冲击弹性波在交通工程检测中的应用(新)

无损检测技术的发展历程 无损检测技术方法 21世纪以后，由于计算机技术、数字化与图像识别技术、人工神 经网络技术和机电一体化技术的快速发展，无损检测的方法和种类日益 繁多，射线、激光、红外、微波、液晶等技术都被应用于无损检测。
CT
无损检测技术的发展历程
声呐/超声波
无损检测的主要方法概述
工程无损检测主要方法分类情况
预应力孔道灌浆密实度检测 （2）测试方法和原理 定性测试（全长衰减法FLEA）
激振信号
充填良好 充填不良
受信信号
0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
0% 25% 50% 75% 充填度 % 100% 125%
密实度测试（全长衰减法FLEA）
弹性波衰减（振幅）率～充填度的相关关系
在役基桩完整性检测
传感器起震 时刻
传感器起震 时刻
锚杆（索）检测 （1）测试方法和原理 锚杆测试原理 激振信号
锚杆长度=波速*反射时间/2
杆底反射信号
锚杆（索）检测 （1）测试方法和原理 根据实践经验和理论分析，可以得到： • • • 较大的锤适合于较长的锚杆，较小的锤则相反 锥形激振体适合于较长的锚杆，但对短锚杆的测试结果容易比实际偏长 自动激振装置（包括电磁式、超磁式）的激振力度稳定，重复性好。但
受信传感器
激振体系
信号测试仪
桥梁承载力检测 （2）快速检测体系 关键技术
整体检测项目 • 混凝土弹性模量、强度、疲劳 • 裂缝的有无 局部检测项目 • 锚下有效预应力 • 灌浆密实度 • 厚度 • 裂缝深度
应力应变关系
应力应变关系及弹性模量的定义
桥梁承载力检测 （2）快速检测体系
现场测试验证结果
立柱埋深检测 （2）现场验证及应用案例
测试误差数值分布图
基桩完整性检测 完整性检测
基桩完整性检测 基桩长度检测
现场波速标定
在役基桩完整性检测
其基本原理与新设基桩的完整性检测相同，所不同的是：
传感器安装在桩身的侧壁； 解析信号为多频道信号； 激振在桩身侧壁或承台上面桩头投影位置
无损检测的主要方法概述
以上各种方法均具各自的优点 同时也存在局限性 检测人员的主观意识、现场操 作环境差异等均会对检测结果带 来影响。 在检测时可选用多种方法以相 互印证 必要时还可采用取芯等微破坏 的方式加以验证
二、基于冲击弹性波的无损检测技术
主要检测项目 基本原理及方法 行业规程颁布情况
专用耦合剂可大大衰减自由 振动
混凝土结构检测 （1）厚度检测
混凝土结构检测 （2）内部缺陷检测
桥墩
混凝土结构检测 （3）脱空检测
钢管混凝土脱空
宜昌市五峰新城的大桥的钢 管混凝土脱空检测和验证。 桥梁为独拱肋钢管混凝土拱 梁组合桥，桥长97.2m，宽 24m。主拱肋高140cm，宽 310cm，左右钢管外径均为 140cm，壁厚为25mm。
现场检测验证
破梁验证结果发现，在检测出的缺陷位置存在大 量积水，表明确实存在压浆不密实情况。
预应力灌浆密实度检测 （4）规程情况 目前，江苏、浙江、福建、陕西、贵州、重庆、云南等多地以指 南、地方规程等形式将灌浆密实度检测列入必检项目。 山西省已颁布 交通部已列入计划计划
锚下有效张力检测 （1）测试方法及原理
A21 A b2 D b1 D A
A11 A D
H
H
H
充填度测试（等效波速IEEV法）概念图
预应力灌浆密实度检测
（3）验证及应用案例
模型梁验证 利用等效波速法对浙江某公路 大桥项目预应力T梁模型进行检测时 , 根据测试结果等值线图发现N1孔 道0～3m范围内存在压浆缺陷，并对 模型梁进行了破损验证。
充填度测试（等效波速法）概念图
充填度测试场景（等效波速法）
预应力孔道灌浆密实度检测
（2）测试方法和原理
灌浆不密实区域 壁厚厚，钢筋密集。
预应力孔道灌浆密实度检测 （2）测试方法和原理 定位测试（传递频率法PFTF）
泌水（灌浆不密实）
钢绞线周围缺乏约束，产生 自由振动； 受信信号初动部分频率较高
第一阶段：无损探伤阶段（ ND Inspection ）， 探测试件是否存在缺陷；
