（道路与铁道工程专业论文）超声法检测钢管混凝土拱桥质量的技术研究.pdf

摘要 混凝土超声法非破损检测是近年来在国内外推广应用的一种新型的非破损检测方 法。钢管混凝土超声法检测是在结构混凝土超声法检测技术基础上发展起来的，经过近 些年的研究、探索和实践，在许多国家和地区得到了广泛的应用，成为混凝土无损检测 的重要手段。 由于钢管混凝土拱桥在施工中往往因技术管理不善和施工疏忽，使混凝土材料内部 存在空洞、疏松、施工缝，以及混凝土与钢管胶结不良等缺陷，从而不同程度地影响拱 桥的整体性和力学性能。所以对钢管混凝土拱桥施工质量的监控和检测极为重要。 虽然我国已制定了超声法检测混凝土缺陷技术规程( c e c s2 l ：2 0 0 0 ) ，但还没 有针对钢管混凝土的检测规程。即对钢管混凝土内部混凝土质量的检测一直没有一个适 当、可靠和简便的检测方法，目前一般采用敲击法通过听声音来检查，但当排气孔边有 空洞时，敲击法就不再适用了；对于一些重要构件或部位，用敲击法满足不了要求，因 而超声波检测法就应运而生。又由于超声波通过钢管混凝土时的声速、振幅和波形等超 声参数的变化与钢管内混凝土的密实度、均匀性和局部缺陷的状况密切相关，因而可以 运用超声法来检测管内混凝土的缺陷。 本文综述了超声法检测钢管混凝土拱桥质量缺陷的理论和方法，结合辽宁朝阳市东 大桥和吉林江湾大桥的工程实践，重点研究超声波通过钢管混凝土试件常规缺陷状况下 的参数特征和波形特征，实现了钢管混凝土常规缺陷的定性测量为超声法检测钢管混 凝土拱桥提拱了有益的参考，对于实际工程的检测有很大的实用价值。 关键词钢管混凝土拱桥；无损检测；超声波 a b s t r a c t c o n c r e t eu l 仃a s o n i cn o n d e s t r u c t i v ed e t e e d o ni san e wt y p en o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n m e t h o dt h a ti sr e c e n t l yp r o m o t e da n da p p l i e di nt h ed o m e s t i ca n da b r o a d c o n c r e t ef i l l e dt u b e u l t r a s o n i cd e t e c t i o nd e v e l o p e db a s e do ns t r u c t u r a lc o n c r e t ea c o u s t i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g y , b y s t u d y 、e x p l o r e 、a n dp r a c t i c e r e c e n ty e a r s ，w i d e l ya p p l i e di nm a n yn a t i o n sa n dr e g i o n s ， b e c o m eai m p o r t a n tm e t h o do f c o n c r e t en o n - d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n d u et oi m p e r f e c t i v et e c h n o l o g ym a n a g e m e n ta n dc o n s t r u c t i o nn e g l i g e n c ei nc o n s r u c t i o n o fc o n c r e t ef i l l e dt u b ea r c hb r i d g e ，t h ei n n e ro fc o n c r e t eh a v ed e f e c t s ，h o l l o w 、f l u f f 、 c o n s t r u c t i o nj o i n t ，a n do b j e c t i o n a b l eb o n d i n gb e t w e e nc o n c r e t ea n ds t e e lt u b ee t c ，t h e r e f o r e i n f l u e n c et h ei n t e g r i t ya n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fc o m p o n e n t si nd i f f e r e n td e g r e e s o s u p e r v i s i o na n dd e t e c t i o no fc o n c r e t ef i l l e dt u b ea r c hb r i d g ec o n s t r u c t i o nq u a l i t ya r ev e r y i m p o r t a n t t h o u g ho u rs t a t eh a v ee s t a b l i s h e d “c o n c r e t ed e f e c t su l t r a s o