冲击回拨响应分析研究

张国伟　李光耀　陈博珊

(北京建筑大学　工程结构与新材料北京高等学校工程研究中心，北京　100044)

冲击回拨响应分析研究

张国伟李光耀陈博珊

(北京建筑大学工程结构与新材料北京高等学校工程研究中心，北京100044)

摘要:通过测试板状结构上距板边缘不同距离的位置，分析了冲击回波在测试距离板边缘较近的部位时的准确性，并对比了板状结构与柱状结构以及密实混凝土板与含有孔洞的损伤混凝土板的回波响应的差异，指出冲击回波响应在测试距离板边缘小于板厚的位置时，测试结果会有偏差，相对靠近板中的位置的测试结果，会出现不稳定;不同结构的回波响应各有特点。

关键词:冲击回波，回波响应，边缘效应

0　引言

IE方法的优点是:只需要结构的一个表面进行测试。IE测试方法还可提供孔洞或缺陷深度的信息，并在图形中显示缺陷的横向位置以及程度。本文通过检测实心混凝土板、含有孔洞的混凝土板以及实心混凝土柱对比分析不同结构回波响应的不同，探索冲击回波在距离板边缘较近的部位是否仍然具有良好的检测效果。扫描式冲击回波系统如图1所示。

图1　扫描式冲击回波探测系统

IES主要利用的是纵波在介质中的传播。传感接收器接收到的信号是周期性的位移波形，传感器接收后将其进行快速傅里叶变换，转化为频域信号后再进行分析。当应力波穿透两种不同声阻抗材质组成的界面时，一部分入射应力波会被反射回来，另一部分入射应力波会被折射进入下一介质中。混凝土/空气界二者之间传播的应力波会在冲击面上产生一系列的向内质点位移。此时，在周期位移波形一周期的时间内，应力波传播的路程为2T ( 2倍板厚)，故P波的传播频率( f)即为P波穿行2倍板厚所需时程的导数:

其中，f为频率;αs为形状系数; Cp为波速; T为结构厚度。

纵波在混凝土/钢界面之间传播时，在周期位移波形一周期的时间内，应力波传播的路程为4T( 4倍板厚)，故P波的传播频率( f)即为P波穿行4倍板厚所需时程的导数［1］:

其中，字母含义与式( 1)中相同。通过以上两个公式我们可以计算结构的厚度以及结构内孔洞的深度。

1　试验概况

试验对四种结构进行了测量分析，分别为厚度15 cm的密实混凝土板( 1号板)、厚度25 cm的混凝土板( 2号板)、厚度20 cm并含有孔洞的混凝土板( 3号板)以及边长39.5 cm的混凝土柱。在每种结构表面画出相应的测线，测量时，要保证结构表面平整干净，推动小车沿测线匀速扫描，每条测线测量20次。具体尺寸及测线布置见图2。

图2　测线方案

2　结果分析

2.1测量位置对测量结果影响分析

图3是1号板五条测线的测量结果，每条测线都进行20次测量并取平均值。测线1～测线4的测试结果基本一致，显示板的厚度都是15 cm左右，基本没有偏差，结果稳定。说明几乎所有的应力波都是从板底反射回来被采集仪接收到，很好的反映了板的厚度信息。而测线5的测量结果偏大，而且不稳定，原因是测线5距离板边缘较近，只有10 cm，比板厚( 15 cm)还要小，这样就产生了边界效应，即应力波不仅被板底反射，而且也被板边缘反射，从板底反射回来的应力波受到了从板边缘反射的应力波的影响，测量结果不稳定。为了分析IES测量含有孔洞的板时是否也有这种影响，对3号板也进行了测量。图4是3号板的测量结果，可以看到，测线2整体比测线1的结果偏大，跟图3中1号板的测量结果趋势一样。说明3号板测线2的测量结果由于距离板边缘太近，从而也受到了边界效应的影响。

2.2实心板与内含孔洞板频域图对比分析

图5和图6是使用IES测量3号板的两个典型测点的结果的频域图，实际板厚20 cm，在测线的中部位置下有一个直径110 mm的孔洞，孔顶距离板顶45 mm，波速3 950 m/s，其中图5显示的是测点下方无孔洞测点的测量结果，图6显示的是测点下方有孔洞测点的测量结果。那么根据式( 1)可以计算出板厚对应的频率为f =0.96×3 950/( 2×0.2) =9 480 Hz。从图5中可以看出，该波形只有一个明显波峰，是板厚度对应的频率，该频率为9 472 Hz，与理论计算结果几乎一致，说明板下是密实的，无孔洞。

