土木工程中的无损检测技术及其应用.pdf
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1、综 述 土木工程中的无损检测技术及其应用 沈建中李宗津 张之勇 (中国科学院声学研究所,北京 100080) (香港科技大学土木工程系,香港 ) 摘 要 土木工程中无损检测(简称NDT2CE)有着广泛的应用和广阔的前景。NDT2CE不仅 用来对新建的建筑物进行质量监测,而且可对已有的建筑物结构的寿命进行评估、 保养和修理。从 应用的角度对NDT2CE中常用的振动分析、 冲击回波法、 超声脉冲回波法、 声发射、 雷达、 激光干涉 以及红外线成象等技术的原理、 应用、 局限性和发展前景作了简要介绍。 主题词 钢筋混凝土 信息处理 超声检验 声发射检验 红外线检验 电磁检验 NONDESTRUCTI
2、VE TESTING TECHNIQUES AND THEIR APPL ICATI ONS IN CIVI L ENGINEERING Shen JianzhongL i Zongjin Zhang Zhiyong (Institute of A coustics, A cadem ia Sinica) (Hong Kong U niversity of Science and Technology) Abstract Nondestructive testing isw idely applied in civil engineering(NDT2CE ). NDT 2CE is sign
3、ificant not only for the assessment of new constructions and structures, but also for the life esti mation, maintenance and alteration of the existing ones. M ain NDT2CE techniques such as the building dynam ics, i mpact echo, ultrasonic echo, acoustic em ission, radar, laser interference technique
4、and infrared i maging are briefly discussed on their principle, application area, li m itations and further research needed from the application point of view. Keywords A rmoured concrete Signal processing U ltrasonic testing A coustic em ission testing Infrared testing Electromagnetic testing 1 简介
5、建筑物(房屋和桥梁等)的质量,无论是对人民 的生命财产,还是对国民经济来说,都是十分重要 的。对建筑物的所有要求中,安全性是第一位的。近 年来,灾难性的桥梁断裂、 房屋倒塌的报道时有所 闻,无损检测是防止这类恶性事件发生的重要手段。 另一方面,对旧建筑物的维修和保养很艰难,并要耗 费大量资金。无损检测技术的应用可使维修保养大 大地减少盲目性,从而可大大节约这项开支。 土木工 程无损检测技术有助于评估新旧建筑物的稳定性和 整体性,能够对新旧建筑物整体或部分作质量状态 监视,能够用来估计建筑材料和结构的性质及性能, 并能对其内部含水量、 缺陷和损伤进行测量和定位, 还能够用来确定建筑材料和结构内部
6、的预应力元件 的位置,以避免在打洞时发生意外的损伤。总之,土 木工程无损检测技术能够以成本低、 费时少的方式, 起到监督、 诊断和测量的作用,对评价和保证建筑物 的安全性、 保护和保养珍贵的古建筑起到重要作用。 目前,在土木工程中,无损检测技术的应用还不 像在其它工业部门那样普遍,产生这种现象的原因 是多方面的,其主要原因是检测环境条件太复杂。 现 代建筑物的主要材料钢筋混凝土是非均匀的、 多孔 的、 多变的各向异性复合材料,它不仅有着复杂的结 构,而且其性质的分散性极大。通常,钢筋混凝土的 性质随骨料和水泥的性质、 水分含量、 生产的季节、 甚至原材料的产地和批号等因素,都可能发生很大 的变
