（道路与铁道工程专业论文）锚固工作荷载无损检测技术研究.pdf

摘要 在山岭地区修建高速公路，边坡防护工程以及预应力桥梁的重要性尤为突出， 在高边坡加固及预应力桥梁中广泛应用预应力锚固技术。随着预应力锚固技术的 大量使用，由于锚固工程的隐蔽性较强，锚固工程工作荷载的检测尚无有效手段。 由于人为、地质条件、材料等原因造成的预应力损失严重威胁着锚固工程的安全， 而传统的检测手段无法对此有效地加以控制，在这种状况下，无损检测技术成为 目前最具发展前途的方法。 在详细分析前人研究成果的基础上，采用室内试验、理论分析等多种综合研 究方法，对锚固工程工作荷载的检测方法进行了研究。首先研究了锚固体的振动 规律以及应力波信号分析方法，通过室内试验采集信号的处理分析，验证了锚固 体的应力波平均波速随荷载变化而变化，推导出锚固体应力波平均波速与锚固工 作荷载间的函数关系，通过室内试验，验证了锚固体的应力波平均波速随荷载变 化而变化。主要成果有： l 、阐述了锚固工作荷载检测指标对锚固工程质量具有重要的意义。锚固工程 中的锚固工作荷载直接决定了锚固工程的安全性。 2 、依据锚固体振动规律理论，根据锚固体底端反射信号的时程可以得出锚固 体的长度以及应力波波速。而介质中声波的衰减与声波的频率关系密切，为了增 大声波在材料中的穿透能力，应选用频率较低的波。 3 、检测中采集的信号中往往存在着许多干扰成分，掩盖了特征信号的识别， 因此需要对原始信号进行必要的处理分析。时域分析是以时间轴为坐标表示各种 物理量的动态信号波形随时间的变化关系。频谱分析是通过傅立叶变换把动态信 号变换为以频率轴为坐标表示出来。时域表示较为形象和直观，频域表示信号则 更为简练，剖析问题更加深刻和方便。在时域看起来很乱的信号，在频域就可以 很清楚地看到信号的能量分布和相位分布，便于进一步的处理，比如滤波，相位 调整等。而小波分析在时频域都具有很强的表征信号局部特征的能力，可以用来 进行信号去噪、信号检测与分析，为锚固工作荷载的判定提供依据。 4 、在室内试验采集到的信号解决了对于未灌浆状态下的预应力反演，通过各 种信号处理方法对信号进行处理以及综合波速计算方法建立了应力波平均波速与 工作荷载的函数关系，该反演方程为，= _ 2 e 一0 5 f 3 0 0 1 1 2 f 2 0 1 1 4 9 f + 5 1 2 2 1 ， 通过该方程可以反演出锚固工作荷载，为锚固工程的安全性评价提供依据。 关键词：锚固；无损检测；信号分析；工作荷载；波速 a bs t r a c t s l o p ep r o t e c t i o na n dp r e s t r e s s e db r i d g ea r ep a r t i c u l a r l yp r o m i n e n ta sb u i l d i n g e x p r e s s w a yi nm o u n t a i n o u sa r e a s ，m e a n w h i l ea n c h o ri sc u r r e n t l yw i d e l yu s e di n r e i n f o r c e m e n tp r o j e c t s w i mt h eh i g h w a ys t o c ka n db r o a du s eo fp r e s t r e s s i n gf o r c e b r i d g e ，a sc o n c e a l i n gt h ep r o j e c t ，i t sa n c h o rm a k e st h ed e t e c t i o nm e a n so fp r e s t r e s s i n g f o r c eb u tl a g sb e h i n dr e l a t i v e l y b e c a u s eo fp e o p l ea r e ，g e o l o g i c a lc o n d i t i o n , m a t e r i a l ， e t c c a u s et h el o s s e so f p r e s t r e s s i n gf o r c et ot h r e a t e nt h es e c u r i t yo ft h es l o p ep r o j e c ta n d s c i e n c eo fb r i d g eb u i l d i n gs e r i o u s l y , t r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm e a n si su n a b l et oc o n t r o l e f f e c t i v et ot h i s l y , u n d e rt h i sk i n do fs t a t e ，c a n th a r mt h ed e t e c t i o nt e c h n i q u ea n d b e c o m et h em e t h o dt oh a v ed e v e l o p m e