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| 超声检测在土木工程中的应用研究 |
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作者： 转载自： 发布日期：2014-8-1
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摘要：超声检测是近年来发展最快的一种无损检测手段．已广泛应用于工业生产的各个部门。在土木工程中，应用超声波对混凝土结构进行健康检测、安全评估已成为新的研究热点，重点介绍了超声波在混凝土质量监测中的各种具体应用，在实践中取得了良好的经济效益。
关键词：超声检测；混凝土结构；声时；声幅
在无损检测技术中，超声法是最主要的方法之一，它用于混凝士检测，在国外始于2O世纪40年代末，中国于2O世纪50年代后期开始进行这项技术的研究应用，特别是最近20年来，取得了相当进展，已广泛应用于水电、交通、建筑、铁道、冶金等部门的各项工程，取得了很好的技术经济效益。交通部颁发的《港口工程混凝土试验规范》，水利电力部颁发的《水工混凝土试验规范》
均已将超声检测混凝土强度和裂缝的方法编人试行，中国工程建设标准化协会颁发的《超声法检测混凝上缺陷技术规范》。(CECS21：90)，已在全国工程建设混凝土质量的检测中实施，对确保工程质量起到了关键作用。众所周知，混凝土的非破损检测技术是衡量一个国家土建测试技术水平的重要标志之一，各种桩基础，高层建筑结构，桥梁和公路都需进行健康检测和安全评估，因此超声法具有广阔的发展前景，将就此应用作一些简单介绍。
1 超声检测的基本原理及其优点
超声检测技术是利用频率很高的超声波(一般为l0～250kHz)作为信息的载体，对混凝土构件进行探测，测量超声脉冲纵波在结构混凝土中的传播速度、首波幅度和接收信号频率等声学参数，并根据这些参数的相对变化，判定混凝土中的缺陷情况。超声波用于混凝土结构检测的优点是检测可靠，测定迅速，操作简便，便于在现场使用，对系统不改变运行状态，另外研制成的仪器设备比较便宜，可用性好，寿命长，携带方便，所以应用非常广泛．将分别作一些简单的介绍。
2 超声检测在土木工程中的应用
2．1 检测混凝土强度。包括测定混凝土结构物现在强度及用于强度发展，变化有关的检测
众所周知，超声法检测混凝土的强度基于混凝土 度R与超声波在混凝土中的传播速度V之间有较好的相关性。一般说来，混凝土强度越高，超声波传播速度越快。若预先建立强度R与声速V之间的函数关系式R-R(V)，即所谓的测强曲线，则可根据在实体结构物上测得声速反推混凝土的强度、原材料、配合比和混凝土的养护条件和龄期对测强曲线的影响比较敏感。
目前，用超声脉冲法来推定结构混凝土强度主要有二个方法，即校准曲线法和修正系数法。
2．1．1 校准曲线法
在试验室内制定一定数量的立方块，同时对试块进行测量声速和用破损方法实测抗压强度，然后建立强度R与声速V的关系规律，可用GRAPHTOOL软件对数据进行回归，这种方法，必须在混凝土的各种强度影响因素相同时，才能具有较高的精度。
2．1．2 修正系数法
当被测混凝土的各项技术条件与建立曲线的原始条件不符时．则采用修正系数法，这种方法是在用数理方法求出该曲线的回归方程后，凡条件差异时，则乘以一定的修正系数加以修正。
将超声脉冲法与回弹法综合使用超声 回弹综合法，则既能反映混凝土的弹性，又能反映混凝土的塑性；既能反映表层状态，又能反映内部的构造；自然能比较确切地反映混凝土的强度。我国已经制定“超声 回弹综合法检测混凝上抗压强度规程”(CECS02：88)，对于新旧建筑物的混凝土检测，超声法都可应用。
日本在这方面曾经采用纵波速度+横波速度+纵波频率+横波频率+纵波脉冲幅度+横波脉冲幅度之和来综合评定强度。