图3　1号板测量结果统计

图4　3号板测量结果统计

图5　3号板无孔洞位置频域图

图6　3号板有孔洞位置频域图

从图6的结果看出，波峰对应的频率是7 683 Hz。可以得出，当板内有孔洞时，板厚对应的频率会比相同厚度的实心板对应的频率小。原因是由于板内孔洞的存在，应力波需绕行孔洞，此时应力波经历的路程要长，所对应的名义板厚就要比实心板厚度大，根据式( 1)可得此时的频率要小。通过以上的对比可知，若板内有孔洞，应力波的频域图与没有孔洞的实心板的频域图会有一个明显不同。有孔洞的板的板厚频率会向低频漂移，比实心板的厚度对应的频率低，这是判断板内有无孔洞的重要标志;理论上有孔洞的板的频域图会有两个明显波峰，一个是名义板厚对应的波峰，在频率较高的地方还会有一个较小的波峰，这个波峰对应的频率反映孔洞的深度。但是如果要出现缺陷深度对应的高频波峰需要符合一定条件，很多时候是得不到这个波峰的。

2.3混凝土柱与混凝土板频域图对比分析

图7是使用IES测量2号板的一测点的测量结果的频域图，2号板实际板厚25 cm，波速4 200 m/s。那么根据式( 1)可以计算出板厚对应的频率为f = 0.96×4 200/( 2×0.25) = 8 064 Hz。从图7中频域图上可以看出，该波形只有一个明显波峰。

图7　2号板无孔洞位置频域图

从图8中可以看到柱子的频域波形与板状结构频域波形的区别。柱子的频域波形不仅仅显示柱子厚度对应的频率波峰(我们称为基本频率)，还会显示与基本频率相关的高阶频率波峰，这些是应力波在柱子各个面反射回来相互干扰叠加形成的，对反映柱子的密实度有着重要作用，不可忽略。只要柱子的高度是柱截面尺寸3倍以上，这些波峰就是可轻松辨认的。而板状结构的频域波形只有一个明显波峰(如果板密实)，这个波峰对应的频率反映板的厚度。柱子实际尺寸为边长39.5 cm的方形柱，波速为3 700 m/s，方形柱形状系数取0.87。根据式( 1)计算基本频率(基本频率是柱子厚度对应的频率值，反映柱子的实际厚度)。高阶频率与基本频率的关系为f2=1.4f1，f3=1.9f1，f4=2.4f1。测试结果与计算结果对比见表1，测量结果与计算结果中的一阶频率很接近，表明柱子是密实的。

图8　柱频域图

表1　柱频率计算结果与实测结果

对于表1中误差的分析:冲击回波探测仪的精度大概在400 Hz，也就是说，测量结果误差不超过400 Hz都认为是准确的。此外，计算结果是厚度为39.5 cm的密实素混凝土柱的理论计算结果，而在实测过程中，柱子不是纯素混凝土柱，里面含有钢筋，可能会对测量结果产生一点影响;柱子表面不平整，浇筑时的误差都会对测量产生不可预知的影响。

3　结语

通过本次实验，可以得到以下几点结论:

1) IES冲击回波在测试板状混凝土结构时，在距离板边缘大于板厚的范围测量，结果很可靠稳定，频域波形既能很好的反映板的厚度信息还能反映板内孔洞情况。在距离板边缘较近的范围内，测量结果偏于不稳定，容易受到板边缘的影响。2)密实混凝土板与含有孔洞的混凝土板的频域波形有明显的差别。含有孔洞的混凝土板的频域图上的名义厚度对应的频率比相同厚度的密实板对应的频率低，原因是由于孔洞的存在，应力波绕行，路程变长，根据式( 1)可知，频率会向低频漂移，这是判断板内有无孔洞的重要标志。3)密实混凝土板状结构和密实柱状结构的冲击回波回应有很大不同。密实板状混凝土结构的频域图上只有一个明显的波峰，对应板厚频率;密实柱状混凝土结构的频域图上除了反映板厚的基本频率外，还有与之相关的高阶频率，结合基本频率与高阶频率才能判断出柱是否密实。

参考文献:

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On response analysis of impact-echo

Zhang Guowei Li Guangyao Chen Boshan
( Engineering Structure and New Materials Beijing High School Engineering Center，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China)

Abstract:By measuring the locations of different distances at the upper plate edges at the plate structures，the paper analyzes the position of the impact-echo in the closer edge of the measurement plates，compares the differences between plate-shaped and column-shaped structure，and the impact-echoes of the compacted concrete plates and the ones with holes，and points out the result can be a little erroneous with the impact-echo response with distance edge is less than the plate thickness and the measurement will be unstable when it is relatively close to the plate center，and indicates the echo responses of various structures have their own characteristics.

Key words:impact-echo，echo response，edge effect

作者简介:张国伟(1979-)，男，副教授;李光耀(1989-)，男，在读硕士;陈博珊(1990-)，男，在读硕士

收稿日期:2015-11-26

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0023-03

中图分类号:TU311

文献标识码:A