n i cd e t e c t i o nt e c h n i c a l c o d e ”( c e c s 2 1 ：2 0 0 0 ) ，b u tt h e r ei sn o ty e tt h ed e t e c t i o nc o d ef o rc o n c r e t ef i l l e dt u b e n a m e l y t h e r ei sn o tap r o p e r , r e l i a b l e ，c o n v e n i e n td e t e c t i o nm e t h o df o r d e t e c t i n gi n n e rc o n c r e t e c o n s t r u c t i o nq u a l i t yo fc o n c r e t ef i l l e dt u b e ，p r e s e n tg e n e r a la d o p ts l a p p i n gm e t h o db yl i s t e n i n g s o u n dd e t e c t ，w h e nn e a rd e f l a t i o no p e n i n gh o l l o we x i s t ，s l a p p i n gm e t h o di sn o ta p p l i c a b l e ；t o s o m ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so rr e g i o n s ，s l a p p i n gm e t h o dc o u l dn o ts a t i s f yr e q u i r e m e n t s ， t h e r c f o r eu l t r a s o n i cd e t e c t i o nm e t h o de m c e e sa st h et i m e sr e q u i r e b e c a u s ew h e nu l t r a s o n i c w a v et h r o u g hc o n c r e t ef i l l e dt u b ev a r i a n c e so fu l t r a s o n i cp a r a m e t e r ss o u n dv e l o c i t y 、 a m p l i t u d eo fv i b r a t i o n 、w a v ef o r me t c i n t i m a t e l yr e l a t et od e g r e eo fd e n s i t y , h o m o g e n e o u s a t t r i b u t i o n ，a n dr e g i o n a ld e f e c t s ，h e n c ec o u l da p p l yu l t r a s o n i cw a v ed e t e c td e f e c t so fc o n c r e t e i ns t e e lt u b e t h ep a p e rc o m p r e h e n s i v e l yp r e s e n t st h e o r ya n dm e t h o do fc o n c r e t ef i l l e dt u b eq u a l i t y u l t r a s o n i cd e t e c t i o n ，c o m b i n e dw i t h e n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fe a s tb r i d g e i n c h a o y a n g l i a n g n i n gp r o v i n c ea n dj i a n g w a nb r i d g ei n j i l i np r o v i n c e ，m a i n l ys t u d yp a r a m e t e rc h a r a c t e r a n dw a v ef o r mc h a r a c t e ro fu l t r a s o n i cw a v et h a tt h r o u g hc o n c r e t ef i l l e dt u bs p e c i m e nw i t h r e g u l a rd e f e c t s ，r e a l i z er e g u l a rd e f e c t sq u a l i t a t i v ei n s p e c t i o no fc o n c r e t ef i l l e dt u b ，o f f e r b e n e f i c i a lr e f e r e n c ef o rc o n c r e t ef i l l e dt u ba r c hb r i d g eu l t r a s o n i cw a v ei n s p e c t i o n ，h a v eg r e a t p r a c t i c a lw o r t hf o ri n s p e c t i o no f a c t u a le n g i n e e r i n g k e y w o r d s c o n c r e t ef i l l e dt u ba r c hb r i d g e ；n o n - d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n ；u l t r a s o n i c w a v e ； i i l 绪论 1 绪论 1 1 混凝土无损检测技术在国内外的发展概况 混凝土作为一种最重要、用量最大的工程材料，自1 9 世纪初问世以来，已有近2 0 0 年的历史。