n tp r o s p e c tm o s ta tp r e s e n t b e c a u s eo ft h el o s s o fp r e s t r e s s e da n c h o r i n gs e r i o u st h r e a tt ot h es a f e t yo ft h ew o r k sr e s u l tf r o m a n t h r o p o g e n i c ，g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，m a t e r i a l s ，a n ds oo n ，t r a d i t i o n a lm e t h o d sc a nn o t e f f e c t i v e l yc o n t r o lt h i s ，i ns u c hc i r c u m s t a n c e s ，t h en o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g y h a sb e c o m et h em o s tp r o m i s i n gm e t h o d t h i sp a p e ru s et h ei n d o o re x p e r i m e n t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds oo nt oa n a l y s et h e t e s t i n go ft h ea n c h o rw o r k i n gl o a db a s e do nd e t a i l e da n a l y s i so f t h er e s u l t so fp r e v i o u s s t u d i e s i n i t i a l l y ，t h i sp a p e ra n a l y s et h ea n c h o rb o d yv i b r a t i o na n ds t r e s sw a v es i g n a l a n a l y s i sm e t h o d ，t h r o u g ht h ei n t e r i o ro ft h ep i l o ts i g n a la c q u i s i t i o n ，v e r i f yt h es t r e s s w a v ev e l o c i t yo fa n c h o rb o d yc h a n g e d 晰ma na v e r a g el o a dc h a n g e d ，f i n a l l y ，d e r i v et h e f u n c t i o nb e t w e e na n c h o rp r e c u r s o r ss t r e s sw a v ev e l o c i t ya n da n c h o rw o r k i n gl o a d ，i n o r d e rt om a k et h ec o r r e s p o n d i n gg u i d a n c et ot h ea n c h o rw o r kl o a dd e t e c t i o nt e c h n o l o g y t h r o u g has y s t e m a t i cs t u d yo ft h i sa r t i c l e ，t h em a j o rc o n c l u s i o n sa sf o l l o w i n g ： 1 d e t a i ld e t e c ta n c h o rw o r k i n gl o a di n d i c a t o rh a sag r e a ts i g n i f i c a n c et ot h eq u a l i t y o f t h ea n c h o rw o r k i n gl o a d t h ea n c h o rw o r k i n gl o a do f a n c h o re n g i n e e r i n g j o b d i r e c t l yd e c i d et h es a f e t yo ft h ew o r k s 2 i na c c o r d a n c ew i t ht h el a w s o fa n c h o r b o d yv i b r a t i o nt h e o r y ，a n dt h e t i m e - r e f l e c t e ds i g n a l sa tt h eb o t t o mo fa n c h o rr o d ，t h i sp a p e rc o n s l u d et h el e n g t ha n d s t r e s sw a v ev e l o c i t yo fa n c h o rr o