7、化;另一方面,建筑物和桥梁通常都有复杂的结 构,而且体积庞大。 这些因素使一些在机械行业中十 分有效的无损检测方法和技术,在土木工程中却常 常无能为力,往往需要在技术和工艺上要做较大的 改进才能在土木工程中应用。 然而,获得了巨大发展的数字电子技术和计算 机技术为NDT2CE的发展开辟了道路。 这些技术的 应用使NDT2CE技术(例如振动分析技术、 超声脉 冲回波技术、 冲击回波技术、 声发射技术、 雷达技术、 794 第22卷第11期 2000年11月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 11 Nov. 2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Opti
8、cal Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 激光干涉技术以及红外线成象技术等)无论在数据 的采集、 分析和解释方面,还是在模拟计算方面,都 取得了极大的进步。 NDT2CE技术非常多,本文只能对几种现在最 常用的技术做一个简要的介绍,讨论它们的原理、 方 法、 应用和局限性以及发展前景。 2 常用NDT-CE技术及其分类 各种无损检测技术在四个方面都会有不同的特 点,它们分别是该项技术的工作原理、 实现该原理的 方法和工艺、 执行该方法的硬件设备以及获取结论 的信号处理方法。这四个方面都可以用来作为对 NDT技术的
9、分类标准。 从工作原理来说,NDT2CE技术大致有三类, 即直接测量、 负荷响应和应用探测媒介技术。 2. 1 直接测量技术 直接测量某个物理量是最简单的NDT2CE技 术。它应用于当待测的性质是一个可以直接测量的 物理量或者是可以从某些直接测量的量推断出来的 情形。 例如,测量混凝土的含水量,可以用 “称含水混 凝土的重量、 烘干、 称烘干混凝土的重量” 的 “称重 烘干称重” 的称量法。显然,它适用于实验室分析 而较难在现场应用。然而,在实际中,以产生轻微损 伤为代价,它也能用于测量建筑物的含水量。比如, 可从墙上取下样品来分析墙体的含水量,是一种行 之有效的含水量测量方法。 直接测量的另
10、一个例子是电化学检测技术。常 用的有半电池势测量技术,交流阻抗技术等。 在混凝 土试样上适当地安置电极,测量通过的电流,运用适 当的公式,可以计算出腐蚀电流的数值,从而推断出 钢筋混凝土中钢筋的腐蚀速率1。由于影响测量的 因素很多而且较难控制,这种测量的精度较低。 2. 2 负荷响应技术 这类技术是检测物体在载荷作用下的响应。当 然,一般来说,载荷不能太大以至破坏被测建筑物或 样品。振动分析技术是负荷响应技术的重要例子。 建筑物的本征振动频率是由建筑物的材料、 结 构和刚度所决定的。 在风力或其它扰动力的作用下, 建筑物(大楼、 桥梁等)不断地在振动。 这种扰动力是 无规则的,因此是广谱的,它
11、能够激发出建筑物几乎 所有的本征振动频率。 测量建筑物的振动,从测量值 分析出本征振动频率。采用将频率测量值与建筑物 本征频率的设计值或计算值相比较,或者将这些本 征频率在不同时期的监测值自相比较的两种推断方 法,就可推断出建筑物的主要线度和刚度、 完整性、 稳定性和是否存在大的宏观缺陷等。 本征频率监测技术往往是综合技术。下面要讲 到的激光干涉技术是遥测本征振动的常用技术之 一。由于建筑物体积庞大,结构复杂,它的本征频率 往往很低,通常在几赫兹的数量级,而且其频谱十分 复杂。 这造成两方面的后果,即测量容易受到环境振 动的干扰,并且本征频率的提取和比较是十分困难 的。 因此,有效地对测得的频