在这一漫长的发展过程中，如何探测混凝土结构内部和表面的缺陷，并对缺 陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化等如何赋予正确的判断和评 价，是多年以来各国的学者们共同探索、研究的问题。所以他们在这一领域开展了大量 的研究工作，他们一直希望找到一种能在建筑物原位直接测量混凝土各项性能指标的方 法。而无损检测的方法就是在不损伤混凝土结构的前提下，利用结构内部异常或缺陷存 在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，对结构进行“无损 的检测。 无损检测一般有三种含义，即无损检测n d t ( n o n d e s 仃u c t i v et e s t i n g ) ，无损检查 n d i ( n o n d e s 仃u c t i v ei n s p e c t i o n ) 和无损评价n d e ( n o n d e s n l l c t i v ee v a l u a t i o n ) 。目前所 说的无损检测大多是指n d t ，但是，近年已逐步从n d t 和n d i 向n d e 过渡，即用 n d e 来代替n d t 和n d i ，另一方面n d e 还具有更广泛的内容，它要求无损检测工作 者有更扎实的基础和更强的综合分析能力。一般地说，n d t 仅仅是检测出缺陷；n d i 则以n d t 的结果为判定基础，对检测对象的使用可能性进行判定，含有检查的意思， 而n d e 则是指掌握对象的负载条件、环境条件( 如断裂力学中预测材料的安全性及寿 命等) 下，对构件的完整性、可靠性及使用性能等进行综合评价。 早在2 0 世纪3 0 年代初，人们就已开始探索和研究混凝土无损检测方法，致使该方 法取得了迅速的发展。1 9 3 0 年首先出现了表面压痕法。1 9 3 5 年格里姆( gg i 证l e t ) 、艾 德( j m i d e ) 把共振法用于测量混凝土的弹性模量。1 9 4 8 年施米特( e s c h n l i d ) 研制 成功回弹仪。1 9 4 9 年加拿大的莱斯利( l e s l i e ) 和奇斯曼( c h e e s m 觚) 、英国的琼斯 ( r j o 鹏s ) 等运用超声脉冲进行混凝土检测获得成功。接着，琼斯又使用放射性同位 素进行混凝土密实度和强度检测，这些研究为混凝土无损检测技术奠定了基础。随后， 许多国家也相继开展了这方面的研究。如前苏联、罗马尼亚、日本等国家在5 0 年代都 曾取得许多成果。6 0 年代，罗马尼亚的弗格瓦洛( i f a c a o a r u ) 提出用声速一回弹法综 合估算混凝土强度的方法，为混凝土无损检测技术开辟了多因素综合分析的新途径。6 0 年代声发射技术被引入混凝土检测体系，吕施( h r u s c h ) 、格林( a t g r e e n ) 等人先 后研究了混凝土的声发射特性，为声发射技术在混凝土结构中的应用打下了基础。8 0 年 代中期，美国的m a 巧s a i l s a l o i l e t 和n i c h o l 嬲j c 撕n o 实现了在水泥混凝土等集结型非 金属、复合材料中采用机械波反射法进行无损检测的目标。此外，无损检测的另一分支 钻芯法、拔出法、射钉法等半破损法也得到了发展，从而形成了一个较为完整的混 凝土无损检测的方法体系。 随着混凝土无损检测方法日臻成熟，许多国家开始了这类检测方法的标准化工作， 东北林业大学硕士学位论文 其中以a s 所颁布的有关标准最多，这些标准有硬化混凝土射入阻力试验方法 ( c8 0 3 - 8 2 ) i 结构混凝土抽样与检测方法( c8 2 3 8 3 ) 、混凝土超声脉冲速度试验方 法( c5 7 9 8 3 ) 、硬化混凝土回弹试验方法( c8 0 5 8 5 ) 等。此外还有硬化混凝土 超声脉冲速度的测定( d i n i s o8 0 4 7 ) ，俄罗斯的混凝土超声测强度( g o s t 1 7 6 2 4 ) ，英国的测试混凝土中超声速度( b s1 8 8 1 ：p a n2 0 3 ) 等。与此同时国际标准 化组织( i s o ) 及材料与结构试验研究国际联合组织( l e m ) 也先后提出了若干项相 关的国际标准1 1 1 。这些工作对结构混凝土无损检测技术的工程应用起了良好的促进作 用。 近年来，国外在这方面的研究工作方兴未艾，尤其值得注意的是，随着科学技术的 发展，无损检测技术也突破了原有的范畴，涌现出一批测试方法，包括微波吸收、雷达 扫描、红外热谱、脉冲回波等新技术。