d a n dm e d i u ma c o u s t i ca t t e n u a t i o na n da c o u s t i ca r e c l o s e l yr e l a t e d ，i no r d e rt oi n c r e a s et h ea c o u s t i cp e n e t r a t e da b i l i t y ，c h o o s et h el o w e r 行e q u e n c yw a v e s 3 d e t e c t i o no ft h es i g n a la c q u i s i t i o ni so f t e nh a sal o to fi n t e r f e r e n c ec o m p o n e n t s ， i no r d e rt oc o v e ru pt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i g n a li d e n t i f i c a t i o n ，i n sn e c e s s a r yt oc a r r y o u tt h eo r i g i n a l s i g n a l t i m e - d o m a i na n a l y s i si sb a s e do nt h et i m e l i n ef o rt h e c o o r d i n a t e so fv a r i o u sp h y s i c a lq u a n t i t i e so ft h ed y n a m i cs i g n a lw a v e f o r mw i t ht i m e s p e c t r u ma n a l y s i se x p r e s s e dt h o u g ht h ed y n a m i cs i g n a lt oaf r e q u e n c ya x i sf o rt h e e o o r d i n a t e sb yf o u d e rt r a n s f o i t n t i m e d o m a i ne x p r e s s e di m a g ea n df r a n k , a n di t ，s m o r ec o n c i s ea n dm o r ed e e p l y a n a l y z ea n dc o n v e n i e n c et oe x p r e s st h es i g n a lb y f r e q u e n c yd o m a i n l o o ka tt i m e - d o m a i ns i g n a li n t oc o n f u s i o n ，i t sc l e a r l yt os e et h e s i g n a le n e r g yd i s t r i b u t i o na n dp h a s ed i s t r i b u t i o ni nt h ef r e q u e n c yd o m a i n ，t of a c i l i t a t e f u r t h e rp r o c e s s i n g ，s u c ha sf i l t e r i n g ，p h a s ea d j u s t m e n t ，e t c t h ea p p l i c a t i o no fw a v e l e t a n a l y s i si nt i m e f r e q u e n c yd o m a i nh a v eav e r ys t r o n gs i g n a lc h a r a c t e r i z a t i o no ft h e c a p a c i t yo fl o c a lf e a t u r e s ，c a nb eu s e df o rs i 商a ld e n o i s i n g ，s i g n a ld e t e c t i o na n d a n a l y s i s ，b a s i sf o rj u d g i n gf o rt h ea n c h o rw o r k i n gl o a d 4 c o l l e c tt h es i g n a l si nt h ei n t e r i o rt e s ta r er e s o l v e dn o t p r e s t r e s s e dg r o u t i n gs t a t u s u n d e rt h ei n v e r s i o n ，t h r o u g ha v a r i e t yo fs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sf o rs i g n a l p r o c e s s i n ga n dv e l o c i t yg