沖擊回?fù)茼憫?yīng)分析研究

張國偉　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:通過測試板狀結(jié)構(gòu)上距板邊緣不同距離的位置，分析了沖擊回波在測試距離板邊緣較近的部位時(shí)的準(zhǔn)確性，并對比了板狀結(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)在測試距離板邊緣小于板厚的位置時(shí)，測試結(jié)果會有偏差，相對靠近板中的位置的測試結(jié)果，會出現(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)行測試。IE測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。本文通過檢測實(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)力波會被反射回來，另一部分入射應(yīng)力波會被折射進(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)對四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測量分析，分別為厚度15 cm的密實(shí)混凝土板( 1號板)、厚度25 cm的混凝土板( 2號板)、厚度20 cm并含有孔洞的混凝土板( 3號板)以及邊長39.5 cm的混凝土柱。在每種結(jié)構(gòu)表面畫出相應(yīng)的測線，測量時(shí)，要保證結(jié)構(gòu)表面平整干凈，推動小車沿測線勻速掃描，每條測線測量20次。具體尺寸及測線布置見圖2。

圖2　測線方案

2　結(jié)果分析

2.1測量位置對測量結(jié)果影響分析

圖3是1號板五條測線的測量結(jié)果，每條測線都進(jìn)行20次測量并取平均值。測線1～測線4的測試結(jié)果基本一致，顯示板的厚度都是15 cm左右，基本沒有偏差，結(jié)果穩(wěn)定。說明幾乎所有的應(yīng)力波都是從板底反射回來被采集儀接收到，很好的反映了板的厚度信息。而測線5的測量結(jié)果偏大，而且不穩(wěn)定，原因是測線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，從板底反射回來的應(yīng)力波受到了從板邊緣反射的應(yīng)力波的影響，測量結(jié)果不穩(wěn)定。為了分析IES測量含有孔洞的板時(shí)是否也有這種影響，對3號板也進(jìn)行了測量。圖4是3號板的測量結(jié)果，可以看到，測線2整體比測線1的結(jié)果偏大，跟圖3中1號板的測量結(jié)果趨勢一樣。說明3號板測線2的測量結(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)含孔洞板頻域圖對比分析

圖5和圖6是使用IES測量3號板的兩個(gè)典型測點(diǎn)的結(jié)果的頻域圖，實(shí)際板厚20 cm，在測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顯示的是測點(diǎn)下方無孔洞測點(diǎn)的測量結(jié)果，圖6顯示的是測點(diǎn)下方有孔洞測點(diǎn)的測量結(jié)果。那么根據(jù)式( 1)可以計(jì)算出板厚對應(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，說明板下是密實(shí)的，無孔洞。

圖3　1號板測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4　3號板測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖5　3號板無孔洞位置頻域圖

圖6　3號板有孔洞位置頻域圖

從圖6的結(jié)果看出，波峰對應(yīng)的頻率是7 683 Hz?？梢缘贸觯?dāng)板內(nèi)有孔洞時(shí)，板厚對應(yīng)的頻率會比相同厚度的實(shí)心板對應(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，所對應(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。通過以上的對比可知，若板內(nèi)有孔洞，應(yīng)力波的頻域圖與沒有孔洞的實(shí)心板的頻域圖會有一個(gè)明顯不同。有孔洞的板的板厚頻率會向低頻漂移，比實(shí)心板的厚度對應(yīng)的頻率低，這是判斷板內(nèi)有無孔洞的重要標(biāo)志;理論上有孔洞的板的頻域圖會有兩個(gè)明顯波峰，一個(gè)是名義板厚對應(yīng)的波峰，在頻率較高的地方還會有一個(gè)較小的波峰，這個(gè)波峰對應(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比分析

圖7是使用IES測量2號板的一測點(diǎn)的測量結(jié)果的頻域圖，2號板實(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號板無孔洞位置頻域圖

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應(yīng)的頻率波峰(我們稱為基本頻率)，還會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)面反射回來相互干擾疊加形成的，對反映柱子的密實(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)波峰對應(yīng)的頻率反映板的厚度。柱子實(shí)際尺寸為邊長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。測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比見表1，測量結(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)測結(jié)果

對于表1中誤差的分析:沖擊回波探測儀的精度大概在400 Hz，也就是說，測量結(jié)果誤差不超過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)測過程中，柱子不是純素混凝土柱，里面含有鋼筋，可能會對測量結(jié)果產(chǎn)生一點(diǎn)影響;柱子表面不平整，澆筑時(shí)的誤差都會對測量產(chǎn)生不可預(yù)知的影響。

3　結(jié)語

通過本次實(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應(yīng)的頻率比相同厚度的密實(shí)板對應(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，根據(jù)式( 1)可知，頻率會向低頻漂移，這是判斷板內(nèi)有無孔洞的重要標(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

作者簡介:張國偉(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:1009-6825( 2016) 04-0023-03

中圖分類號:TU311

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A