而且，测试内容由强度推定、内部缺陷探测等扩 展到更广泛的范畴，其功能由事后质量检测，发展到了事前的质量反馈控制。 混凝土无损检测技术的发展虽然时快时慢，但由于工程建设的实际需要，它始终具 有较强的生命力。可以预料，随着科学技术的发展和工程建设规模的不断扩大，无损检 测技术的发展前景是广阔的。 我国的无损检测及其标准虽起步较晚，但也正在努力向国际标准( i s o ) 和工业先 进国( 如d i n 、j i s 等) 标准靠近。但由于我国目前制造业的技术水平和管理观念的落 后及使用单位的管理与安全观念的迟钝，制约着我国无损检测的发展。 我国在这一领域的研究工作始于2 0 世纪5 0 年代中期，开始引进瑞士、英国、波兰 等国的回弹仪和超声仪，并结合工程应用开展了许多研究工作。6 0 年代初即开始批量生 产回弹仪，并研制成功了多种型号的超声检测仪；在检测方法方面也取得了许多进展。 7 0 年代以后，我国曾多次组织力量合作攻关，8 0 年代着手制订了一系列技术规程，并 引进了许多新的检测技术，大大推进了结构混凝土无损检测技术的研究和应用。随着电 子技术的发展，仪器的研制工作也取得了新的成就，并逐步形成了自己的生产体系。9 0 年代以来，无损检测技术继续向更深的层次发展，许多新技术得到应用，检测人员队伍 不断壮大，素质迅速提高。纵观整个发展历程，我国无损检测技术的发展是非常迅速 的。 1 2 钢管混凝土拱桥的发展 钢管混凝土( c o n c r e t e f i l l e ds t e e l1 u b e ，简称c f s t ) 结构最早出现于1 9 世纪8 0 年代，它是在劲性钢筋混凝土结构，螺旋配筋混凝土结构以及钢管结构的基础上演变和 发展起来的。它的工作原理是利用钢管和混凝土这两种材料在受力过程中相互作用，相 辅相成。钢管与混凝土的组合，不但弥补了两种材料各自的缺点，而且还充分发挥了它 们的优点，实现了取长补短的理想效果，这也正是钢管混凝土结构的优势所在1 2 。 拱桥，由于造型美观，受力性能优越，历史文化内涵丰富，历来是我国桥梁结构的 一种主要桥型。拱桥的发展和其它桥梁一样，始终受力学、材料科学和施工技术的制 东北林业大学硕士学位论文 表1 1我国钢管混凝土拱桥简历 建成年份桥例 1 9 9 0 年 1 9 9 3 年 1 9 9 5 年 1 9 9 6 年 2 0 0 0 年 2 0 0 3 年 四川建成旺苍东河钢管拱桥，跨径l1 5 m ，我国第一座钢管拱桥 浙江建成新安江望江钢管拱桥，跨径1 2 0 m 广东建成南海三山西钢管拱桥，跨径首达2 0 0 m 广西建成邕江3 1 2 m 钢管混凝土劲性骨架拱桥 广州建成的丫髻沙钢管拱桥，跨径为3 6 0 m 四川巫山长江大桥钢管主拱合拢，跨径达4 6 0 m ，为目前该类桥梁世界第一 ( 3 ) 我国从5 0 年代开始钢管混凝土结构的研究，虽然起步较晚，- 但进展很快。 近十几年来，我国钢管混凝土基础理论研究处于世界前列，为钢管混凝土结构应用于拱 桥奠定了坚实的理论和实践基础。 ( 4 ) 随着我国经济建设的发展，社会劳动生产率不断提高，人工费用上涨幅度较 大；及冶金业的发展，钢产量不断上升，适当增加钢材用量，提高机械化、装配化水 平，加快施工进度，可以获得较佳的综合效益。 ( 5 ) 桥梁美学日益受到重视。拱桥是一种极具美学价值的桥梁形式，在我国又有 深厚的文化基础，钢管混凝土结构的应用，使拱桥更加轻巧，表现力也更强。 ( 6 ) 金属材料的腐蚀和防护问题得以有效解决，防腐技术的进步，使钢管混凝土 拱桥发展有了保证。 ( 7 ) 最后一点也是最重要的一点，那就是钢管混凝土在拱桥中的应用，解决了材 料高强度和施工无支架的两大难题【l 酬，因而其跨越能力较之钢筋混凝土大了许多，使古 老的拱桥技术重新焕发了生机。 虽然钢管混凝土的出现解决了拱桥材料与施工的两大难题，但在具体应用时，钢管 混凝土发挥材料和施工的作用有所侧重，从而产生两大方向。一种为内填型钢管混凝 土，即钢管表皮外露，与核心混凝土共同作为结构的主要受力组成部分，同时也作为施 工时的劲性骨架，设计以前者控制。这类桥梁目前主要有单管和哑铃形肋拱、桁拱以及 桁架拱，其含钢率较高，跨径多为几十米到2 0 0 m ，目前我国最大已达3 6 0 m 。另一种是 内填外包型钢管混凝土，即钢管表皮不外露，钢管主要作为施工的劲性骨架，先内灌混 凝土成钢管混凝土后再挂模板外包混凝土形成断面，钢管材料可以参与建成后的受力， 但不是以使用荷载为控制，而是以施工荷载为控制。这类桥梁有板拱、箱拱、工字形肋 拱、箱肋拱和刚架拱，除板拱外，其跨越能力均较强，一般都在百米以上，最大已达 4 2 0 i i l 。由于钢管混凝土主要起施工过程中的劲性骨架作用，且断面配有较多的普通钢 筋，这类桥梁习惯上仍称其为钢筋混凝土结构【1 7 1 。本文钢管混凝土拱桥中的钢管混凝土 指的是前一种，即是内填型钢管混凝土。 在此期间，国外也曾修建了一些钢管混凝土拱桥，像法国最近在a 7 5 号公路上修建 了跨越g e r v a u d 觚的蝴桥1 1 8 】，及在c a n 词试c o 公路上修建了跨越e s c u d o 河的钢 东北林业大学硕士学位论文 作桥梁方案比选( 文献【2 3 】) 中指出：在5 0 0 1 0 0 0 m 的超大跨径范围内，可比选的 方案有悬索桥、斜拉桥和钢管混凝土系杆拱桥。