钢筋混凝土装配式建筑预制构件质量检测方法*

王 威

(宣城职业技术学院，安徽 宣城 242000)

钢筋混凝土装配式建筑推动了我国建筑行业的发展，其具有节能、节材的特点，体现了绿色环保的建筑理念.因为该技术提出较晚，相关研究匮乏，且缺乏健全的安全体系，预制构件的质量问题经常发生.同时，钢筋混凝土的结构特性，导致预制构件在生产硬化过程中会出现裂缝现象，长时间会使内部材料生锈，降低承载力.如何对预制构件的质量做出精准的检测，成为建筑领域急需解决的问题.针对上述问题，研究人员探索相应的解决方案.文献[1]提出基于粗糙集-灰色局势决策的预制构件质量检测方法，首先将承运商的运作管理能力、物流传输能力和运输工具配置作为评价指标，其次在粗糙集理论下对收集的数据做属性约简，删除冗余数据，保留重要信息，最后利用灰色局势决策法，通过优化的白话函数计算出质量的综合效果矩阵，完成质量检测.此种检测方法较为简便，并且可以很好的对预制构件实施从出厂到使用的全面跟踪检测.文献[2]为预防预制构件在施工过程中带来的风险，提出基于BIM质量检测的方法，首先对检测系统框架进行构建，包括感知层、数据层、服务层和应用层；其次结合预制构件的检测标准建立安全规则数据库，将其作为检测的依据；最后对BIM模型参数进行调控，将采集到的数据与标准数据做对比，完成质量检测.此种方法能够准确的检测出预制构件表面质量问题.虽然以上两种方法都完成了质量检测，但是只能从表面进行推断，并不能精准地检测预制构件内部是否发生裂缝等质量问题.基于此，提出钢筋混凝土装配式建筑预制构件质量检测方法.在超声波的基础上确定参数，了解传播特性，建立声场模型，完成质量检测.超声波对钢筋混凝土构件的缺陷比较敏感，可以作为重要的质量检测依据.

1 基于超声波的装配式建筑预制构件质量检测

1.1 超声波的参数及传播特性分析

超声波可以看做由很多紧密相连的质点组成的一种物质，当其中的某个质点受到扰动时，会产生振动现象[3]，此现象会影响相邻质点随之振动，由于惯性因素，相邻质点又会带动更多的质点发生振动，这样就形成了声波.超声波的频率范围在20～ 10 MHz，并不在人耳听觉范围内.

超声波用于质量检测中，可利用其传播特性，与被检测的物体相互作用，使其传播方向发生明显变化，利用接收换能器对声波信号进行接收，分析其频率与振幅，从而判断被检测的物体是否存在质量问题.

1)超声波分类

以超声波的传播方向以及质点的振动方向作为依据，将波分为纵波、横波和表面波[4]三大类.横波与纵波属于基础机械波形，出现任何复杂的波动现象都可能是这两种波叠加导致的，波的分类，见表1.

表1 超声波分类表

2)超声波的基本参数

声速：通常情况下传播速度用v表示，而三种波形在同样的介质中传播速度不同.超声波在钢筋混凝土装配式建筑预制构件中传播速度公式为：

(1)

公式(1)中，v表示传播速度，l表示声程，t表示声时.

超声波的弹性模量与泊松比[5]决定了传播速度，弹性模量越高，速度越快.与此同时，预制构件的内部结构，例如材料组成、空隙、裂缝都会对传播速度造成影响.振幅：是反应声波能量大小的参数，振幅越大，能量越高，可以作为预制构件质量检测的标准.频率：高频率的声波波长较短，容易造成吸收和散射衰减，超声脉冲的传播距离越远，衰减现象越严重.波形：在传播时，传播距离的增长，会导致声波出现消退现象，正弦波衰减后变为半圆形，而超声波在预制构件中产生的形状为喇叭形.

3)超声波传播的独特性

当超声波的传播介质不同时，交界面会发生折射和反射现象，这时传播规律会发生变化.如图1所示，α和α1分别代表入射波和反射波与界面的夹角，折射波与界面的夹角为β.

图1 超声波的反射和折射示意图

超声波反射：入射角α与反射角α1之间存在的关系式为：

(2)

超声波折射：当超声波的传播介质发生改变时，一部分声波透过交界面后继续传播，此时入射角α与折射角β之间的关系为：

(3)

声压反射率：是反射声压p′与入射声压p之间的比，可用公式(4)对其描述：

(4)

超声波的反射角、入射角、介质声阻抗率[6]Z和介质厚度都对声压发射率γ有影响，关系式为：

(5)

当入射角α=0时，公式(5)可以简化为：

(6)

1.2 超声波探头的声场模型

在确定参数后，对几种常用超声探头声场建立数学模型.

1)圆盘活塞状声源：在对声波衰减现象不做任何考虑的情况下，声场中任何一点的声压可以表示为：

(7)

公式(7)中，p0代表起始声压，dS代表点源面积，r表示某点到声源的距离.

为了使模型得到简化，将所有单一点源产生的声波进行叠加处理，获得合成声压[7]：

(8)

式(8)中，Rs代表圆形探头的半径.根据式(9)可以得出，声压p代表时间t的周期函数.声压振幅为：

(9)

(10)

声压振幅可表达为：

(11)

式(11)中，Fs表示圆盘面积，J1表示一阶贝塞尔函数[8]，Rs表示圆形探头半径.