12、率进行分析则必须依赖 于计算机和数字信号处理技术。 另一方面,理论计算 建筑物的本征频率常常应用有限元分析方法,也必 须依赖于计算机。 振动分析技术简单而且高效,它是分析、 监测大 型建筑物完整性的重要技术。由于它必须依赖于计 算机,所以也必然随着计算机技术的发展而获得更 大的重视和发展。 2. 3 应用探测媒介技术 大多数NDT2CE应用探测媒介,探测媒介主要 有波和场两种形式。应用最广的探测媒介主要有机 械波(声波和超声波)、 电磁波(超高频、L段微波、S 段微波等)、 红外线、 可见光、X射线、 射线、 电场及 磁场等2。 应用探测媒介技术又可分为主动检测技术和被 动检测技术两类。 对于
13、主动检测技术情形,探测媒介 由检测设备产生和发送;对被动检测技术情形,探测 媒介来自被检测对象自身。大多数应用探测媒介的 技术都是主动检测技术,而声发射技术是被动检测 的重要代表。 3 几种应用探测媒介的NDT-CE技术 3. 1 利用机械波的技术(NDT-CE-MW T) 应用机械波作为探测媒介的主要有冲击回波技 术、 超声脉冲回波技术和声发射技术。 NDT2CE2MW T有显著的优点,因为机械波的 行为直接与媒质的几何和力学性质相联系,这个优 点特别有利于用来确定物体或材料的几何和力学特 性。这些技术有较大的应用范围、 较好的检测精度、 较大的检测深度、 较低的仪器成本和操作成本、 较易
14、操作、 较快的检测速度和能适用于现场使用。此外, 机械波对人体无危害,无论对操作人员还是对工作 现场附近的人员都是安全的。 NDT2CE2MW T依据的基本理论是弹性波的 产生、 传播、 散射和接收规律。由于弹性波在建筑材 料中遵从极其复杂的规律,给NDT2CE2MW T的应 用带来许多困难和不利因素,限制了它们的应用。 894 沈建中等:土木工程中的无损检测技术及其应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 3. 1. 1 冲击回波技术(NDT
15、2CE2IE) NDT2CE2IE在土木工程中得到了广泛的应用。 该方法测量建筑结构对冲击负载的响应。用锤子敲 击或用下落的钢球冲击样品,使之发声,声音被安装 在附近的声传感器接收,样品中的缺陷或异常会使 声音的频率改变。分析回波的频谱常用数字信号处 理(DSP)FFT技术。检测和定位混凝土表面下的裂 缝、 分层和空穴,冲击回波技术是很有效的。 由于利用空气作为声的耦合介质,该方法对表 面的粗糙度和平整性要求不高。但NDT2CE2IE的 检测灵敏度和分辨力都较低,检测速度也较慢。 使用 一种特殊的专用装置可使检测速度加快到每小时 3 000个测量点3。 3. 1. 2 超声脉冲回波技术(NDT
16、2CE2U T) 在NDT2CE2U T中,超声波通常用PZT压电 换能器产生和接收,所使用的频率远较在检测金属 时低,所使用的超声波型有纵波、 横波、 板波和表面 波等多种波型。 依据基本的声学规律,脉冲回波的声 学量,如超声声速、 传播时间、 超声衰减和频谱等与 物体的几何、 力学量相联系。 超声声速由材料的刚度 和密度所决定,而传播时间与传播距离及声速有关, 超声的衰减以及频谱的变化与介质的成分和内部所 含颗粒的大小密切相关。 因此,超声脉冲回波技术有 着广泛的应用,能用于探测和定位混凝土中的缺陷、 孔穴、 钢筋等,测量厚度,评估桥梁、 大坝、 墙壁状态 的完整性和可靠性,以及监测混凝土
17、固化过程中强 度的变化等。 然而,土木工程超声检测遇到了许多具有挑战 性的问题,如混凝土对超声的强吸收问题、 骨料对超 声的散射问题、 超声的耦合问题、 强噪声下弱信号的 提取问题和各向异性问题等。许多问题还有待于解 决,影响了超声技术的应用。 增大超声功率是解决上述问题的途径之一。最 近,有人发明了大功率的超声换能器,它发射的 40kHz的超声束能通过空气耦合穿透砖块。采用先 进的信号处理和显示方法是解决上述问题的另一重 要途径。 3. 1. 3 声发射技术(NDT2CE2A E) 声发射是物体在外界载荷作用下以应力波的方 式迅速释放其内部弹性能量的物理现象。声发射应 力波的声源是物体内部的
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- 土木工程 中的 无损 检测 技术 及其 应用
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