可见，钢管混凝土拱桥能克服钢桁架拱 桥、钢筋混凝土拱桥及圬工拱桥的部分缺陷，使古老的拱式桥梁重新焕发生机，钢管混 凝土拱桥以其造型优美、施工方便、跨越能力大等特点愈来愈受到桥梁工程师的青睐。 1 3 钢管混凝土结构的特点 当钢管中灌入混凝土形成钢管混凝土构件后，构件中的钢管和混凝土两种材料在受 力过程中相互制约，使钢管混凝土结构在力学性能、施工等方面与其他结构相比有很大 的优越性【2 4 1 ，其具体表现为： ( 1 ) 承载力高、延性好，抗震性能优越 ( 2 ) 塑性和韧性好 ( 3 ) 施工方便，工期大大缩短 ( 4 ) 抗火和防火性能很好 ( 5 ) 耐腐蚀性能优于钢结构 ( 6 ) 经济效果好 将钢管混凝土应用于桥梁工程中，它还具有下列诸优点： ( 1 ) 钢管混凝土最适用于轴心受压。在公路和城市拱桥中，永久荷载占很大比 例，跨度越大，永久荷载所占比例也越大。合理选择拱轴线，拱肋所受弯矩很小，因而 可以发挥钢管混凝土抗压承载力高的优势，取得节省材料的较大经济效果。 ( 2 ) 空钢管可先做成拱肋，承受较大的荷载。而空钢管自重小，运输和安装十分 方便。当采用旋转法施工时，由于空钢管拱自重轻，可以节省施工费用，同时也促进了 拱桥向更大跨度的发展，使长期以来钢筋混凝土拱桥跨度无法突破2 0 0 m 的现象成为历 史。 ( 3 ) 向管内浇灌混凝土采用了先进的泵送施工方法。这也是钢管混凝土能在公路 和城市拱桥中应用，并迅速发展的一个先决条件。可以说，没有泵送法，钢管混凝土也 不可能在桥梁中得到应用和发展。 ( 4 ) 由于拱肋自重的减少，使桥墩负担减少，节省了基础费用。 ( 5 ) 和过去常用的钢筋混凝土相比，不存在混凝土开裂的问题。 ( 6 ) 和钢筋混凝土相比，施工快，工期短，综合经济效益高。 ( 7 ) 钢管混凝土拱桥轻巧美观，具有良好的建筑效果。 总之，在公路和城市桥梁中，特别是在跨度超过百米的大跨度桥梁中，采用钢管混 凝土拱桥远比采用钢筋混凝土结构优越，因而钢管混凝土拱桥必将得到更大的发展【2 5 1 。 1 4 钢管混凝土拱桥质量检测的研究现状及课题背景 钢管混凝土在大跨度拱桥中的应用和兴起是设计和施工在现代科学技术的推动下向 前发展的必然：也是拱桥结构在增大跨越能力和降低技术经济指标的前提下，向拱上建 l 绪论 筑轻型化和拱圈材料高强化迈进的一个新途径。从钢管混凝土结构作为一种新型组合材 料起到现在，科学家们进行了大量的科学研究【2 4 1 。前苏联在2 0 世纪5 0 年代就对钢管 混凝土结构进行了大量研究，并在一些土建工程结构中进行了应用。目前的设计规程主 要有欧潍的e c 4 ( 1 9 9 6 ) ，德国的d i n l 8 8 0 0 ( 1 9 9 7 ) ，美国的a c l 3 1 9 8 9 、s s l c ( 1 9 7 9 ) 和 l r f d ( 1 9 9 4 ) ，日本的a u ( 1 9 8 0 ，1 9 9 7 ) ，澳大利亚和加拿大等国学者正在编制自己的设计 规程。 在我国，钢管混凝土结构的设计规程也相继颁布实施，其中包括：国家建筑材料局 的j c j 0 1 8 9 ，中国工程建设标准化协会的c e c s 2 8 ：9 0 ( 1 9 9 2 ) ，原能源部电力规划局的 d l g j 9 l ，国家经济贸易委员会的d l 5 0 8 5 爪1 9 9 9 ，中国人民解放军总后勤部的 g j b 4 1 4 2 2 0 0 0 ( 2 0 0 1 ) 等【3 5 3 7 1 。这些标准、规范对于钢管混凝士结构的推广应用都有着重 要的意义。 综上所述，到目前为止，虽然世界上关于钢管混凝土的设计规程有很多，但还没有 钢管混凝土的检测规程，而钢管内混凝土浇筑质量直接影响到钢管混凝土拱桥设计目标 的实现。虽然钢管结构的制造及其核心混凝土的浇灌应分别符合现行钢结构设计规 范和混凝土设计规范的有关规定及验收标准，但由于钢管混凝土的施工有其特殊 性，即混凝土被外围钢管所包覆，造成浇筑质量控制的难度，由于对该问题处理不当， 已造成了一些工程事故1 3 引。虽然国内外对钢管混凝土检测的研究很广泛，但还不是很成 熟，且无规范可遵循，所以对该问题的研究，仍是国内外桥梁界的热点问题， 目前在钢管混凝土拱桥质量检测中使用的方法比较多【3 9 l ，如人工敲击法、钻芯取样 法、超声波法、表面波法以及光纤监测系统等，其中超声波法、人工敲击法、钻芯取样 法用得更为普遍。 ， ( 1 ) 人工敲击法人工敲击法是靠技术人员通过对钢管混凝土拱肋的敲击，然后 根据经验判断出缺陷位置以及种类的方法。但是敲击法完全凭技术人员的技术及经验， 缺乏理论依据和可供存档的资料，是一种比较粗略的检测方法。无论是对于判断缺陷的 种类还是判断的精度都是不能得到保证的，因此，人工敲击法的应用既不便于施工技术 管理也不适合质量检测技术管理【4 们，它只能作为一种辅助检测手段。 ( 2 ) 直接钻芯取样法在众多钢管混凝土拱肋的检测方法中，钻芯法是最为直观 最为可靠的方法。它不仅能直观的反映出钢管混凝土的质量，而且能比较精确的验证混 凝土强度是否满足要求。但是钻芯法取样部位有局限性，只能反映钻孔范围内的小部分 混凝土质量，存在较大的盲区，容易以点代面造成误判或漏判。另外钻芯法对检查大面 积的混凝土疏松、离析、夹泥、孔洞等比较有效，而对局部缺陷和水平裂缝等判断就不 一定十分准确。