1、冲击弹性波在交通工程检测中的应用 朱纪刚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一、无损检测技术概述无损检测技术的发展历程无损检测技术的发展历程 无损检测的主要方法概述无损检测的主要方法概述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（第一阶段：无损探伤阶段（ND IND Inspectionnspection），），探测试件是否存在缺陷；探测试件是否存在缺陷；第二阶段：无损检测阶段（第二阶段：无
2、损检测阶段（ND TND Testest），探测试），探测试件是否存在缺陷及其结构、性质、位置等；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（第三阶段：无损评价阶段（ND END Evaluatevaluate），不），不仅要掌握缺陷的有无、属性、位置、大小等信息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，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
3、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 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）核心在于物体粒子本身在运动（振动）冲击弹性波检测仪冲击弹性
4、波检测仪 超声检测仪超声检测仪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KHz50KHz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
5、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 以上各种方法均具各自的优点以上各种方法均具各自的优点同时也存在局限性同时也存在局限性 检测人员的主观意识、现场操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作环境差异等均会对检测结果带来影响。来影响。在检测时可选用多种方法以相在检测时可选用多种方法以相互印证互印证 必要时还可采用取芯等微破坏必要时还可采
6、用取芯等微破坏的方式加以验证的方式加以验证无损检测的主要方法概述二、基于冲击弹性波的无损检测技术主要检测项目主要检测项目行业规程颁布情况行业规程颁布情况基本原理及方法基本原理及方法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 冲击弹性波的定义波頭粒子当结构发生应变时，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。行往复运动，从而形成波。Impact Elastic Wave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激振频率激振锤越小激振锤越小、产生的频率越高；产
7、生的频率越高；测试对象越硬测试对象越硬、产生的频率也越高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三、冲击弹性波在交通工程中的应用桩柱杆检测桩柱杆检测预应力结构检测预应力结构检测混凝土结构检测混凝土结构检测桥梁承载力检测桥梁承载力检测岩土材料检测岩土材料检测难点：中空薄壁结构难点：中空薄壁结构 比表面积大，能量衰减快比表面积大，能量衰减快 内部空腔，易产生共鸣内部空腔，易产生共鸣 残留激振信号的影响
8、残留激振信号的影响反射信号反射信号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。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）测试方法和原理立柱长度检测概念图 发射信号及反射信号立柱埋深检测（1）测试方法和原理 残留振动抑制技术残留振动抑制技术 反射信号增强及识别技术反射信号增强及识别技术 高精度频谱分析技术高精度频谱分析技术 智能化判别技术智能化判别技术立柱埋深检测（1）测试方法和原理（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：在数十个工程进行了试
9、验验证：约约85%85%的检测误差在的检测误差在4%4%之内之内 约约94%94%的检测误差在的检测误差在8cm8cm之内之内（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现场测试验证结果（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测试误差数值分布图 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 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：l传感器安装在桩身的侧壁；l解析信号为多频道信号；l 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传感器起震时刻传感器起震时刻锚杆长度锚杆长度=波速波速*反射时间反射时间
10、/2/2激振信号激振信号杆底反射信号杆底反射信号锚杆（索）检测（1）测试方法和原理锚杆（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：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其适用的锚杆长度也有范
