建筑混凝土结构的脉冲激光无损检测技术

河南建筑职业技术学院,河南 郑州 450064

1 脉冲激光检测原理

脉冲激光检测作为最常见的无损检测方法[1]。设置试件为均匀厚度的各向同性弹性板，脉冲激光冲击的加载点在板的中心（围绕圆对称加载），为了确保试件不受损坏，在其中心用粘合剂粘贴一个与Nd：YAG 试件材料相同，其直径和厚度都是1 mm，略大于激光点的保护体[2]。在分析中，根据柱坐标，板的挠动方程得出公式即：

式中，D表示板的刚度，w(r,t)表示离面位移，ρ0表示板的单位面积质量，P(r,t)表示单位面积载荷，∇4表示双调和算子，其表达式为：

试件板刚度D和弹性模量E、板厚H以及泊松比v各个参数之间的联系表达式即：得出Q开关Nd：YAG 激光器输出脉冲激光产生的脉冲即是狄拉克脉冲[3]，式（1）计算式如下：

式中，I表示冲量，r表示冲击点到研究点两者之间的间隔，t表示冲击点开始之后的时长，α表示板参数其表达式，β表示相似系数，其表达式。

据式(3)可知，对于给定的试件和加载条件，该因子Iα/D作为常数，即冲击点的位移为w0=Iα/8D，因此w(r,t)只与β具有相关性，β代表位移波在板中传播的主要参数，只有当冲击为狄拉克脉冲时才有意义。如果零位移波振幅(w=0)的r值是从方程(3)中获得的，则公式为：

式（4）代表各向同性板的位移波形是圆对称的，得出等幅线是同心圆[4]，α0代表确定位移波零振幅位置因素。上述位移波在试件中传播并遇缺陷时，发生畸变，在缺陷位置分层传播，此变化通过脉冲激光技术有效记录。

2 建筑混凝土结构无损检测技术

2.1 基本原理

无损检测技术具有分辨率高、精度高、检测速度快、抗干扰能力强、操作方便等特点，是获得混凝土结构中混凝土真实质量的有效途径[5]。需要设定钢筋内具有一个变阻抗面。z1=ρ1v1α1代表介质上部的波阻抗，z2=ρ2v2α2代表介质下部的波阻抗，当钢筋的端部受到瞬态冲击时，当波以应力波的形式传播到钢筋底部，达到变阻抗界面时，会产生反射和透射现象[5]。根据连续性条件和动量守恒定理，可以得到反射系数R和折射系数T，其表达式如下：

上式中ρ1介质上部密度，α1横截面面积，ρ2介质下部密度，α2横截面面积，v1波在介质下部的密度，介v2质下部内的传播速度。l钢筋锚固长度，l1钢筋自由段长度。

2.2 固结波速

固结波速代表应力波在建筑混凝土中的传播速度，是衡量建筑混凝土质量的重要参数。当混凝土的刚度和阻尼与钢筋相当时，钢筋振动特性将受到一定程度上的影响[6]。为了简化计算，作了以下假设：（1）钢筋在弹性极限内振动时，杆内各颗粒变化据虎克弹性定律的低应变动力进行。激振力较小能够控制；（2）混凝土拉压性能有明显差异，低应变情况下，这种假设可以满足此条件，并且可以忽略这一差异；（3）钢筋受外界因素影响而发生振动，截面平直。钢筋直径d和钢筋长度l两者比值l/d≤1/10，符合条件。

合理控制钢筋锚固段的体积是必要的，钢与混凝土的连续方程表达式如下：

式（7）和式（8）中可知，ρ1与ρ2代表的是控制体内钢筋和混凝土的密度，A1与A2代表的是控制体内钢筋和混凝土的横截面积，ρ´1与ρ´2代表准静态应变状态下材料的密度，A´1与A´2代表准静态应变状态下材料的面积，vc代表波震面传播速度，v代表质点运动的速度[7]。

波震前段不会被其他因素干扰，伸长率ε与正应变εx两者相等。通过love运动学条件得出公式：εx1=εx2=ε=εx=-v/vc。其中，εx1与εx2建筑钢筋和混凝土正应变，准静态应变区内，材料单向应变关系为：

上式中，σx1与σx2所描述的是钢筋和混凝土的单向应力，C1与C2所描述的是钢筋和混凝土的换算刚度系数。公式（9）和（10）结合后，平均应力：

其中，V1与V2所描述的是控制体内钢筋和混凝土的体积百分比[8]。

在控制容积内，切应力又能够作为内应力，不会对总动量平衡产生任何影响，基于此，能够得出动量平衡方程表示即：

当面对小应变时，取A´1/A1=A´2/A2=1，通过将公式（12）和公式（11）结合起来获得波震面速度，其表达式为：

在公式（13）中的分母作为平均密度，由混合规则得出结果相同。其中，将ɑ=A1/A2，当ɑ→0 时，混凝土中的固结波速vc趋于应力波速度。当ɑ→∞时，应力波在钢筋中的传播速度。因此，固结波的传播速度介于钢筋中的应力波和混凝土中的应力波之间，证明了脉冲激光的建筑混凝土结构无损检测技术的高效性。

3 仿真实验分析

本文设定已知材料厚度和雷达波在混凝土空气分层表面上的双向传播时间，其相对介电常数为9，传播速度为0.1 m/ns，通过上述参数可以得到TS-1 和TS-2 的厚度和每根钢筋的埋深，具体内容在表1 中展现。

表1 钢筋埋置深度表Table 1 Embedded depth of reinforcement

通过上表中计算结果表明，相对误差控制在5%左右，满足实际工程要求。验证了脉冲激光能准确识别混凝土结构层厚度和钢筋深度。本文所提无损检测技术具有高效性，具体内容如图3 所示。

图3 检测性能对比Fig.3 Comparison of detection performance

通过图3 可知，本文所提出的技术是检测混凝土结构内部状态的一种可行而有效的方法。与其他两种技术相比较，可以快速无损的对建筑混凝土结构进行无损检测，具有显著优越性。

4 结论

针对建筑结构安全性能较低的问题，本文提出一种基于脉冲激光的建筑混凝土结构无损检测技术，通过脉冲激光原理得到材料缺陷部分的参数；通过锚杆质量原理，建立变阻抗面，得出了波在变阻抗面上传播的反射系数和透射系数。然后，合理控制钢筋锚固截面的体积，降低钢筋的振动强度。通过运动学条件得到了建筑材料的正应变并运算出波面速度。根据固结波速的变化程度来确定混凝土结构的质量，最终完成无损检测。与其他方法相比，本文方法具有显著优越性和安全性。