e n e r a lm e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ea v e r a g es e tu pas t r e s sw a v e v e l o c i t ya n dt h ef u n c t i o no fw o r k i n gl o a d t h e i n v e r s i o no fe q u a t i o ni s 1 ，= 2 e 一0 5 f 3 一o 0 11 2 f 2 一o 11 4 9 f + 5 1 2 2 1 t h r o u g ht h i se q u a t i o nc a nb ec o u n t e r p e r f o r m a n c ea n c h o rw o r k i n gl o a d ，p r o v i d et h e b a s i sf o rs a f e t ye v a l u a t i o no fa n c h o rb o d y k e yw o r d s ：a n c h o r ；n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ；s i g n a la n a l y s i s ；w o r k i n gl o a d ；w a v e v e l o c i t y 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 裳红1 日期：7 年弓月哆口日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ， 同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 1 学位论文作者签名：袭细指导教师签名：影割 日期：炒口7 年；月加日日期：沙7 年多月多日 f 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章 程规定享受相关权益。 学位论文作者签名： 日期：岬年多月p 日 指导教师签名： 日期：叩年j 、处 2 7 一 渺m 丐 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 锚固技术是以锚固体( 锚固体是指在锚固工程中具体的锚杆、锚索以及预应 力钢绞线等) 中预应力支护为主要技术措施具有服务功能的加固技术的总称。如 岩土锚固能充分发挥岩土能量，调用和提高岩土的自身强度和自稳能力，大大减 轻结构物自重，节约工程材料，并确保施工安全与工程稳定，具有显著的经济效 益和社会效益，因而世界各国都大力发展岩土锚固技术。 1 8 7 2 年，首批锚杆在英国北威尔士的一家板岩采石场中投入使用，美国于1 9 1 1 年开始用岩石锚杆支护矿山巷道，1 9 1 8 年西利西安矿山开始使用锚杆支护，1 9 3 4 年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程使用预应力锚杆，1 9 5 7 年西德b a u e r 公司在深 基坑中使用土层锚杆。目前，国外各类岩石锚杆己达6 0 0 余种，每年的使用量达 2 5 亿根。日本土锚的用量己比三年前增加了5 倍。西德、奥地利的地下开挖工程， 已把锚杆作为施工中的重要手段，无论硬土层或软土层，几乎没有不使用锚杆的。 我国岩石锚杆起始于5 0 年代后期，当时有京西矿务局安滩煤矿、河北龙烟铁 矿、湖南湘潭锰矿等单位使用楔缝式锚杆支护矿山巷道。进入6 0 年代，我国开始 在矿山巷道、铁路隧道及边坡整治工程中大量应用普通砂浆锚杆与喷射混凝土支 护。1 9 6 4 年，梅山水库的坝基加固采用了预应力锚索。7 0 年代，北京国际信托大 厦等基坑工程采用土层锚杆维护。在全国煤矿中，1 9 9 6 年锚杆支护率己达2 9 1 。 近1 0 年来，北京王府饭店、京城大厦、上海太平洋饭店等一大批深基坑工程以及 云南温湾电站边坡整治、吉林丰满电站大坝加固和上海龙华污水处理厂沉淀池抗 浮工程等相继大规模地采用预应力锚杆。举世瞩目的三峡工程双线五级永久船闸 的高边坡及薄衬砌墙稳定加固中，预应力锚索起了主要作用，各类锚杆数量就共达 1 8 0 2 7 6 根，其中直立墙高强锚杆9 2 6 5 7 根、普通锚杆8 9 8 5 根、锁口锚杆8 1 5 3 根。 同时预应力混凝土已广泛地应用于桥梁、建筑结构、海洋平台、水土结构等土木 工程之中，它们在经济和社会的发展中发挥着越来越重要的作用。另外统计资料 表明：近二十年来，我国所建桥梁中，7 5 以上采用的是预应力混凝土结构。 在使用期间由于荷载、疲劳、腐蚀、老化及环境条件等不利条件和因素的影 响，预应力锚固结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减、甚至导致突发性事 故。由于预应力锚固结构是依靠张拉力筋来建立内应力的锚固结构，预应力钢筋 是结构的关键受力部件，预应力筋的有效预应力大小与构件的工作性能密切相关， 所以了解已有预应力锚固结构中预应力筋的实际应力大小是评价预应力锚固结构 2第一章绪论 工作性能的关键。