冲击弹性波在交通工程检测中的应用(新)课件

冲击弹性波在交通工程检测中的应用朱纪刚冲击弹性波在交通工程检测中的应用朱纪刚无损检测技术概述1基于冲击弹性波的无损检测技术2冲击弹性波在交通工程中的应用3目录Contents无损检测技术概述1基于冲击弹性波的无损检测技术2冲击弹性波在一、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无损检测技术的发展历程——无损检测技术的发展阶段2无损检测3检测评价1无损探伤早在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：第一阶段：无损探伤阶段（NDInspection），探测试件是否存在缺陷；第二阶段：无损检测阶段（NDTest），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（NDEvaluate），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。无损检测技术的发展历程——无损检测技术的发展阶段2无损检测3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无损检测技术方法2声呐/超声波无损检测技术的发展历程声呐/超声波无损检测技术的发展历程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（声发射）、打声法振幅、频率、相位、时间、速度电磁波类电磁诱导、微波（探地雷达）振幅、频率、相位、时间、速度红外线、可见光（激光）、颜色、灰度、相干性等X、Y射线法射线的衰减其它类回弹法等回弹值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分类代表检无损检测的主要方法概述冲击弹性波法、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、超声法冲击弹性波法超声法采用机械式激振，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、测试结果稳定性好测试方法多样、频域/时域能量小，一般适用于小型构件VS无损检测的主要方法概述对缺陷敏感，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冲击弹性波法超声法采用机械式激振，振动传感器接收信号，频率通红外热像法X射线雷达法原理：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、检测费用高无损检测的主要方法概述红外热像法X射线雷达法原理：通过发射的电磁微波在对象物体的反

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无损检测的主要方二、基于冲击弹性波的无损检测技术主要检测项目行业规程颁布情况基本原理及方法二、基于冲击弹性波的无损检测技术主要检测项目行业规程颁布情况基于冲击弹性波无损检测技术的主要检测项目12345混凝土结构岩土材料预应力结构桩、柱、杆其它结构基于冲击弹性波无损检测技术的主要检测项目12345混凝土结构冲击弹性波的定义当结构发生应变时，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。ImpactElasticWave冲击弹性波的基本原理及方法

冲击弹性波的定义当结构发生应变时，质点在弹性力（弹性介质冲击弹性波的产生

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

冲击弹性波的产生激振频率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；三、冲击弹性波在交通工程中的应用桩柱杆检测预应力结构检测混凝土结构检测桥梁承载力检测岩土材料检测三、冲击弹性波在交通工程中的应用桩柱杆检测预应力结构检测混凝难点：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立柱埋深检测（1）测试方法和原理

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。难点：中空薄壁结构比表面积大，能量衰减快反射信号反射信号立与基桩低应变检测方法比较具有的主要特点立柱埋深检测（1）测试方法和原理

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与基桩低应变检测方法比较具有的主要特点立柱埋深检测（1）测试

发射信号及反射信号EDMA：基本原理立柱埋深检测（1）测试方法和原理发射信号及反射信号EDMA：基本原理立柱埋深检测（1）测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（1）测试方法和原理EDMA：关键技术残留振动抑制技术立柱埋深检测（1）测试方（2）现场验证及应用案例

立柱埋深检测

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（2）现场验证及应用案例立柱埋深检测在数十个工程进行（2）现场验证及应用案例（浙江沪昆高速）立柱埋深检测现场测试验证结果（2）现场验证及应用案例（浙江沪昆高速）立柱埋深检测现场测试（2）现场验证及应用案例立柱埋深检测测试误差数值分布图（2）现场验证及应用案例立柱埋深检测测试误差数值分布图完整性检测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基桩完整性检测现场波速标定基桩长度检测基桩完整性检测现场波速标定

