基于沖擊回波法的混凝土構件厚度及內部缺陷檢測技術研究

□文/劉力博

基于沖擊回波法的混凝土構件厚度及內部缺陷檢測技術研究

□文/劉力博

文章闡述了沖擊回波法檢測混凝土構件厚度、內部缺陷的原理及應用方法并結合工程案例，對檢測的可靠性進行驗證。結果表明：沖擊彈性波在傳播過程中遇分界面反射與繞射的傳播特性，與混凝土構件厚度及內部缺陷檢測具有很好的相關性，通過對沖擊回波法測試信號進行頻譜分析，不僅能計算梁板等構件厚度并能有效識別其內部缺陷及位置。

混凝土；缺陷；厚度；沖擊回波法；無損檢測

在現(xiàn)澆橋梁施工過程中，由于有較多工序，配筋也較密，如果施工控制不嚴，容易出現(xiàn)空洞、不密實及板厚不足等缺陷，直接關系到橋梁上部結構的實體質量。在頻繁重載作用下，易由薄弱部位逐步發(fā)展成嚴重損害部位，存在沖剪和壓潰破壞的風險[1]。為保證橋梁安全可靠，必須對其進行全面檢測，及早發(fā)現(xiàn)病害并加以治理。目前的檢測方法有鉆芯法、超聲波法、雷達法等，但各自都存在著一定的缺點。沖擊彈性波法作為一種新興混凝土無損檢測技術，其優(yōu)點是沖擊能量大、沖擊源簡單、僅需單一測試面，對于不同幾何形狀的混凝土結構，有相應的波形和頻譜特性[2]，不僅可以檢測混凝土結構厚度還可以測定混凝土內部是否有缺陷并確定位置及范圍。

1　測試原理

在沖擊混凝土堅硬的物體表面時，形成一瞬間應力脈沖。該應力脈沖由壓縮波（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?。當P、S波在傳播過程中遇到缺陷或邊界（底面）時，由于兩種介質的聲阻抗率不同，應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）之間產生多重反射，結果形成瞬時的類諧振條件。當把一個傳感器置于沖擊點附近時，即可測出該處由于多次反射波引起的表面位移響應[3]。由于P波引起的表面位移比S波大得多，沖擊回波法主要關心的是P波。將所得到的沖擊位移響應進行快速傅里葉變換（FFT），即獲得該沖擊響應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）間來回反射形成的振幅加強所致，頻譜圖上某個峰值對應的厚（深）度即可通過式（1）計算。

式中：h為某個峰值對應的厚（深）度；f為頻譜圖上的頻率峰值；Vp為被測體聲速。

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　被測體的聲速值的確定

為計算被測體厚度及缺陷深度，首先應知道被測體的聲速VP，可采用以下2種方法。

1）現(xiàn)場標定法。選取一處有代表性且厚度已知的部位，進行沖擊回波測試，按式（1）計算聲速VP，這是最合理的確定聲速的辦法。

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

式中：β為幾何形狀系數(shù)，可取0.96。

3　應用實例

3.1厚度測試

某大橋全長296.43 m，上部結構為預應力現(xiàn)澆混凝土箱梁，箱梁頂板厚度設計值22 cm。采用沖擊回波法對頂板厚度進行測試，現(xiàn)場在結構物表面用打擊錘擊振彈性波并通過壓電式加速度傳感器采集在分界面處的反射信號。其中小直徑的打擊錘擊振產生的應力波高頻成分較多，適合檢測厚度較小的板。本次檢測聲速測定采用現(xiàn)場標定法。為保證構件厚度值滿足95%的保證率，每個測點重復測試10次以上并采用數(shù)理統(tǒng)計的公式對多次的測試值進行最優(yōu)推定值計算。

圖1為單個測試數(shù)據的頻譜分析圖，峰值正是由于彈性波在頂面與底面間來回反射形成的振幅加強所致，峰值對應的頻率就是板厚度頻率，再根據式（1）即可計算板厚。圖1中板厚度頻率已換算為應力波傳播的時間T，即頻率的倒數(shù)，這樣顯示更為直觀。

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

圖1　單個測試數(shù)據頻譜

圖2　多次測試數(shù)據頻譜

現(xiàn)場對5個測點的檢測數(shù)據進行鉆孔驗證，驗證結果對比見表1。

表1　沖擊回波法與鉆孔法厚度結果對比

由表1可以看出，與鉆孔驗證結果相比，沖擊回波測試誤差在±3.0%以內。另外P波波速對檢測結果有較大影響，因此選擇P波聲速測試位置時應具有代表性，當檢測部位的混凝土材料及配比、施工方法等發(fā)生變化時，應重新測試P波波速。條件允許時，現(xiàn)場應多測試幾處，從而確定聲速是否存在較大偏差。

3.2內部缺陷測試

對某預應力小箱梁底板進行混凝土缺陷檢測，在小箱梁底板布置了2個測區(qū)，分別距離現(xiàn)狀南側梁端17.5、13.5 m；每個測區(qū)中縱向布置2條測線，測線間距0.2 m，每條測線布置若干測點，測點間距0.1 m，采用沖擊回波法進行測試，其中1#測區(qū)測線2檢測結果見圖3。

圖3　測線2彩色等值線頻譜

圖3中矩形框內區(qū)域存在較明顯的反射信號，為介質不連續(xù)性缺陷，根據橫坐標的聲時與P波聲速可以確定缺陷所在的深度。

4　結語

沖擊回波法具有突出的優(yōu)點，沖擊彈性波在傳播過程中遇分界面反射與繞射的傳播特性，與混凝土內部缺陷及構件厚度檢測具有很好的相關性，通過對測試信號進行頻譜分析，不僅能計算梁板等構件厚度并能有效識別其內部缺陷及位置。本文從檢測原理及工程實例對沖擊回波法檢測技術進行了闡述，文中工程實例厚度測量誤差在±3.0%以內，可以滿足實際工程檢測精度要求，混凝土內部缺陷能夠明顯識別。該方法尤其適用于像箱梁這種封閉結構或只具有單一檢測面的結構，具有較明顯的工程應用及社會推廣價值。

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

[2]M.Sansalone.W.Street.沖擊-回波法及其現(xiàn)場型儀器在砼結構無損檢測中的應用[C].土木工程無損檢測國際會議譯文集[A]. 1997.

[3]林維正.土木工程質量無損檢測技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

[4]黃建新.沖擊回波法在混凝土結構無損檢測中的應用[D].南京：河海大學，2006．

[5]?；鹁?沖擊回波法混凝土無損檢測的數(shù)值仿真[D].武漢：華中科技大學，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，天津市交通科學研究院，從事橋梁檢測工作。