目前，国家规范及各地区都建立了基准测强曲线可供参考。但是应该注意到建立基准测强曲线时，混凝土试件是在不受力状态下测得波速的，而实际工程中的构件．则是处于不同的受力状态，那么推定混凝土强度时，受力状态下测得的波速是否需要修正?混凝土的应力应变关系是非线性的，弹性模量E随应力的增长而降低，而波速与 的关系则是混凝土超声测强的基础，经做试验，得出波速对应力的变化不敏感，当应力火于最大应力的百分之七十时，波速才有较明显的变化，因此对处于正常承载状态的承力构件，利用波速强度基准曲线推测混凝土的强度无须修正。
2．2 检测混凝土的裂缝
混凝土和钢筋混凝土结构常因各种原因产生裂缝。由于裂缝的存在使结构物的整体性和其它性能降低，甚至危害建筑物的安全和寿命。超声脉冲法提供了一种方便的探测裂缝的深度、走向检测手段。
对混凝土线裂缝深度(50nm~以下)超声法检测主要有TC—TO法、英国标准1k％-4408法等，CECS21：9O《超声法检测混凝土缺陷技术规程》推荐使用 Tc—T0法。
上述方法中，声通路测距BS-4408法以二换能器的边刮边计算，而TC-T0法则以二换能器的中到中计算，实际上声通路既不是二换能器的边到边的距离．也不是中到中距离。CECS21：9O中介绍了以平测“时距”坐标图中I 轴的截距，即直线方程回归系数的常数项作为修正值．修正后的测距离提高Tc—T0法精度，但增加r检测工作量，实际操作比较麻烦，且复测时往往由于二换能器的耦合状态程度及其间距的变化．使检测结果重复性不良。
应用Bs-4408法时．当二换能器跨缝间距为60cm．发射换能器声能在裂缝处产生很大衰减，绕过裂缝传授到接收换能器的趟声信号已很微弱。因此，日本提出了“修改Bs-4408法方案，此方案将换能器到裂缝隙的距离改为a ≤10cm，这样就使二换能器跨缝最大间距缩短在40cm以内。
在工程中．混凝上裂缝深度是个待测量的未知数，井且．当钢筋穿过裂缝隙而又靠近换能器时，钢筋将使声信号“短路”，渎取的卢时不反映裂缝的深度。
因为以上原因，文献 s 提出了超声波首波相位反转法捡测混凝土裂缝深度的新方法，它是利用低频趟声脉冲在混凝土中绕射的特性而提出的，操作中只要移动换能器，根据超声酋波相位反转临界点，可采什{观察示波器卣波振幅反转法或采用自动档声时突变法，即叮确定混凝土的裂缝深度，与其它检测方法相比，无须通过公式计算，检测简单，直观方便。
此外，可利用检测裂缝的类似方法检测混凝土接缝质量以及灌浆，浸渍处理效果．混凝土板底面砂浆牯接质量等等。
2．3 探测混凝土内部缺陷(空洞、架空、疏松区)的部位及其大致范围
目前，常用的缺陷分析判断方法町分为三大类：
第一类是数值判据法，即根据测试值，经适当的数学处理后．找出一个可能存在缺陷的临界值作为判断的依据。为此，必须在测定的声参数和存在缺陷的可能性之间建立合理的数学或物理模型，以便找出适当的判据形式。这种疗法能对大量测试数据作出明确的定 的判断。数值判据是超声脉冲测试技术中近年发展起来的一个新领域，它使砼超声测缺技术由原先经验性的判断方法变成r根据实测数值的定量判断，无疑是一次重大进展。当前已提出的数值判据有四种：①单因素概率法判据；②斜率与时间差值乘积判据(简称PSD判据)；③多凶素概率法判据(简称NFB判据)；④多因素模糊综合判据。其中，模糊综合i、平判法是利用模糊数学原理，因而在判定时 受多种随机因素的影响，适用面广．从而提高判据的呵靠性，但是此方法尚未收入规范。
第二类为声场阴影区重叠法，即从不同的方向测出缺陷背向所肜成的声阴影区．这些声阴影的重叠区即为缺陷所在的位置。该方j上直观明确，但测 必须细致．效率较低，通常用于住数值判据法确定缺陷位置后的细致判断．以便在数值判据粗略判断缺陷后的仔在之后，仔细测量缺陷的位置．大小及性质。第三类为信息处理法，此法利用信息处理方面的技术 相关分析、域变换、滤波、谱分析等，对检测所获得的信号进行加工、分析和识别，从而尽可能多地获取有用信息，为数值判据提供更多、更准确的参数，增加数值判据的可靠性。另外，有研究表明，利用信息处理法可得出缺陷的大致形状，即所谓“成像”。目前，此法在无损检测中的运用还处于初级阶段，还有待进一步开拓。