它的有效或失效直接关系到预应力锚固结构的安全、适用与耐 久性。根据1 9 8 2 年对全国公路的普杳资料，我国公路桥梁中危桥约占3 5 4 ，国 道干线上的危桥约占2 4 ：这种状况在发达地区和国家也相当严重，如美国，在 1 9 7 8 1 9 8 1 四年中对全国的公路桥梁的调查显示：当时全美5 6 6 万座公路桥梁中， 约占4 0 以上的桥梁有小同程度的损坏：近年来大量的文献资料表明，在其它土 木行业的预应力锚固结构中，也存在着与桥梁工程类似的结构隐患。因此，对工 程结构进行损伤检测和健康状况评估非常迫切，已成为当前重点研究的课题。 因此在预应力锚固工程中，他们使用寿命究竟有多长? 是否有一天寿终正寝， 成为工程中的“定时炸弹”，使工程毁于一旦? 这一问题已引起工程界的广泛关注。 重大工程结构中埋设的锚索存在的内部缺陷及预应力损失，往往具有很大的危险 性，会使整座建筑物倒塌，造成巨大的经济损失。四川宜宾悬索桥的垮塌正是由 于锚索的失效而导致的灾难性后果。避免结构发生事故，延长结构的使用寿命， 提高结构的可靠性、安全性是经济建设中无法回避的问题，这个问题的解决要靠 广泛采用性能优异、准确可靠、方便实用的检测技术来实现。因此，在锚固工程 中，对锚固工作荷载的检测研究成为一项十分必要和迫切的任务。 1 2国内外研究现状 由于材料、施工、地质条件等因素的影响，锚固结构系统在施工和使用过程 中必然存在许多缺陷，对于锚固结构系统，主要缺陷有：锚固体本身缺陷，如材 质不均匀，存在裂缝、孔洞，杆体锈蚀；胶结体缺陷，如胶结体密实度不够，内 部有孔洞、裂隙、“蜂窝等；胶结体与锚索体、围岩的胶结不好；另外还包括地 质界面、软弱地层对锚固质量的影响。具有这些缺陷的锚固结构系统，简称为“缺 陷锚固体”。随着这些缺陷的产生、积累，会使具有永久支护的岩土工程锚固工作 荷载有损失或失效。所以，对锚固工程的缺陷识别，质量诊断以及锚固工作荷载 的实时检测、补强，一直是岩土工程界广泛关注的问题。 重大工程结构，如重要的桥梁、大坝、河堤、高层建筑、高速公路与铁路等， 在发生地震、飓风、洪水等自然灾害时会因年久失修而危机四伏。这些结构中埋 设的锚固体存在的内部缺陷，往往具有很大的危险性，会使整座建筑物倒塌，造 成巨大的经济损失。四川宜宾悬索桥的垮塌正是由于锚索的失效而导致的灾难性 后果。有关结构健康问题是举世瞩目的重大科技、经济和社会问题。由于结构都 是按照力学原理设计的，没有生命、没有智能，不能感知自然灾害的作用，不能 作出适当响应保护自己，因此为了保障安全，设计者往往采用保守设计，即增大 结构的尺寸与重量，从而增加人力、财力与资源的消耗。因此，如何通过一定的 第一章绪论 3 检测手段就可以判断结构的健康状况是当前国际上一个研究热点。 避免结构发生事故，延长结构的使用寿命，提高结构的可靠性、安全性是经 济建设中无法回避的问题，这个问题的解决要靠广泛采用性能优异、准确可靠、 方便实用的检测技术来实现。锚固体设置后，如果对锚固体连续监测超过2 4 小时 就可以称为锚固体的长期观测。这种监测的目的是记录锚固体的预应力或位移产 生的任何变化，确认锚固体的长期工作性能，必要时可根据观测结果，采用二次 张拉锚固体或增设锚固体数量等措施，以保证锚固工程的可靠性。随着时间的推 移，锚固体的初始预应力总是会有所降低，而其影响因素极其复杂，这里有锚固 体结构内部材质的原因，也有地层力学性质及外部影响因素的原因。 对锚固体荷载变化进行长期或短期观测，可采用按机械、液压、振动、电气 和光弹原理制作的各种不同类型的测力计。但这些测力计一般需要预埋，受电磁 场干扰大，在潮湿、温差大的条件下灵敏度大大降低，更不能适应在偏载和爆破 震动、坍落岩石的冲击下长期正常工作。对于工程界广泛使用的未预埋测力计的 锚固体，过去没有可靠的监测设备，其张拉荷载是靠张拉千斤顶的活塞面积和油 泵压力换算的，至于锁定后锚固力大小和在长期运行中的变化情况就无法评价。 现场拉拔实验通过测定锚固体静荷载一位移曲线来确定锚杆极限承载力，这种方法 无疑是既直观又可靠的，但要测出完整的荷载一位移曲线，不仅要花费很长的时间 和耗资相当大，而且为了获得准确的极限承载力，必须进行破坏性试验，所以检 测面小，这样就难以言其代表性了。为进一步满足各类岩土锚固工程的需要，锚 固技术应当深入研究地层徐变、钢材松弛、温度及冲击荷载、变异荷载状态下的 锚固体应力变化规律及保持允许应力值的方法。这种形势下，我们迫切需要一种 既简便经济又迅速可靠的锚固工作荷载检测方法，为施工质量控制和工程可靠性 检测提供可靠的手段。因此，研究和应用无损测试的方法来替代静载荷试验法是 十分必要和具有重要意义的。 锚固体系质量检测系统是加强以锚固技术为支护方式的土木水利工程安全生 产的迫切需要解决的技术问题。它的应用，能够解决现场专家不足的问题，早期 发现结构潜在的缺陷，减少判断故障的时间，避免或减少事故的发生，对带伤结 构的剩余寿命进行科学的评价，保证结构的安全性。健康监测与智能诊断系统有 可能把目前广泛使用的离线、静态、被动的检查转变为在线、动态、实时健康监 测与控制，将导致安全监控和性能改善产生质的飞跃。 