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，

在役基桩完整性检测传感器起震时刻传感器起震时刻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测试原理锚杆长度=波速*反射时间/2激振信号杆底反射信号锚杆（索）检测（1）测试方法和原理锚杆测试原理锚杆长度=波速*反射时间/2激振信号杆底反射信号锚杆（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（1）测试方法和原理根据实践经验和理论分析，可测试例（空置岩锚杆）空置锚杆信号衰减小，测试容易（2）不同条件下的特征波形锚杆（索）检测测试例（空置岩锚杆）空置锚杆信号衰减小，测试容易（2）不同条测试例（现场岩锚杆）现场锚杆信号衰减大、噪声多、测试困难（2）不同条件下的特征波形锚杆（索）检测测试例（现场岩锚杆）现场锚杆信号衰减大、噪声多、测试困难（测试例（现场岩锚杆验证）（2）不同条件下的特征波形锚杆（索）检测专用耦合剂可大大衰减自由振动测试例（现场岩锚杆验证）（2）不同条件下的特征波形锚杆（索）（1）厚度检测混凝土结构检测（1）厚度检测混凝土结构检测（2）内部缺陷检测混凝土结构检测桥墩（2）内部缺陷检测混凝土结构检测桥墩（3）脱空检测混凝土结构检测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。钢管混凝土脱空（3）脱空检测混凝土结构检测宜昌市五峰新城的大桥的钢管混凝土（3）脱空检测混凝土结构检测高铁轨道板脱空、损伤沪宁高铁脱空检测（3）脱空检测混凝土结构检测高铁轨道板脱空、损伤沪宁高铁脱空（3）脱空检测混凝土结构检测高铁轨道板脱空、损伤（沪杭）轨道板四周离缝检测成像分析图轨道板中间是否起拱检测成像分析图（3）脱空检测混凝土结构检测高铁轨道板脱空、损伤（沪杭）轨道（4）裂缝检测混凝土结构检测（4）裂缝检测混凝土结构检测（1）测试背景与意义1985年12月，Ynys-Y-Gwas桥（英国南威尔市）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定性测试（全长衰减法FLEA）

密实度测试（全长衰减法FLEA）弹性波衰减（振幅）率～充填度的相关关系激振信号充填良好充填不良受信信号（2）测试方法和原理预应力孔道灌浆密实度检测定性测试（全长衰减法FLEA）密实度测试（全长定性测试（全长波速法FLPA）灌浆密实度1维钢棒P波波速：约为5.01km/s3维钢筋混凝土P波波速：约为4.2-4.4km/s实测钢绞线波速弹性波波速（2）测试方法和原理预应力孔道灌浆密实度检测定性测试（全长波速法FLPA）灌浆密实度1维钢棒P波波速：约充填度测试（等效波速法）概念图充填度测试场景（等效波速法）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。（2）测试方法和原理预应力孔道灌浆密实度检测充填度测试（等效波速法）概念图充填度测试场景（等效波速法）定灌浆不密实区域壁厚厚，钢筋密集。（2）测试方法和原理预应力孔道灌浆密实度检测灌浆不密实区域（2）测试方法和原理预应力孔道灌浆密实度检测泌水（灌浆不密实）定位测试（传递频率法PFTF）灌浆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；（2）测试方法和原理预应力孔道灌浆密实度检测泌水（灌浆不密实）定位测试（传递频率法PFTF）灌浆密实钢充填度测试（等效波速IEEV法）概念图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（2）测试方法和原理预应力孔道灌浆密实度检测充填度测试（等效波速IEEV法）概念图定位测试及缺陷类型识别模型梁验证预应力灌浆密实度检测

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。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（3）验证及应用案例

N1管0～-3m扫描等值线图模型梁验证预应力灌浆密实度检测利用等效波速法对浙江某公路模型梁验证预应力灌浆密实度检测

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。（3）验证及应用案例填充区域部分浆体进入形成不饱和松散状态破梁及破开后场景模型梁验证预应力灌浆密实度检测本次检测的对象为预应力T现场检测验证预应力灌浆密实度检测

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。（3）验证及应用案例梁底位置缺陷位置变截面位置IEEV扫描等值线图现场检测验证预应力灌浆密实度检测对某在建高速公路的预现场检测验证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）