当然钻芯法还存在设备庞大、费工费时、价格昂贵的缺点。 因此，钻芯法不宜用于大批量检测，而只能用于抽样检查，或作为对无损检测结果 的验证手段，实际工程检测表明，采用钻芯法与超声波联合检测、综合判定的办法评定 钢管混凝土拱肋的质量，是十分有效的。 ( 3 ) 超声波检测法钢管内部混凝土的密实程度和均匀性以及钢管壁与混凝土之 妻鼹驴芒薯缸蓄垒庸嚣罟 雨惭涮篷室i 霆蓟所翻郦! 币羹建慑弹声；越碌环灞冀螋超薹裂 鋈s 一薹囊蚕掬霎 噬孽雾蚴引刮妻瞩耋瞬二携孵纛矍频率的蓁谢j 翔流苷爵 鐾；一霎。一l 霆；霪i i i ：一；2 8l 耄霪 氇蓁l i 匍缠缈阴i 萱l ；望锰绎霉罢；薹；一磁匪黜隧惜；薹一话酢毵靠； i 篓一霉塞 ! 耋“藿蠢l 裂矗睑黑裂譬i 攫弹旧堡藿“臣醵敲疑黼辨冀臻撂嚣酬孺隔薹貔掰进酲魏；8 i 霪；* 羹i ；：争霪； ；委一雾l l 蓁j 蚕薹霎窭雾鋈蓁蓁蓁雾蓁羹蓁羹冀 雾；霎；垂紧薹薹冀雾耋熙霪叁薹蓁燮蓁 御蔬葡* 鞘弱篱型薹霉氇裱撮i 篙髭踩终篓砒翅舀! ；则鲫塑蓁霞篓 雾麴匿垂妻茜而勘辐鲕奏星j 掣；篷罐终臻些翔；绳馐鳓嗨蔓。蓊酬登姜琵艘匿嬖否冀 胤璃韵稍颜1 舞囊涮答峪岜； 萼。蟹匿彰莹m 棼转# 圣驯硎 岔界可矧匠巨镕孙鞫鞴鞭蓖褊葫箱茸墓旨鳖冉冀鲤i 翟璺藩舔强岸淄耀霪j 黧默 慰翳塞i 翟馨县基但攫这；劐墅瑟篓嘭张嘲城二驰默堕埔疆螋骝瞪隧耋爵鼋囊撮冀匕御； 丞唧坡检测根据透射波酾黼锋；爵期割引薹罐絮高攀醺攀i 蘑i 分容易绕射过丢稀 妻劫函釉彭副鄞越蓁鼍荟图趔羹朔勘孵藕融目罪蓁鲻瑶蝓躐器糯蹬；趼嵩雾昂则矧 殓霪刘蜊带翔娩普；四硼陪漏孺黼潆搬撼翔摧维溜疆婵皑懑燃i 啄晖嗍珞鲤塑魈屋 獬；呷矗勰螋粥霎悬旦理降溺囊畔醚端赫塾基薹； 蚕；囊。妻薹篓蓁薹囊薹嚣羹蓁 墼基巾在实际的钢管混凝土拱肋的检测；紊即g 熊鲤潜蜘髻。传感监趔；谚瞪馐 睡；骤涉凋证蓁鞋副崔0 澍谳薹滤罐蹬商。筷酪盟挂江霞髅赫缨霭壅杉耐黠b 张鲆簖饕 铭涤国蠹。 薹，琶：薹；辇利 i 型纠靶匪型 耩鹃勰墨耐是争薹；型喱终堪礁燃蝎嗟霎酬p 匪扰。驺薹噬涠辅缁羹乳削目塑羽制丽 的部位及发生发展的时间过程；混凝土内部有无裂缝，裂缝的条数、缝宽、部位、开裂 时间过程。该系统在混凝土浇筑中沿拱圈埋入混凝土中，定期和不定期地对拱圈进行巡 检，能及时地采集大桥钢管混凝土结构脱空和裂缝发生发展的第一手真实信息，初 步建立钢管混凝土结构在脱空、裂缝方面的安全评估准则，以及时做出安全评价，防患 未然。由于该系统通常是在混凝土浇注前预埋在特殊区域(拱顶、l4拱、拱脚)的 钢管里，因此要想了解成桥后整个拱肋的混凝土状况，还需要对非预埋光纤区域利用其它 东北林业大学硕士学位论文 2 超声法检测混凝土缺陷技术 2 1 超声法检测混凝土缺陷技术的发展概况 当声波频率高于2 1 0 4 h z 时，一般来说人耳就感觉不到了( 人耳所能感觉到的声 波范围是2 0 2 1 0 4 h z ) ，这种声波就叫超声波。超声学是声学的一个分支，它主要研 究超声的产生方法和探测技术( 包括显示) 、超声在各介质中的传播规律、超声和物质 的相互作用( 包括在微观尺度的相互作用) 以及超声的众多应用【4 1 1 。 超声技术是一门以物理、电子、机械及材料为基础的、各行各业都要遇到的通用技 术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的。超声波具有聚 束、定向及反射、透射等特性。按超声振动辐射大小不同大致可作如下分类：用超声波 使物体或物性变化的功率应用，称为功率超声；用超声波得到的若干信息，获得通信应 用，称为检测超声【4 2 1 。通常，从超声的功率来衡量，前者比后者要高出一个数量级以 上，两者有本质的差别，超声在本文中的应用，则属于典型的检测超声范畴。 超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性( 声速、衰减、反射、声阻抗等) 来实现对非声学量( 如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液 位、厚度、缺陷等) 的测定。与传统超声技术完全不同，新的超声技术可以具有以下特 点：在不破坏媒质特性的情况下实现非接触性测量，环境适应能力强，可实现在线测 量。 近二三十年，特别是近十年来，由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测 技术得到了迅速的发展。在无损探伤、测温、测距、流量测量、液体成分测量、岩体检 测等方面，新的超声检测仪表不断出现，应用领域也不断扩大。 混凝土超声检测是混凝土非破损检测技术中的一个重要方面。目前所采用的这种超 声脉冲法是始于4 0 年代后期。2 0 世纪4 0 年代末5 0 年代初，加拿大、德国、英国和美 国的学者相继进行了简单的模拟试验，当时由于受仪器灵敏度低，分辨率差的限制，加 上混凝土超声检测的影响因素尚未弄清楚，因此难以普遍用于工程实测。自7 0 年代末 期以来，随着电子技术的发展，超声波仪器的性能不断改进，测试技术培训不断提高， 混凝土质量超声检测技术发展很快。检测仪器由笨重的电子管单示波显示型，发展到半 导体集成化、数字化进而到智能化的多功能型；测量参数由单一的声速发展到声速、波 幅和频率多参数；缺陷检测范围由单一的大空洞或浅裂缝检测发展到多种性质的缺陷检 测；缺陷的判定由大致定性发展到半定量或定量的程度。