a k o w s k iB ，O u l dS ，e ta 1 ．A s s e s s m e n to fb r o a d b a n du l t r a s o n i ca t t e n u a t i o n m e a s u r e m e n t si n i n h o m o g e n e o u sm e d i a [ J ] ． U l t r a s o n i c s ，2 0 0 2 ，4 0 7 7 7 8 2 ． I - 3 ] S a n s a l o n eM ，L i nJM ，S t r e e t tWB ．D e t e r m i n i n gt h e d e p t h o f s u r f a c e o p e n i n g c r a c k s u s i n gi m p a c t g e n e r a t e ds t r e s sw a v e sa n dt i m e - o f f l i g h tt e c h n i q u e s [ J ] ．A C IM a t e r i a l sJ o u r n a l ，1 9 9 8 ，7 6 3 1 6 8 1 7 7 ． [ 4 ] 吴新旋．混凝土无损检测技术手册[ M ] ．北京人民交 通出版社，2 0 0 3 ． E 5 3 新编混凝土无损检测技术编写组．新编混凝土无损 检测技术 应用新规范 [ M ] ．北京中国环境科学出 版社，2 0 0 2 ． E 6 ] C o l l aC ，L a u s c hR ．I n f l u e n c eo fs o u r c ef r e q u e n c yo n i m p a c t e c h od a t aq u a l i t yf o rt e s t i n gc o n c r e t es t r u c t u r e s E J ] ．N D T Ei n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 3 ，3 6 4 2 0 3 2 1 3 ． [ 7 ] H s i a oC ，L i nYC H ，C h a n gCF ．N o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n o fc o n c r e t e q u a l i t y a n d i n t e g r i t y i n c o m p o s i t ec o l u m n s I - J ] ．N D T ＆．I n t e r n a t i o n a l ，1 9 9 9 ， 3 2 6 3 7 5 3 8 2 ． [ 8 ] S a d r i ．A ．A p p l i c a t i o no fi m p a c t e c h ot e c h n i q u ei n d i a g n o s e sa n dr e p a i ro fs t o n em a s o n r ys t r u c t u r e s [ J ] ． N D T EI n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 3 ，3 6 5 1 9 5 2 0 2 ． 1 - 9 ] S a n s a l o n eM ，L i nJM ，S t r e e t tW B ．AP r o c e d u r ef o r d e t e r m i n i n g P w a v es p e e di nc o n c r e t ef o ru s ei n i m p a c t - e c h ot e s t i n gu s i n g aP ‘w a v e s p e e d m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e [ J ] ．A C IM a t e r i a l sJ o u r n a l ， 1 9 9 7 。9 4 6 5 3 1 5 3 9 ． 责任编辑陈其泰 万方数据