第二阶段：无损检测阶段（ ND Test ），探测试 件是否存在缺陷及其结构、性质、位置等； 第三阶段：无损评价阶段（ND Evaluate），不 仅要掌握缺陷的有无、属性、位置、大小等信息 ，还要评估分析其对被检构件的影响程度。
发射信号及反射信号
立柱埋深检测 （1）测试方法和原理 EDMA：关键技术 残留振动抑制技术 反射信号增强及识别技术 高精度频谱分析技术 智能化判别技术
立柱埋深检测 （2）现场验证及应用案例
在数十个工程进行了试验验证： • 约85%的检测误差在±4%之内
•
约94%的检测误差在±8cm之内
立柱埋深检测 （2）现场验证及应用案例（浙江沪昆高速）
分类 代表检测方法 检测量
波动振动类
冲击弹性波、超声波、AE 振幅、频率、相位、时间、 （声发射）、打声法 速度 电磁诱导、微波（探地雷 振幅、频率、相位、时间、 达） 速度
红外线、可见光（激光）、 X、Y射线法 回弹法等 颜色、灰度、相干性等 射线的衰减 回弹值
电磁波类
其它类
无损检测的主要方法概述
灌浆密实时，信号经 过管道在底部的反射 时间
灌浆不密实时，信号 经管道壁绕射在底部 的反射时间
N1管0～-3m扫描等值线图
预应力灌浆密实度检测
（3）验证及应用案例
模型梁验证
填充区域部分浆体进入 形成不饱和松散状态
本次检测的对象为预应力T梁 模型，该模型的设计尺寸为 10.0m×1.6m×(0.2～0.5)m。设计 混凝土强度为C50。在浇筑时，其中 有部分孔道设置了缺陷，缺陷部位 未压浆。根据现场验证表明测试结 果与实际缺陷位置情况一致。
冲击弹性波在交通工程检测中的应用
朱纪刚
1
无损检测技术概述
Contents
2
3
基于冲击弹性波的无损检测技术
目 录
冲击弹性波在交通工程中的应用
一、无损检测技术概述
无损检测技术的发展历程 无损检测的主要方法概述
无损检测技术的发展历程——无损检测技术的发展阶段
1
无损探伤
2
无损检测
3
检测评价
早在20世纪30年代，人们就开始无损检测技术的研究，大体 来讲，分为以下3个阶段：
无损检测的主要方法概述
原理：通过发射的电磁微波 在对象物体的反射来判别。 特点：只需一个测试面 缺点：对材料力学特性钝感
雷达法 红外热像法
原理：物体向外进行热辐射，并 通过采集热辐射信号检测表面温 度，然后以图像方式表现 特点：无接触、遥感测试面积大 缺点：检测范围浅，受天气影响
X射线
原理：利用射线穿过物质，并被其衰减 特点：穿透力强、结果直观、分辨率高 劣势：放射性强、设备庞大、检测费用高
设计制造质量低劣
洪水冲击及桥墩冲刷 旧桥承载力不足 荷载偏心
桥梁承载力检测 （2）快速检测体系
以结构/材料刚性的检测为基础
结构/材料刚性测试的理论基础
目前动、静载试验均以挠度/刚性为基础
以单项检测为辅
混凝土桥梁测试
5 qL4 384 EI
E的快速测试 I的评估
其适用的锚杆长度也有范围限制，超出该范围的反而测试结果偏差较大
锚杆检测概念图
锚杆（索）检测 （2）不同条件下的特征波形 测试例（空置岩锚杆）
空置锚杆信号衰减小，测试容易
锚杆（索）检测 （2）不同条件下的特征波形
测试例（现场岩锚杆）
现场锚杆信号衰减大、噪声 多、测试困难
锚杆（索）检测 （2）不同条件下的特征波形 测试例（现场岩锚杆验证）
等效质量法
埋入式锚索在锚头激振时，其诱发的振动体系并非固定不变，而是 会随着锚固力的变化而变化。锚固力越大，参与自由振动的质量也 就越大。
等效质量法的基本概念
锚下有效张力检测 （2）验证及应用案例
张 力 ～ 响 应 关 系 的 回 归
锚下有效张力检测 （2）验证及应用案例
浙江龙泉
桥梁承载力检测 （1）桥梁垮塌原因分析 超载
混凝土结构检测 （3）脱空检测 高铁轨道板脱空、损伤
沪宁高铁脱空检测
混凝土结构检测 （3）脱空检测
高铁轨道板脱空、损伤（沪杭） 轨道板四周离缝 轨道板中间是否 检测成像分析图 起拱检测成像分 析图
混凝土结构检测 （4）裂缝检测