影响预应力损失的因素众多，准确地检测锚固工作荷载是一个复杂的问题， 因为某一个影响因素，例如力筋松弛所引起的损失是在不停的被其他因素( 如混凝 上的徐变、围岩的松动等等) 所引起的应力变化改变着，而徐变率本身又被力筋内 应力的变化所改变，很难划分在不同的应力、环境、加载及其他不定因素等条件 4第一章绪论 下每种因素所引起的净损失量。 目前，最常见的锚固工作荷载检测处于研究发展阶段，没有统一的技术标准。 最常见的检测方法是在锚具后或钢筋上设置力传感器，或者在钢筋上贴应变 片，由于成本太高难以实施。而且，新增加的装置会给工程长期性能带来难以预 计的影响。 在锚具和混凝土结构上贴应变片具有可行性，但如果在抽检梁上实施，将使 检测失去监控的作用，如果将所有主梁都实施，则成本太高。只能选择特殊桥梁 采用应力一应变法进行检测监控。 当前，在预应力锚固工程中检测锚固有效应力的技术还有以下几种： ( 1 ) s s r h t 法：2 0 0 0 年vi m a l a n a n d a m v 等人，利用称作s s r h t ( s t e e l s t r e s s r e l i e fh o l et e c h n i q u e ) 法的局部破损技术进行了预应力混凝土梁中力筋的剩余 应力的估算，通过与实测值对比，该方法具有较高的精度。但是要通过局部破损 进行现场取样，试验工作较繁琐。 ( 2 ) 形状记忆合金( s m a ) 技术：1 9 9 8 年m a j i a m pk 等人研究利用形状记忆合金 ( s m a ) 技术，及时准确的反映力筋的受力性能，同时利用镍一钦合金的智能特性对 预应力进行补偿。许多学者也进行了类似的研究工作，将智能材料和智能监控技 术应用到预应力工程中，但是一方面在结构的受力过程中预埋的仪器设备易被损 毁而丧失其功能，而且成本高：另一方面在大量的已建工程结构上实现智能监控 很难实施，甚至是不可能做到的。 ( 3 ) 声发射技术：1 9 9 7 年美国的a h l b o m t m 等人进行了声发射技术检测预应 力损失的试验研究，检测了两个全预应力混凝土梁桥随时间推移而增加预应力损 失和在卡车荷载作用下预应力损失。1 9 9 8 年f o w l e r , t i m o t h yj 等人利用声发射技 术对预应力混凝土的预应力索在锚固区域的滑移进行了检测，但距离工程实际的 应用还有很大差距。 ( 4 ) 电磁效应检测法：美国的g h o r b a n p o o ra 于1 9 9 8 年提出可以利用磁通量泄 漏原理检测预应力筋的预应力损失。其方法是将产生磁通量的装置与远程电脑进 行无线连接，从而控制该系统，利用磁通量泄漏的多少评测预应力筋的工作性能 及预应力损失的大小。 ( 5 ) 应力释放法：1 9 9 9 年杨勇、王灿提出用“应力释放法”判断预应力的损失 值，其具体做法是： a ) 先根据结构的内力分析，确定出控制截面作为测点布置的位置。 b ) 在控制截面上选择若干测点，在测点处沿欲测应力方向贴应变片。 c ) 用混凝土保护层取样机，将包含应变片的混凝土表层取出，以释放其内应力。 d ) 用应变仪测出混凝土取样前后的应变变化值，根据结构试验及结构理论计算 第一章绪论 5 获得混凝土弹性模量，从而计算出混凝土应力。 无损检测无疑具有明显的优越性，本次拟分别采用应力波反射法进行检测评 定。这种检测方法是目前技术条件下最为可行的方法，且可以专门针对预应力孔 道灌浆前进行锚固工作荷载的检测。 1 3 研究内容和思路 本文将从锚固预应力筋工作性能出发，探讨利用声频应力波法进行预应力筋工 作荷载的检测与评定。 在本文中将完成的研究内容和思路： ( 1 ) 探讨国内外锚固工作荷载检测技术的发展和研究现状，以及该检测技术 研究的意义。 ( 2 ) 探讨了无损检测物理基础以及研究了锚固体的振动规律，为锚固工作荷 载的检测提供理论基础。 ( 3 ) 为了从采集的信号中识别特征信号，需要对原始信号进行必要的处理分 析。其中时域分析是以时间轴为坐标表示各种物理量的动态信号波形随时间的变 化关系。频谱分析是通过傅立叶变换把动态信号变换为以频率轴为坐标表示出来。 而小波分析在时频域都具有很强的表征信号局部特征的能力，可以用来进行信号 去噪、信号检测与分析，为锚固工作荷载的判定提供依据。 ( 4 ) 在室内针对无粘结预应力筋进行试验。对无粘结预应力筋分级施加荷载， 测试其各荷载下的信号，然后通过信号处理分析通过应力波波速计算方法对试验 结果进行总结和分析，最后推导出锚固体中应力波平均波速与工作荷载间的函数 关系。 ( 5 ) 总结本文的工作，对未来的发展进行展望。 根据以上研究思路，本文拟定的研究内容如下： ( 1 ) 锚固工作荷载无损检测的理论基础 ( 2 ) 信号分析方法 ( 3 ) 锚固工作荷载的室内试验 6第二章锚固工作荷载无损检测的理论基础 第二章锚固工作荷载无损检测的理论基础 2 1无损检测物理基础 2 1 1概述 无损检测技术是在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内部结构变化所引 起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构 件等内部和表面缺陷以及应力变化等，并对其作出判断和评价。