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。现场检测验证预应力灌浆密实度检测（3）验证及应用案例（河南某（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（1）测试方法及原理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。锚下有效张力检测等效质量法等效质量法的基本概念（1）测试方法及原理埋入式锚索在锚头激振时，其诱发的振动体系（2）验证及应用案例锚下有效张力检测张力～响应关系的回归（2）验证及应用案例锚下有效张力检测张力～响应关系的回归（2）验证及应用案例锚下有效张力检测浙江龙泉（2）验证及应用案例锚下有效张力检测浙江龙泉（1）桥梁垮塌原因分析桥梁承载力检测超载

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（1）桥梁垮塌原因分析桥梁承载力检测超载（2）快速检测体系桥梁承载力检测受信传感器激振体系信号测试仪混凝土桥梁测试以结构/材料刚性的检测为基础

以单项检测为辅目前动、静载试验均以挠度/刚性为基础结构/材料刚性测试的理论基础

E的快速测试

I的评估（2）快速检测体系桥梁承载力检测受信传感器激振体系信号测试仪（2）快速检测体系桥梁承载力检测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及弹性模量的定义应力应变关系（2）快速检测体系桥梁承载力检测关键技术整体检测项目混凝土（2）快速检测体系桥梁承载力检测快速检测方法系统概念图（2）快速检测体系桥梁承载力检测快速检测方法系统概念图（3）验证与应用实例桥梁承载力检测桥梁承载力试验安徽高速（2013.07）

不同荷载条件下过火前后弹性模量的变化不同荷载条件下过火前后跨中挠度的变化整体测试结果表明：静载试验与弹性模量测试结果基本一致，后者更能反映结构材质的变化挠度的变化量大于整体弹性模量的变化（3）验证与应用实例桥梁承载力检测桥梁承载力试验安徽高速（（3）验证与应用实例桥梁承载力检测贵州望安高速（2015.07）

（3）验证与应用实例桥梁承载力检测贵州望安高速（2015.0（3）验证与应用实例桥梁承载力检测

测点位置卡车加载波速（KM/S）弹模（Gpa）a值应力，MPa应力水平中梁无4.28335.801.60922.670.453有4.24135.071.60924.290.486边梁无4.17633.981.60926.530.530有4.14233.401.60927.630.553杭州千岛湖（3）验证与应用实例桥梁承载力检测测点位置卡车加载波速（K无水跨孔弹性波检测填方工程变形特性检测岩土工程检测无水跨孔弹性波检测岩土工程检测无水跨孔弹性波检测岩土工程检测无水跨孔弹性波检测岩土工程检测填方工程变形特性检测岩土工程检测填方工程变形特性检测岩土工程检测填方工程变形特性检测岩土工程检测填方工程变形特性检测岩土工程检测填方工程变形特性检测岩土工程检测填方工程变形特性检测岩土工程检测四、自激励型桥梁健康监测系统基本原理应用案例特点四、自激励型桥梁健康监测系统基本原理应用案例特点（1）基本原理自激励型桥梁健康监测系统

在预应力桥梁的顶板、底板上设置传感器和自动激振设备、定期进行激振和测试。根据测试的信号，分析桥梁混凝土结构的弹性模量变化，进而推算桥梁的健康状态。（1）基本原理自激励型桥梁健康监测系统在预应力桥梁（2）应用案例自激励型桥梁健康监测系统

在杭州千岛湖某桥梁安装了该系统从2015年8月起，按每月1次的频率进行检测/监测（2）应用案例自激励型桥梁健康监测系统在杭州千岛湖某桥（3）特点自激励型桥梁健康监测系统

对损伤更为敏感、直接测试方便、成本低：测试距离从数米到上百米可变，无需专门施加荷载，测试方便、效率高，测试成本低，可不中断交通。精度高、客观性强：基于一系列的独创技术，对弹性模量的测试相对误差可以控制在1%以下，为评价体系的可靠性提供了坚实的基础。同时，可以对梁的全体进行测试，有效地防止局部检测带来的遗漏问题对桥梁无损伤：无需专门压载，对桥梁无损伤不仅可以测试抗弯性能，还可以测试抗剪性能便于长期检测：通过定点检测的方法，可以敏感地反映桥梁劣化的进行状况（3）特