11、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空置锚杆信号衰减小，测试容易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）检测现场锚杆信号衰减大、噪声现场锚杆信号衰减大、噪声多、测试困难多、测试困难（2）不同条件下的特征波形锚杆（索）检测（2）不同条件下的特征波形锚杆（索）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宜昌市五峰新城的大桥的钢管混凝土脱空检测和验证。管混凝土脱空检测和验证。桥梁为独拱肋钢管混凝土拱桥梁为独拱肋钢管混凝土拱梁组合桥，桥长梁组合桥，桥长97.2m97.2m，宽，宽2
12、4m24m。主拱肋高。主拱肋高140cm140cm，宽，宽310cm310cm，左右钢管外径均为，左右钢管外径均为140cm140cm，壁厚为，壁厚为25mm25mm。钢管混凝土脱空混凝土结构检测高铁轨道板脱空、损伤沪宁高铁脱空检测沪宁高铁脱空检测（3）脱空检测混凝土结构检测高铁轨道板脱空、损伤（沪杭）轨道板四周离缝轨道板四周离缝检测成像分析图检测成像分析图轨道板中间是否轨道板中间是否起拱检测成像分起拱检测成像分析图析图（4）裂缝检测混凝土结构检测（1）测试背景与意义19851985年年1212月，月，Ynys-Y-GwasYnys-Y-Gwas桥（英国南威尔市）桥（英国南威尔市）199219
13、92年，年，BissellBissell大桥（美国）大桥（美国）我国某高速公路三座预应力梁桥，纵向预应力孔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道中无压浆的截面占调查总数的14.5%14.5%，横向预，横向预应力无压浆截面则占到应力无压浆截面则占到47.6%47.6%我国某特大桥梁（跨度为我国某特大桥梁（跨度为330m330m）的开孔检验中，）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 密实度测试（全长衰减法
14、密实度测试（全长衰减法FLEAFLEA）弹性波衰减（振幅）率充填度的相关关系弹性波衰减（振幅）率充填度的相关关系激振信号激振信号充填良好充填良好充填不良充填不良受信信号受信信号（2）测试方法和原理预应力孔道灌浆密实度检测灌浆密实度灌浆密实度1 1维钢棒维钢棒P P波波速：约为波波速：约为5.01km/s5.01km/s3 3维钢筋混凝土维钢筋混凝土P P波波速：约为波波速：约为4.2-4.4km/s4.2-4.4km/s实测钢绞线波速实测钢绞线波速弹性波波速弹性波波速（2）测试方法和原理预应力孔道灌浆密实度检测充填度测试（等效波速法）概念图充填度测试（等效波速法）概念图充填度测试场景（等效波速
15、法）充填度测试场景（等效波速法）对锚索两端，因位置较高，容易对锚索两端，因位置较高，容易产生泌水，从而产生空洞；产生泌水，从而产生空洞；但梁两端一般壁厚较厚，但梁两端一般壁厚较厚，IEEVIEEV法法测试分辨率显著降低。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 灌浆不密实区域灌浆不密实区域 壁厚厚，钢筋密集。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泌水（灌浆不密实）泌水（灌浆不密实）灌浆密实灌浆密实 钢绞线周围缺乏约束，产生钢绞线周围缺乏约束，产生自由振动；自由振动；受信信号初动部分频率较高受信信号初动部分频率较高 钢绞线周围有灌浆材料约束钢绞线周
16、围有灌浆材料约束，不易自由振动；，不易自由振动；受信信号初动部分频率较低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，可推测锚头附分的传递函数，可推测锚头附近的灌浆密实度；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充填度测试（等效充填度测试（等效波速IEEVIEEV法）概念图法）概念图当出现灌浆不密实时：当出现灌浆不密实时：测试弹性波波速会出现下降测试弹性波波速会出现下降 在缺陷处会产生反射在缺陷处会产生反射DHAADHDHAA11A21b1b2（2）测试方法和原理预应力孔道灌浆密实度检测预应力灌浆密实度检测 利用等效波速法对浙江某
17、公路利用等效波速法对浙江某公路大桥项目预应力大桥项目预应力T T梁模型进行检测时梁模型进行检测时,根据测试结果等值线图发现根据测试结果等值线图发现N1N1孔孔道道0 03m3m范围内存在压浆缺陷，并对范围内存在压浆缺陷，并对模型梁进行了破损验证。模型梁进行了破损验证。灌浆密实时，信号灌浆密实时，信号经过管道在底部的经过管道在底部的反射时间反射时间灌浆不密实时，信号灌浆不密实时，信号经管道壁绕射在底部经管道壁绕射在底部的反射时间的反射时间（3）验证及应用案例 N1管0-3m扫描等值线图预应力灌浆密实度检测 本次检测的对象为预应力本次检测的对象为预应力T T梁梁模型，该模型的设计尺寸为模型，该模型
18、的设计尺寸为10.0m10.0m1.6m1.6m(0.2(0.20.5)m0.5)m。设计。设计混凝土强度为混凝土强度为C50C50。在浇筑时，其中。在浇筑时，其中有部分孔道设置了缺陷，缺陷部位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。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填充区域部分浆体进入形成不饱和松散状态形成不饱和松散状态破梁及破开后场景预应力灌浆密实度检测 对某在建高速公路的预制小箱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梁结构进行了灌浆密实度的检测和验证。测试结果，在
19、离验证。测试结果，在离CH0CH0发射端发射端2.1m2.1m2.7m2.7m位置发现缺陷。位置发现缺陷。（3）验证及应用案例梁底位置梁底位置缺陷位置缺陷位置变截面位置变截面位置IEEV扫描等值线图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。量积水，表明确实存在压浆不密实情况。（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。南、地方规程等
