冲击回波法在钢管混凝土拱桥检测中的研究

第6卷第3期2009年6月

CHIN ESE JO U RN A L O F EN GI NEERIN G G EOP HY SICS

V ol 6,N o 3Jun ,2009

文章编号:1672 7940(2009)03 0364 04doi:10.3969/j.issn.1672-7940.2009.03.021

冲击回波法在钢管混凝土拱桥检测中的研究

张东方,王运生

(郑州大学道路检测中心,郑州450002)

基金项目:河南省重大公益科技项目(编号:0811********)资助。

作者简介:张东方(1985-),男,郑州大学硕士研究生,主要研究方向桥梁检测。E-m ail:z han gdon gfang56@

王运生(1963-),男,河南安阳人,博士,高级工程师,主要从事物探方法技术研究和软件开发。E-mail:w ys@

摘 要:冲击回波法是一种新型钢管混凝土结构无损检测技术,即用锤子对钢管混凝土结构表面轻微敲击,

根据反射应力波波形与频率来探测构件内部缺陷。本文首先对冲击回波法的原理进行了研究,其次通过模型试验分析,总结规律。最后在某钢管混凝土拱桥工程中进行冲击回波法应用效果分析验证。结果表明,冲击回波法可以方便、直观的检测出钢管混凝土拱桥的质量。

关键词:钢管混凝土;无损检测;冲击回波法

中图分类号:P 631.4文献标识码:A

收稿日期:2009-02-08

Study of Impact-Echo Method Detection in Arch Bridge of

Concrete-Filled Steel Tube

Zhang Dongfang,Wang Yunsheng

(Zhengz hou Univ er sity ,Zhengz hou 450002,China)

Abstract:Impact echo m ethod is an innovativ e nondestructive testing of concr ete filled steel tube structure.H itting g ently o n the sur face of co ncrete filled steel tube structure w ith a ham mer,internal defects of the structure can be detected by the w av eform and frequency of the r everberate stress w av es.Firstly ,the pr inciple of the impact echo m ethod is studied in this paper.Seco ndly,thr oug h the model test analy sis,the rule is summarized.At last,in the concrete filled steel tube arch bridge project the effect of its applicatio n is to be analyzed and validated .The results show that the quality of concrete filled steel tubes can be tested conveniently and directly by the impact echo metho d.

Key words:concrete filled steel tube;nondestr uctive testing;impact echo method

1 引 言

钢管混凝土结构在桥梁上的应用,促进了钢管混凝土拱桥在我国的发展。但是钢管混凝土浇筑困难,常存在如空洞、脱空、脱粘、混凝土不密实等方面的质量问题,而这些缺陷直接影响其承

载能力[1]。因此,开展钢管混凝土内部缺陷检测

技术研究,对保证工程质量具有重要意义。

目前常用的探测混凝土结构内部缺陷的无损检测方法是超声波透射法。检测时需要有两个相对平整的测试面,而且需要测量收发点之间距离,显然影响测试效率。并且通过多点测试,应用统计概率法原理,根据声波波速和幅度变化规律来

评断缺陷,因而不够直观。

20世纪80年代中期便开始研究一种新型的无破损检测方法 冲击反射法,又称冲击回波法(Im pact Echo M ethod),简称IE 法[2]

,是美国康奈尔大学(Cor nell U niversity)的M aary Sansa lone 和美国国家标准和技术研究所(N IST )的Nicholas J.Car ino 首创。该方法是单面测试,勿需丈量测距,可以直接对反射信号进行分析,判断缺陷类型,同时可以快速测算出结构层的厚度。

冲击回波法具有测试方便,成果直观准确等优点,被认为是一种有效的探测混凝土构件内部缺陷和厚度的无损检测方法。1998年美国制定了关于冲击回波法的正式标准(ASTM ,C1383 98a),同时美国混凝土协会(ACI)228委员会也于1998年将冲击回波法与其他行之有效的无破损检测方法一起列入评价结构中混凝土的无破损检测方法的报告中[3],予以推广。

2 冲击回波法原理

在钢管(或者混凝土)表面施加一瞬间冲击即产生应力波,应力波在传播过程中如果遇到波阻抗界面(缺陷或边界),在界面处会发生反射或者散射

[4]

。反射的应力波到达表面后又将被反射回

混凝土,这样形成多次反射。现场测试方法如图

1所示,在冲击点附近通过振动传感器可以采集到直达波以及反射波和散射波等信号。根据波形变化特征,可以直观了解混凝土质量和缺陷情况。同时利用快速傅里叶变换(FFT )将时域波形图转化为频谱图,可通过信号频谱成份和变化规律对混凝土质量进行分析判定。

当被测物体具有层状界面且应力波产生多次反射时,在靠近冲击点处所接到的反射P 波,其传播路径大致是层厚(H )的2倍,来回反射一次的周期应等于传播路径(2H )除以P 波的

波速

图1 测试原理

Fig.1 T he principle of testing

(V )[5]。频率是周期的倒数,故频谱图上峰值所对应的频率值与层厚度关系式为:

H =V

2f

(1)

式中:H 为层厚度(m);f 为频谱图上峰值所对应的频率值(H z);V 为被测体声速(m/s)。反之,如果能够测出被测构件的厚度,并在频谱图中找出主频,那么可以算出波速,计算公式为:

V =2f H

(2)

3 钢管混凝土冲击回波试验与

结果分析

在实验场地设计3个不同情况的钢管混凝土模型试件,其钢管直径为50cm ,混凝土标号C50。试件分为密实、蜂窝和脱空3种类型,剖面如图2所示。用超声透射法[6]

实测灌注密实的钢管混凝土试件声波走时,在直径已知的情况下,可求出波速V =4500m/s 。那么用冲击回波法检测钢管混凝土时,根据信号主频和超声透射法实测的波速,应用公式(1)即可求出层厚,并结合波形图与频谱分析图进而可判断和评价施工质量。

用WYS EGS06智能检测仪分别对3个模型试件进行采集信号,每个试件同一位置锤击3次,选择波形与频谱较好一组。3个模型试件实测的信号波形和所对应的频谱如图3、图4

所示。

图2 钢管混凝土模型设计

Fig.2 Desig n model of concrete-filled steel tube

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第3期 张东方等:冲击回波法在钢管混凝土拱桥检测中的研究