其发展经历了三 个阶段，即n d i ( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ) 阶段、n d t ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 阶段、 n d e ( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) 阶段，目前一般统称为无损检测( n d t ) 。 声波法是工程物探界目前普遍采用的无损检测方法。声频应力波是声频振动 在介质中的传播，它的实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动。声频应 力波检测是使声频应力波与被检工件相互作用，根据应力波的反射对被检工件进 行力学性能变化的检测和表征，并进而对其应用性进行评价的一种无损检测技术。 声频应力波用于无损检测，主要有以下优点： ( 1 ) 无论是金属、非金属，还是复合材料都可应用进行检测； ( 2 ) 穿透能力强，可检测长度在1 0 米以上的锚杆； ( 3 ) 施加给检测对象的应力强度低，最大作用应力远低于弹性极限，不会对检 测对象造成任何影响； ( 4 ) 仅需从一侧端面检测，在锚杆锚头封锚前任何时候都可检测； ( 5 ) 设备轻便，对人体及环境无害。 声频应力波的声速特性，为声频应力波的应用提供了信息，并为其检侧t - 田1 4 - 固 工作荷载提供了条件。 锚固体体系下的波传播问题是一个三维问题，可归结为不同边界条件下柱坐 标下的波动方程的求解，但由于工程中的锚固体为细长杆件，其长度远远大于其 直径，为研究方便，可简化为一维杆件的弹性波理论来分析。 2 1 2 弹性波的类型 在固体介质中不同类型的弹性波均可传播，弹性波的类型和属性主要取决于 介质中质点( 粒子) 运动方向和波传播方向的关系，及其边界条件。常见有以下 几种类型： ( 1 ) 纵向波( 或称无旋波) ( 在地质学中称为推动波，初波或p 波，即地震 纵波) ，在无限或半无限介质中，它们被称为“膨胀”波。这种波的传播方向与质 点运动方向一致( 平行) ，所以质点速度平行于波速c ，二者方向一致。若是压 第二章锚固工作荷载无损检测的理论基础 7 缩波，它们之间的方向相同；若是拉伸波，它们之间的方向相反。用锤撞击长圆 柱杆的端面，可形成这种波，由式( 2 5 ) 给出其波速。而用锤撞击半无限体的情 形，除形成纵向波外，同样也产生畸变波和表面波。 ( 2 ) 畸变波( 或称剪切波，也称横向波，或称等容波) ，在地质学中称为二 次波、振荡波，即s h 和s v 波。若质点的运动方向和波本身传播方向垂直，这种 波即为剪切波。剪切波并不会引起材料密度的改变，且所有纵向应变为零。当在 杆的末端施加一个扭矩，在杆的固定夹持处和杆末端之间将会储存弹性能。当杆 的固定夹持一释放，在杆中会向右传播一个脉冲波，这个波便是畸变波或剪切波， 质点的位移和波传播方向相垂直( u p 垂直于c ) 。 ( 3 ) 表面波( 瑞利( r a y l e i g h ) 波) 。表面波和水面上的波相类似。把浮在水 面上的物体当作水的质点，并且它可以向上、向下、向后和向前运动。水质点的 运动轨迹常为一个椭圆线。这种类型的波被限制在和水表面相邻的区域内，并且 质点的速度随着离开质点平衡位置的距离而迅速下降( 按指数率) 。如果有一种材 料可以忽略其密度和弹性波速时，这时的表面波( 在固体中称为瑞利波) 是界面 波的一个典型情况。 ( 4 ) 界面波( 斯通利( s t o n e l e y ) 波) 。不同性能的两个半无限介质相接触， 在它们的界面会形成这种特殊波。在固体介质中，表面波是3 种波中速度最慢的， 速度最快的波是纵向波。 2 2 锚固体振动规律的分析 在分析锚固体的纵向振动时，我们假设锚固体是弹性连续体，由无穷多个质 点组成，为了确定锚固体中某点的位置，就需要无穷多个位移坐标。这时系统具 有无穷多个自由度。这些坐标作为一连续函数来处理，它对时间的一次导数和二 次导数代表一般点的速度和加速度。因为它的质量是均匀分布的，所以其具有无 穷多个固有振型，它的动力反应可以按诸振型影响之和来计算的。 在考虑锚固体的纵向振动时，我们假设锚固体材料是均匀和各向同性的，并 服从虎克定律。位移假设相当微小以至动力激发的反应总是线性弹性的。并假定 纵波的长度比锚固体的横截面尺寸大得多。在这种情况下，横向位移对纵向运动 的效应可忽略不计。锚固体在纵向振动时，锚固体的横截面保持为平面，而且每 个截面上的应力是均匀分布的。 8第二章锚固工作荷载无损检测的理论基础 2 2 1 锚固体的纵向振动分析 图2 1 表示一根长度为l 的无约束锚固体，在距离锚固体端x 处有一长度为出 的单元，用符号4 x ，r ) 表示在时间f 时x 处横截面的纵向位移。 n 一 出卜 n + o n d x 苏 图2 1 锚固体的纵向振动分析 f i g 2 1l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o na n a l y s i so fb o l t 锚固体的单位体积质量为p ，截面的抗拉刚度为e a ( x ) ，e 为弹性模量，a ( x ) 为横截面积，由于已假设锚固体的横截面在纵向振动过程中始终保持平面，锚固 体的横向变形也可忽略不计。