2．4 检测混凝土的厚度
混凝土结构的破坏层厚度，路面厚度以及隧道喷锚支护混凝土厚度的测量，都是有重要意义和实用价值，当前，超声检测混凝土的厚度主要有三种方法：一是窄脉冲探头法；二是脉冲相关法测量底面反射波：二是用分离谱法增强底面反射信号。众所周知，混凝土是非均匀介质，特别是粗骨料的声散射给检测工作造成很大困难，所以超声波法检测混凝土的厚度是当前国内外正在研究的难题之一，研究内容主要有两个方面，即超声换能器性能提高和信号处理方法，适合于混凝上检测用的宽带超声换能器的研制，埘提高底波反射信号的灵敏度是很重要的。如何排除或减少直达波和散射波的影响，提高反射波的识别能力．则是信号处理的内容。
国外学者 raknbayashil、和Ishida．等于1984年提出了，用振动法测量厚度的方案．精度达到±5 ，文献[6]通过实验发现，不需要采用特制的超声换能器，只要用普通高频换能器作为发射
探头，低频换能器作接收探头，而采用互相关分析法，即可准确找到反射波，且计算厚度与实际厚度的相埘误差小于2 ，值得推广使用。
3 应用发展趋势及有待解决的问题
随着电子技术的发展，超声检测止向着数字信号处理及成像方面发展 。已经应用或正在研究采用的数字信号处理技术是：时间渡越衍射技术( r0FD)、合成孔径聚焦技术(SANI、)、裂谱分折(SPII、SPECI’RI rMANAI YSIS)、倒谱分折(CEPSI、RAI ．~NAIYSIS)、聚类分析(CI SI、ER ANAI YSIS)、模式识别和分忻(P．XII'ERNRE Nl FI()N ANAI YSIS)、随机模式( (X’H． S—rrIC MODELS)、自适应学习网络(AIJAI~I’IVE I．E．M
混凝上超声检测仪从传统型正在向智能化方向发展，具有自动检测．臼动现场记录，自动数据处理，自动显示和打印结果等功能，实现了汉字化全信息屏幕显示，具有人机对话功能。但是，超声检测还有许多有待解决的问题：
(1)通过智能仪器可自动显示打印所需数据的波形，但接收波的形态与混凝土的某种缺陷之问的关系还缺乏深入研究。可充分利用仪器的频谱分析特性，开发出相应的评价性专家系统。
(2)充分利用计算机通讯技术，网络技术，对重要建筑物对象实行远程多方位实时监控和建筑施工过程中的实时监控。
(3)超声波在混凝士中的传播特性有待进一步补充，特别是散射特性的研究。对于检测对象为管道，平板及其他大型构件．超声传播模式一般不能看作是纯粹的纵波或横波．而应说为导波传播方式，其机理并不十分透彻。
(4)对现有标准中有关设备的技术要求有待修改。建议使用现代化超声检测仪，迫使旧超声仪的淘汰或技术改造．以提高检测精度和叮靠性。
(5)目前超声仪检测均是对单个测点逐点进行的。将来必须开发出一．种分析软件包，使其具有连续扫描式采集与检测功能．它是在换能器连续移动过程中按照深度或距离传感器控制的信弓自动连续完成声参量测试，使测点密度和检测效率进一步提高。
(6)对于在役服务的建筑物，超声检测必须从工程质量检测向健康评估方向发展，要对建筑物工程损伤程度及剩余使用寿命和结构安全进行评估。
(7)目前我国仅有《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS2l：9O J，而对影响钢管混凝土结构的承载能力的管心的混凝上的俭测 程还没有，且缺少实验资料。
(8)加强与国际标准组织的联系，如国际材料与结构试验联合会(Rll EM)．义盘u美国的AsI、M，英国的I 及I l，德国的DIN．日奉的JIS等．以完善检测标准，尽快提高我国的土建测试水平。 |
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