预应力孔道灌浆密实度检测 （1）测试背景与意义
1985年12月，Ynys-Y-Gwas桥（英国南威尔市）
根据受信与激发信号的初动部 分的传递函数，可推测锚头附 近的灌浆密实度；
灌浆密实
钢绞线周围有灌浆材料约束 ，不易自由振动； 受信信号初动部分频率较低
预应力孔道灌浆密实度检测 （2）测试方法和原理
定位测试及缺陷类型识别
当出现灌浆不密实时： 测试弹性波波速会出现下降 在缺陷处会产生反射
1992年，Bissell大桥（美国）
我国某高速公路三座预应力梁桥，纵向预应力孔
道中无压浆的截面占调查总数的14.5%，横向预 应力无压浆截面则占到47.6% 我国某特大桥梁（跨度为330m）的开孔检验中， 发现全部检查点均存在压浆不密实的问题。施工 阶段，部分检查位置的钢绞线已经开始生锈
激振频率 激振锤越小、产生的频率越高； 测试对象越硬、产生的频率也越高
冲击弹性波的基本原理及方法 冲击弹性波与超声波的比较
基本原理相同，均为弹性波范畴； 激发、接收装置及频率不同； 冲击弹性波能量大、测试范围广； 冲击弹性波频响特性好，适用于IE法 冲击弹性波扩展领域广。
冲击弹性波法、超声法
利用机械式或者压电式在测试对象内部或表面产生一个微小扰动， 再利用接收装置接收该微小扰动，从而检测对象内部状态的方法。
核心在于物体粒子本身在运动（振动）
冲击弹性波检测仪
超声检测仪
无损检测的主要方法概述
冲击弹性波法
采用机械式激振，振动传感器 接收信号，频率通常在数KHz ～50KHz
充填度指标
预应力孔道灌浆密实度检测
（2）测试方法和原理
定性测试（全长波速法FLPA）
弹性波波速 1维钢棒P波波速：约为5.01km/s
实测钢绞线波速
3维钢筋混凝土P波波速：约为4.2-4.4km/s 灌浆密实度
预应力孔道灌浆密实度检测 （2）测试方法和原理 定位测试（P波传递函数法PFTF） 对锚索两端，因位置较高，容易 产生泌水，从而产生空洞； 但梁两端一般壁厚较厚，IEEV法 测试分辨率显著降低。
立柱埋深检测 （1）测试方法和原理 与基桩低应变检测方法比较具有的主要特点
传感器采用2个
传感器均固定在立柱侧壁
采用特制的激振装置以抑制柱内共鸣和减 少激振信号的持续时间
源自文库
在分析中需要利用相关信号分析手段提取
底部反射信号 在分析中需要时域方法和频域方法相结合
立柱长度检测概念图
立柱埋深检测 （1）测试方法和原理 EDMA：基本原理
能量较大，可适用于大型构件 受钢筋等的影响小、测试结果稳定性好
超声法
采用压电式晶体激振和接收， 激发的信号频率超过20KHz， 一般在数百KHz及以上
VS
能量小，一般适用于小型构件 对缺陷敏感，受钢筋、骨料等的影响大 测试方法较为单一、不适合频域分析
测试方法多样、频域/时域
在交通工程中，除了钢结构缺陷检测外，冲击弹性波法均具有优势
三、冲击弹性波在交通工程中的应用
桩柱杆检测 混凝土结构检测 预应力结构检测 桥梁承载力检测 岩土材料检测
立柱埋深检测 （1）测试方法和原理 难点：中空薄壁结构 比表面积大，能量衰减快 内部空腔，易产生共鸣 残留激振信号的影响
反射信号 反射信号
因此，在立柱埋深检测中，如何识别柱底反射是非常重要的课题。 为此，开发了专门的检测技术（EDMA技术）和设备。
基于冲击弹性波无损检测技术的主要检测项目
混凝土结构 岩土材料
1
预应力结构
2
3
5
其它结构
4
桩、柱、杆
冲击弹性波的基本原理及方法 冲击弹性波的定义
波頭 粒子
当结构发生应变时，质点在弹性力（弹性介质特性）的作用下进 行往复运动，从而形成波。
Impact Elastic Wave
冲击弹性波的基本原理及方法 冲击弹性波的产生
破梁及破开后场景
预应力灌浆密实度检测
（3）验证及应用案例
现场检测验证
对某在建高速公路的预制小箱 梁结构进行了灌浆密实度的检测和 验证。测试结果，在离CH0发射端 2.1m～2.7m位置发现缺陷。
梁底位置
缺陷位置
变截面位置
IEEV扫描等值线图
预应力灌浆密实度检测
（3）验证及应用案例（河南某高速公路）