则4 x ，f ) 是截面位置x 与时间，的二元函数，取微段 出，它的应变量为： a ” s ：垡型：, u + 兹d x - t ：丝( 2 1 ) 出出苏 在x 和x + 出两截面上的内力分别为和+ o n d x ，对于锚固体可近似为： ：尉占：尉坐 位2 ) 出 根据牛顿运动定律可得： p a d x 馨：+ 型d x n ：掣d x ：旦le a 望i d x 西2苏苏 苏i苏i 或州第2 = 缸o _ _ l e ao 苏i ( 2 3 ) 只要知道截面的变化规律，即可求得式( 2 3 ) 的解，对于等直杆彳( x ) 为常数。 ( 2 3 ) 式可简化为： 第二章锚固工作荷载无损检测的理论基础 9 辔：去辔 ( 2 4 ) 一= 一一 iz - 苏2您2 研2 r 一7 式( 2 4 ) 称为锚固体的纵向一维波动方程，它表明在纵向振动过程中纵波以速度 y 传播，为了求出方程( 2 4 ) 的解，可以令： ( x ，f ) = x ( x ) ( a c o s c o t + b s i n c o t )( 2 5 ) 式中彳，b 为常数，c o 是角频率，符号x 是x 的函数，该函数决定固有振型的 形状，把方程( 2 5 ) 代入( 2 4 ) 并分离变量后可得到： 警等x = 。 仁6 ， 由此可得： x = c c 。s 罢x + d s i n 瓦c ox 。( 2 7 )跆玩 、7 式中c 、。为常数，由边界条件确定枞= 瓦c o ，尼为波数小号= 等号， 式中厂为振动频率，名为波长，且名= 芝。 ， ) 将( 2 7 ) 代入( 2 5 ) 式得： ( x ，f ) = ( c c o s k x + d s i n k l ) ( a c o s c o t + b s i n c o t ) ( 2 8 ) 代入( 2 2 ) 式得： = 以挲：e a ( 一c c o s 鼢+ d s i n a x ) ( a c o s c o t + b s i n c o t ) ( 2 9 ) 式中彳、b 为常数，取决于初始条件；c 、d 为待定常数，取决于边界条件。 式佗8 ) 和式( 2 9 ) 是锚固体内传播的纵向振动波动方程的解。 2 2 2 几种边界条件下锚固体的纵向振动 1 、两端自由的锚固体 未锚固的锚固体，可以看作是两端自由的锚固体，当锚固体的两端自由时， 边界条件： ( 觌= d ：。 ( 2 1 0 ) 1 0第二章锚固工作荷载无损检测的理论基础 ( 警) 胤= 。 为了满足这个边界条件，并使方程有非平凡解，则必有s i n k l = o ，即： s i n 竺墨：o ，则 v c c o l ：切 f ：1 ，2 ( 2 1 1 ) 1 1 1= z 万z = i 厶 v c 。、 这就是两端自由时，锚固体的振动频率方程，由此方程可求得各振型的频率 为： 刎：_ i ；r _ v c 扛1 ，2 ( 2 1 2 ) 1 1c 狮= i = ，1 z 与各固有频率相对应的各振型函数为： 置( x ) = c c o s 等x 汪1 2 ( 2 1 3 ) 将( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 代入( 2 8 ) 可得： 讹f ) - 喜c c o s 孚舭s 丁d r v c t 恼i n t d r v c t ) ( 2 1 4 ) 速度响应为： m 力= 扣s 等c 半c o s 字一彳竿咖串 ：羔d r v c c c 。s d r ，x 、 bc 。s i 7 r v - c t 一瓜i ni r c v ，c t ) ( 2 15 ) ，：l l上、三三 、 加速度响应为： m 力= 喜( 警) 2 cc o s 等( - b s i n i r c 三v j ai r c 三v c t 。) 2 、一端固定，一端自由的锚固体 当外端头自由时的锚固体，可简化为一端自由，一端固定的锚固体，其边界 条件： ( ) = o ( 觌工= 。亿1 7 由( 2 1 7 ) 第一式得c = 0 。 由( 2 1 7 ) 第二式知，若方程( 2 8 ) 有非零解必有： c o s c o l ：0 圪 此时频率方程为： i = 一 i = l ，3 ，5 。 k 2 q 一 各固有频率为： 哆= 等 3 ，5 ( 2 1 8 ) 各固有频率相应的振型函数为： 置= d s i n 等x f ：1 35 ( 2 1 9 ) ，_ ，”o 。 的在理箜( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 代入( 2 8 ) 可得出一端固定，另一端自由时锚固体的自由振动 的解为： 一”。一”“n 叫。口田取训 咖) = 妻i = 1 蹦n 等卜s i 7 2 r v 三d + b s i n i ；2 r 三v c t ) ( 2 2 0 ) l 上lj 2 | ，l 、 。 小力2 百d a2 善等蹦n 篆(