不少国家已将超声脉冲法检测 混凝土缺陷的内容，列于结构混凝土质量检测标准。目前，超声脉冲检测技术已成为检 测工程结构物质量的重要手段之一。 在我国，自2 0 世纪5 0 年代开始这一领域的研究以来，已取得丰硕成果。6 0 年代初 期便有单位采用超声脉冲波检测混凝土表面裂缝的尝试，到6 0 年代中期全国不少单位 2 超声法检测混凝土缺陷技术 开展了超声法检测混凝土缺陷的研究和应用。随后开始研制混凝土超声检测仪，6 0 年代 初就研制成功了多种型号的超声检测仪。近十年来，随着我国电子工业的发展，已基本 形成该类仪器的生产体系。近年来仪器的研究工作已向小型化、自动化和智能化的方向 发展；尤其是1 9 7 6 年以来，建设部组织了全国性协作组，对混凝土超声检测技术进行 了较系统、深入地研究，并逐步应用于工程实践中。特别是近十多年来，发展尤为快 速。混凝土超声检测技术已应用到建筑、水电、交通、铁道各类工程中、检测的应用范 围和应用深度也不断扩大，从地面上部结构的检测发展到地下结构的检测；从一般小构 件的检测发展到大体积混凝土的检测；从单一测强发展到测强、测裂缝、测缺陷、测破 坏层厚度、弹性参数的全面检测；检测距离从5 0 年代的l m 发展到能探测2 0 m 的混凝 土。在1 9 8 2 年至1 9 8 3 年期间，水电部、建设部先后组织了对超声脉冲法检测混凝土缺 陷科研成果鉴定，使这项检测技术进入实用阶段。l9 9 0 年颁布了超声法检测混凝土缺 陷技术规程，使这项检测技术实现规范化，更有利于推广应用。该规程实施以来，在 消除工程隐患、确保工程质量、加快工程进度等方面取得显著的社会经济效益。根据该 规程的实施现状及我国建设工程质量控制和检验的实际需要，1 9 8 8 1 9 9 9 年对该规程进 行了修订和补充，并由中国工程建设标准化协会批准为超声法检测混凝土缺陷技术规 程( c e c s 2 l ：2 0 0 0 ) 。修订后的规程吸收了国内外超声检测设备最新成果和检测技术最 新经验，使其适应范围更宽，检测精度更高，可操作性更好，更有利于超声法检测技术 的推广应用。 超声波无损检测有反射法和透射法。反射法由于探测的深度有限，一般只有几厘米 或几十厘米，再加上由于过分的追求单一脉冲信号，于是对采样的原始信号进行过分的 加工处理反而使缺陷信号不能正确识别，所以反射法一般用于浅裂缝的检测，表面损伤 层的检测，浅层厚度的检测、大口径井径及井斜测试等。但近年来已在克服这些困难取 得了一些进展，一方面研制短余振换能器和组合式换能器，以增强缺陷反射信号及其清 晰度，另一方面采用信息处理技术，从繁杂的信号中检出缺陷反射信号。由于透射法的 接收信号覆盖面广，处理简单，处理后的信号能很好的反映混凝土的内部的情况，它广 泛应用各种领域，本文研究都是以透射法检测为基础的。 超声波检测对被测结构没有损伤，而且简便易行，因此在土木建设工程中得到了越 来越广泛的应用。非金属超声波检测技术在国外起步较早，随着电子技术和仪器制造业 的飞速发展，超声检测仪的精度越来越高，而且体积也越来越小，用于检测混凝土的仪 器和各种检测方法也不断的涌现出来。随着人们对工程质量的关注，以及超声检测技术 的迅速发展和日臻成熟，促使超声检测技术在建设工程中的作用日益明显。它非但已成 为工程事故的检测和分析手段之一，而且正在成为工程质量控制和构筑物使用过程中可 靠性监控的一种工具。可以说，在整个施工、验收及使用过程中都有其用武之地。 2 2 超声法检测混凝土缺陷的基本原理 混凝土超声波检测技术的基本原理是用人工的方法在被测混凝土结构中激发出一定 东北林业大学硕士学位论文 频率的弹性波，然后以各种不同的频率在材料或结构内部传播并通过仪器接收，再通过 分析研究所接收的信号，就可以了解材料与结构的力学特性和缺陷分布情况。信号中包 含了传播的时间( 或速度) ，振幅和频率等。和其他的均匀介质不同，混凝土是一种 弹一粘一塑性体，各项之间有较大的声阻抗差异并存在许多声学介面，所以超声波在其 中传播( 即透射) 时会有较强的反射、散射、吸收和波形畸变等一系列声学现象。对不 同的物质形态，其声学现象具有不同的特点，由于超声脉冲波传播速度的快慢，与混凝 土的密实度有直接关系，当有空洞或裂缝存在时便破坏了混凝土的整体性，超声脉冲波 只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，因此传播的路程增大，测得的声时必然偏大或 声速降低；由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，脉冲波在混凝土中的传播 时，遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生反射和散射，声能被衰减，其中 频率较高的成分衰减的更快，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减小( 后者频率 谱中的高频成分明显减小) ；再者经缺陷反射或绕射缺陷传播的脉冲信号与直达波信号 之间存在声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。所以说信号 仿佛是混凝土内部特性信息的载体，将混凝土内部的材料性质、缺陷、结构等信息传递 到物体表面。