基于冲击回波法的混凝土构件厚度及内部缺陷检测技术研究

□文/刘力博

基于冲击回波法的混凝土构件厚度及内部缺陷检测技术研究

□文/刘力博

文章阐述了冲击回波法检测混凝土构件厚度、内部缺陷的原理及应用方法并结合工程案例，对检测的可靠性进行验证。结果表明：冲击弹性波在传播过程中遇分界面反射与绕射的传播特性，与混凝土构件厚度及内部缺陷检测具有很好的相关性，通过对冲击回波法测试信号进行频谱分析，不仅能计算梁板等构件厚度并能有效识别其内部缺陷及位置。

混凝土；缺陷；厚度；冲击回波法；无损检测

在现浇桥梁施工过程中，由于有较多工序，配筋也较密，如果施工控制不严，容易出现空洞、不密实及板厚不足等缺陷，直接关系到桥梁上部结构的实体质量。在频繁重载作用下，易由薄弱部位逐步发展成严重损害部位，存在冲剪和压溃破坏的风险[1]。为保证桥梁安全可靠，必须对其进行全面检测，及早发现病害并加以治理。目前的检测方法有钻芯法、超声波法、雷达法等，但各自都存在着一定的缺点。冲击弹性波法作为一种新兴混凝土无损检测技术，其优点是冲击能量大、冲击源简单、仅需单一测试面，对于不同几何形状的混凝土结构，有相应的波形和频谱特性[2]，不仅可以检测混凝土结构厚度还可以测定混凝土内部是否有缺陷并确定位置及范围。

1　测试原理

在冲击混凝土坚硬的物体表面时，形成一瞬间应力脉冲。该应力脉冲由压缩波（纵波，P波）、剪切波（横波，S波）及瑞利波（R波）组成。P波和S波沿圆形波阵面传入试体，R波沿表面传播。当P、S波在传播过程中遇到缺陷或边界（底面）时，由于两种介质的声阻抗率不同，应力波在这些界面处发生反射。这样，在表面与界面（缺陷与边界）之间产生多重反射，结果形成瞬时的类谐振条件。当把一个传感器置于冲击点附近时，即可测出该处由于多次反射波引起的表面位移响应[3]。由于P波引起的表面位移比S波大得多，冲击回波法主要关心的是P波。将所得到的冲击位移响应进行快速傅里叶变换（FFT），即获得该冲击响应中各种频率成分的振幅分布图，称为频谱图。频谱图中的峰值为顶面与界面（底面或缺陷）间来回反射形成的振幅加强所致，频谱图上某个峰值对应的厚（深）度即可通过式（1）计算。

式中：h为某个峰值对应的厚（深）度；f为频谱图上的频率峰值；Vp为被测体声速。

式（1）适用于混凝土/空气界面、水等比混凝土声阻抗低的材料两者之间的分界面[4～5]。

2　被测体的声速值的确定

为计算被测体厚度及缺陷深度，首先应知道被测体的声速VP，可采用以下2种方法。

1）现场标定法。选取一处有代表性且厚度已知的部位，进行冲击回波测试，按式（1）计算声速VP，这是最合理的确定声速的办法。

2）单面传播法测试声速。如令单面传播法测试的声速为V，则用于计算厚度或深度的声速VP按式（2）计算。

式中：β为几何形状系数，可取0.96。

3　应用实例

3.1厚度测试

某大桥全长296.43 m，上部结构为预应力现浇混凝土箱梁，箱梁顶板厚度设计值22 cm。采用冲击回波法对顶板厚度进行测试，现场在结构物表面用打击锤击振弹性波并通过压电式加速度传感器采集在分界面处的反射信号。其中小直径的打击锤击振产生的应力波高频成分较多，适合检测厚度较小的板。本次检测声速测定采用现场标定法。为保证构件厚度值满足95%的保证率，每个测点重复测试10次以上并采用数理统计的公式对多次的测试值进行最优推定值计算。

图1为单个测试数据的频谱分析图，峰值正是由于弹性波在顶面与底面间来回反射形成的振幅加强所致，峰值对应的频率就是板厚度频率，再根据式（1）即可计算板厚。图1中板厚度频率已换算为应力波传播的时间T，即频率的倒数，这样显示更为直观。

图2为同一测点12次测试的频谱图，图2中竖线位置表示板厚的反射波信号，可以看出各次厚度测试值大小均匀，通过计算最优化推定值即可获得构件厚度。

图1　单个测试数据频谱

图2　多次测试数据频谱

现场对5个测点的检测数据进行钻孔验证，验证结果对比见表1。

表1　冲击回波法与钻孔法厚度结果对比

由表1可以看出，与钻孔验证结果相比，冲击回波测试误差在±3.0%以内。另外P波波速对检测结果有较大影响，因此选择P波声速测试位置时应具有代表性，当检测部位的混凝土材料及配比、施工方法等发生变化时，应重新测试P波波速。条件允许时，现场应多测试几处，从而确定声速是否存在较大偏差。

3.2内部缺陷测试

对某预应力小箱梁底板进行混凝土缺陷检测，在小箱梁底板布置了2个测区，分别距离现状南侧梁端17.5、13.5 m；每个测区中纵向布置2条测线，测线间距0.2 m，每条测线布置若干测点，测点间距0.1 m，采用冲击回波法进行测试，其中1#测区测线2检测结果见图3。

图3　测线2彩色等值线频谱

图3中矩形框内区域存在较明显的反射信号，为介质不连续性缺陷，根据横坐标的声时与P波声速可以确定缺陷所在的深度。

4　结语

冲击回波法具有突出的优点，冲击弹性波在传播过程中遇分界面反射与绕射的传播特性，与混凝土内部缺陷及构件厚度检测具有很好的相关性，通过对测试信号进行频谱分析，不仅能计算梁板等构件厚度并能有效识别其内部缺陷及位置。本文从检测原理及工程实例对冲击回波法检测技术进行了阐述，文中工程实例厚度测量误差在±3.0%以内，可以满足实际工程检测精度要求，混凝土内部缺陷能够明显识别。该方法尤其适用于像箱梁这种封闭结构或只具有单一检测面的结构，具有较明显的工程应用及社会推广价值。

[1]姜维，邵华，谢盛明，等.基于冲击回波法的箱梁厚度检测方法研究[J].江西科学，2015，33（5）：729-733.

[2]M.Sansalone.W.Street.冲击-回波法及其现场型仪器在砼结构无损检测中的应用[C].土木工程无损检测国际会议译文集[A]. 1997.

[3]林维正.土木工程质量无损检测技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[4]黄建新.冲击回波法在混凝土结构无损检测中的应用[D].南京：河海大学，2006．

[5]祝火炬.冲击回波法混凝土无损检测的数值仿真[D].武汉：华中科技大学，2008.

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.05.015

□U446

□C

□1008-3197（2016）05-44-02

□2016-08-11

□刘力博/男，1985年出生，工程师，天津市交通科学研究院，从事桥梁检测工作。