20、形式将灌浆密实度检测列入必检项目。山西省已颁布山西省已颁布交通部已列入计划计划交通部已列入计划计划预应力灌浆密实度检测（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。就越大。锚下有效张力检测等效质量法的基本概念等效质量法的基本概念（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浙江龙泉（1）桥梁垮塌原因分析桥梁承载力检
21、测 超载超载 设计制造质量低劣设计制造质量低劣 洪水冲击及桥墩冲刷洪水冲击及桥墩冲刷 旧桥承载力不足旧桥承载力不足 荷载偏心荷载偏心（2）快速检测体系桥梁承载力检测受信传感器受信传感器激振体系激振体系信号测试仪信号测试仪混凝土桥梁测试混凝土桥梁测试 以结构以结构/材料刚性的检测为基础材料刚性的检测为基础 以单项检测为辅以单项检测为辅 目前动、静载试验均以挠度目前动、静载试验均以挠度/刚性为基础刚性为基础结构/材料刚性测试的理论基础43845qLEI E E的快速测试的快速测试 I I的评估的评估（2）快速检测体系桥梁承载力检测关键技术 整体检测项目整体检测项目 混凝土弹性模量、强度、疲劳混凝土
22、弹性模量、强度、疲劳 裂缝的有无裂缝的有无 局部检测项目局部检测项目 锚下有效预应力锚下有效预应力 灌浆密实度灌浆密实度 厚度厚度 裂缝深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应力应变关系（2）快速检测体系桥梁承载力检测受信传感器受信传感器激振体系激振体系信号测试仪信号测试仪混凝土桥梁测试混凝土桥梁测试快速检测方法系统概念图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（安徽高速（2013.072013.07）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不同荷载条件下过火前后跨中挠度
23、的变化（3）验证与应用实例桥梁承载力检测 贵州望安高速贵州望安高速（2015.072015.07）（3）验证与应用实例桥梁承载力检测 测点位置测点位置 卡车加载卡车加载波速波速（KM/S）弹弹模模（Gpa）a a值值应力，应力，MPa应力水平应力水平中梁无4.28335.801.60922.670.453有4.24135.071.60924.290.486边梁无4.17633.981.60926.530.530有4.14233.401.60927.630.5531.1.无水跨孔弹性波检测无水跨孔弹性波检测2.2.填方工程变形特性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无水跨孔弹性
24、波检测岩土工程检测填方工程变形特性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填方工程变形特性检测岩土工程检测01020300246810121416転圧回数N(回）落球探査変形係数E(MPa）+-寺島工事A地点01020300246810121416転圧回数N(回）落球探査変形係数E(MPa）+-引佐工事A,B地点平均四、自激励型桥梁健康监测系统基本原理基本原理应用案例应用案例特点特点（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
25、的弹性模量变化，进而推算桥梁的健康状态。接收传感器接收传感器顶板顶板触发传感器触发传感器激振块激振块（2）应用案例自激励型桥梁健康监测系统 323334353637382015/7/252015/8/42015/8/142015/8/242015/9/32015/9/132015/9/232015/10/32015/10/13弹性模量（GPa）自重轻载重载 在杭州千岛湖某桥梁安装了该系统在杭州千岛湖某桥梁安装了该系统 从从20152015年年8 8月起，按每月月起，按每月1 1次的频率进行检测次的频率进行检测/监测监测323334353637382015/7/252015/8/42015/8/
26、142015/8/242015/9/32015/9/132015/9/232015/10/32015/10/13弹性模量（GPa）自重轻载重载（3）特点自激励型桥梁健康监测系统 对损伤更为敏感、直接对损伤更为敏感、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、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。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差可以控制在1%1%以下，为
27、评价体系的可靠性提供了坚实的基础。同时，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状况五、可视化及数据库技术CTCT（计算机断层扫描）（计算机断层扫描）数据库技术数据库技术EWREWR弹性
28、波雷达弹性波雷达CT 内部缺陷：层析扫描（CT）法CT 测线布置示意图测线布置示意图大坝坝面浸润区扫描（层析扫描（大坝坝面浸润区扫描（层析扫描（CTCT）法）法-导纳）导纳）EWR 利用打击锤在结构物表面产生的激励信号在结构物中传播时，遇到缺陷或软弱区时，采集并分析一次反射信号和多次的反射频谱并描画出彩色等值线。断面波形表示断面浓淡及彩色表示EWR 机场跑道边缘机场跑道边缘沥青混凝土，沥青混凝土，碾压不密实碾压不密实高速铁路无砟高速铁路无砟道床缓冲层充道床缓冲层充填空隙填空隙 EWR/QPG/3GS 测试结果图（快速成像QPG）3维图形切片技术（3GS）EWR/QPG/3GS 数据库技术 各类检测设备GPS、数据通信模块数据库管理软件 谷歌地球存储装置 将现场的地理位置信息、测试数据、工程信息等自动传输至管理数据库中。数据库实时更新，简便、快捷，性能可靠。数据库机能 记录不同时期、地点的检测信息（包括位置信息、工程信息、测试数据、设计资料等），方便储存、检索，提高管理信息化水平。远程无线传输数据库技术 资料下载：升拓检测官网/下载中心/技术方案谢谢大家!主讲人：朱纪刚四川升拓检测技术股份有限公司