2)矩形活塞探头声场中任何一点的声压振幅为：

(12)

当θ=φ=0时，远距离轴线上的声压为：

(13)

当θ=0时，经过轴线，并且矩形源平面中远距离任意一点的声压可表示为：

(14)

当φ=0，此时声压为：

(15)

根据建立的超声波声场模型制作两种预制构件模型：其一，有质量问题，有裂缝现象出现；其二，质量良好.将两种构件模型用于对比检测.

1.3 预制构件质量检测

检测超声波是否有明显变化情况的核心是求交运算，高效率的求交算法是预制构件质量检测的关键.因此，分别对射线与平面和圆柱面的求交算法进行研究.声色线为：

X=Dt+S(t≥0)

(16)

式(16)中声射线的原点为S=(x0,y0,z0)，传播方向定义为 ‖D‖=1；X=(x,y,z)是声射线上的某一点.

1)射线与平面的求交算法[9]

当界面的表达带约束条件时，此求交算法就变为射线与多边形的求交，在本文方法中多边形定义为单联通的，并且它的两边除了有共同交点外，是不会相交的，将复杂的多边形转换成简单的多边形形式.

对于多边形P={p1,p2,…,pn}中，Pi=(xi,yi,zi)是多边形的交点，此时多边形所在平面的表达式为：

N·X+d=0

(17)

2)射线与曲面求交算法

求交曲面包括柱面、球面、圆锥面等.假设圆柱体的底面中心是p0,对称轴的向量为AX，圆柱高度为h，得到以下求交公式为：

P1=P0+h·AX

(18)

在获得两种算法的求交公式后，通过网络层次分析法(ANP)[10]确定出预制配件质量检测的指标权重，过程如下所示：

(19)

其次，在获取超级矩阵的基础上获得极限矩阵W∞，为了更准确地反应钢筋混凝土装配式建筑预制构件质量检测指标之间的关系，加权超级矩阵必须有良好的稳定性，因此构建极限矩阵W∞，如式(20)所示，假如i→∞，极限收敛并且唯一，这时，超矩阵中的列向量为质量检测判断标准的稳定权重[11].

(20)

在构建出极限矩阵后，建立模糊评价矩阵，将质量检测的二级指标经过模糊线性变换后获得一级评价指标的矩阵：

(21)

式(21)中，rij代表质量检测标准的二级指标Pij所对应的隶属度，fij代表质量评价二级指标被检测的总数量.

最后，建立综合质量检测评价矩阵.通过隶属度rij构建隶属度矩阵[12]R，根据下述公式计算出一般隶属度矩阵R=(rij)m×n=(R1,R2,…，Rn)T，指标Pij的隶属度向量可以表示为Ri=(ri1,ri2,…，rit)T，i=1,2，…,n，n对质量检测等级的数量进行描述.由于质量检测的评价指标很多，所以需要对不同等级的检测指标一一进行综合判断，首先通过一级评价指标的权重Wij与对应的隶属度矩阵R做一级模糊判断，并将判断结果进行综合获得总的模糊综合判断矩阵H，判断过程如下所示：

Hi=WijR=

(22)

根据计算出的模糊综合判断矩阵，求出预制构件质量检测的模糊判断集U，公式如下所示：

U=WH=(u1,u2,…,ut)

(23)

式(23)中，ut表示质量检测综合判断对等级j的隶属程度.

2 测试与分析

为验证本文方法对预制构件质量检测的有效性，将其与文献[1]方法进行对比试验.利用本文方法对两种预制构件模型进行检测，一种为内部出现裂缝，有质量问题的预制构件，另一种为完好无损的预制构件.获得两个模型通过裂缝与未通过裂缝的超声波变化，包括波的速度、振幅以及频率曲线的变化情况.图2与图3分别为两种不同模型的声波变化情况.

图2 超声波未经过裂缝的波形

图3 超声波经过裂缝处的波形

从图2与图3可以看出，超声波是否经过裂缝，对其波形有较大的影响.在经过裂缝之前，传播介质均匀，震相简单，波形比较规则，振幅消失较快，但是在通过裂缝后，超声波会在出现裂缝的地方发生变化，频繁发生反射、散射及绕射等情况，以至于产生不规则的波形.裂缝的存在导致振幅消失得很慢.由于裂缝处有气体这种传播介质存在，对波形有阻隔作用，因此，无法观察到直达波，经过裂缝处的超声波会产生较明显的周期波动，可以作为判断有无质量问题的重要依据，使用本文方法观测到的波形变化较为明显.

分别设置100组本文方法与文献[1]方法的对比实验，两种方法对质量检测的准确性结果，如图4所示.

图4 测试实验准确率对比图

分析图4，从对比实验的结果可以看出，随着实验次数的增加，两种方法对于检测的准确率均有上升.而相比文献[1]中的方法而言，本文方法的精准度始终占据优势，对裂缝等质量问题更具敏感性质.

3 结论

为了更好的对钢筋混凝土装配式建筑预制构件做质量检测，本文在超声波的基础上利用其传播特性，建立声场模型，确定质量检测的指标权重，完成预制构件质量检测.研究发现:

1)超声波对裂缝的反应通过其波形显现，当其通过预制构件缝隙时，其波形不再规则，振幅消失缓慢.

2)与其他方法对比实验显示，随着迭代次数的上升，检测精度将会上升；而本文方法对裂缝现象较为敏感，检测的准确度更高，提高了检测效率.超声波用于预制构件检测的可行性得到验证，能为该方法的多种判断指标检测质量问题提供重要的依据.