将接收信号中所携带的信息提取出来，进行反演分析，这就是超声波检测 缺陷的全过程。用超声波检测混凝土缺陷时，声时、振幅和频率等超声参量就是我们所 要提取的信息，因这些信息的变化与混凝土的密实度、均匀性和局部缺陷的状况有密切 的关系，用上述的超声参量作为判断混凝土质量的依据。 2 2 1 超声波在混凝土中的传播规律 在弹性介质内某一点，由于某种原因而引起初始的扰动或振动时，这一扰动或振动 将在弹性介质内以波的形式传播，形成弹性波。声波是弹性波的一种，若将混凝土视为 弹性体，声波在其中的传播服从弹性波的传播规律。 2 2 1 1 波的分类根据介质中质点的振动方向与波的传播方向的差别可将其分为若干 种，如纵波、横波、表面波、兰姆波、扭转波等【4 3 l 。但根据运动学的叠加原理，任何复 杂的波动都可以看成是纵波和横波的叠加。因此，纵波和横波是基本的机械波。 ( 1 ) 纵波介质质点的振动方向与波的传播方向平行的波称为纵波，又称为p 波。 纵波的传播是依靠介质时疏时密的局部容积发生变化引起压强的变化而传播的，因 此和介质的体积弹性相关。任何弹性介质都具有体积弹性，所以纵波可以在任何介质中 传播。 ( 2 ) 横波介质质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波，又称为s 波。 横波的传播是依靠使介质产生剪切变形( 局部形状变化) 引起的剪应力变化而传播 的，它和介质的剪切弹性相关。由于液体、气体形状变化时，不能产生抗拒形变的剪应 力，因此，液体和气体不能传播横波，只有固体才能传播横波。 二腿尸蕊但茯i 隅微工驮旧及小 2 2 1 2 无限弹性介质中声波的波动方程 由弹性力学可知，经由静力平衡方程、几何 方程和物理方程，可以得出拉密运动方程m l 。当不计体力时，该方程表示为： q + g ) 警彻2 一害 c 讲。 q + g ) 警佃2 唧窘 ( 2 - ) ( _ 、o i 。 q + g ) 署佃2 w = p 窘o zo f 。 其中： 秒= q + q + t = 罢+ 詈+ 警 ( 2 - 2 ) g = j 之 ( 2 3 ) 2 0 + ) 拈南 协4 ) 式中p 介质密度 泊松比 、仔一拉密系数 目体积应变 “、v 、r 分别为质点在x 、y 、z 方向的位移 v l 拉普拉斯算子 v 2 = 导+ 等+ 导 ( 2 - 5 ) 由拉密运动方程式( 2 1 ) ，设萨甜o ，f ) ，v = 0 ，w = o 则拉密运动方程可写成： q + g ) 害+ g 窘= p 窘 或写成 窘= 哆窘 肾降 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 式( 2 6 ) 为无限弹性介质中纵波的波动方程，为式纵波的传播速度，将l 和g 用e 和表示，可得出： = 蹁 ( 2 8 ) 东北林业大学硕士学位论文 由拉密运动方程式( 2 1 ) ，设甜一0 ，v = 0 ，w = w ( x 则拉密运动方程可写成： g 窘= 夕窘 ( 2 - 9 ) 或写成： 窘= 嘭害 ( 2 - 1 0 ) 圪= 、旦 ( 2 1 1 ) v 尸 式( 2 1 0 ) 即为无限弹性介质中横波的波动方程，k 为横波的传播速度，将g 用e 和p 表示，可得出： 厂1 - 弘砀 q 。1 2 比较( 2 8 ) 、( 2 1 2 ) 式，可看出畛圪，即纵波波速大于横波波速，因此纵波又称 为初至波，横波又称为次波。 由波速的表达式还可以看出，弹性介质的性质和种类不同，弹性常数和密度不相 同，因此，弹性波在介质中传播的速度也不相同。因此，在发生弹性波时，设法用仪器 接收，并用仪表测定其波速，则可以用来判别混凝土的质量，这就是经常使用的“弹性 波检测法 的理论依据。 在实际测量中，由于横波的发生和接收都比较困难，以及其他因素，多以测纵波为 主，因此弹性波检测又称为声波检测。 2 2 2 超声波在两种介质面上的传播规律 声波在介质中传播的过程中，遇到与原介质阻抗不同的障碍物时，在两种介质面上 声波的传播规律、声波能量的分配都将发生变化。这种变化的规律依赖于声波波长和障 碍物尺寸的比率、两种介质的特性以及声波的入射角度。 如果障碍物尺寸远大于波长，声波将在两种介质的界面处发生反射、折射等现象。 如果障碍物尺寸与波长相近，将发生显著的绕射现象。 如果障碍物尺寸小于波长，声波的大部分能量绕过障碍物，少部分能量向障碍物四 周散射。 混凝土是一种多种材料的聚合体，在其内部存在多种声学界面，声波在混凝土中的 传播是一个非常复杂的声学现象，研究声波在异质界面上的传播规律对于混凝土质量的 声波检测具有重要意义。 ，当两种介质的界面尺寸远大于声波波长时，声波在介质面上将发生反射、折射和波 型转换。 2 2 2 1 声波的反射和折射 2 超声法检测混凝土缺陷技术 ( 1 ) 波的反射声波从一种介质传播到另外一 种介质时，在界面上有一部分能量被界面反射，形成 反射波( 如图2 1 ) 。 入射波波线和反射波波线与界面法线的夹角分别 为入射角和反射角，入射角口的正弦与反射角口l 的 正弦之比，等于波速之比，即： ! 坚：生 ( 2 1 3 )。一一。一 ，j s i n 口ly ： 入射波 反射波 qi z - ， 玲二 当入射波和反射波的波形相同时嵋= 嵋，所以有 图2 1 波在界面上的反射与折射