徐長(zhǎng)志　朱續(xù)

【摘要】混凝土梁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)這幾年的發(fā)展大致有三個(gè)方向：一是沖擊回波法、超聲脈沖法、聲發(fā)射技術(shù)和表面波頻譜分析法等一些以應(yīng)力波為基礎(chǔ)的檢測(cè)手段：二是利用電磁波技術(shù)的探地雷達(dá)等：第三類是計(jì)算機(jī)斷層x射線掃描技術(shù)和紅外熱像法等采用射線進(jìn)行檢測(cè)的方法。實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)表明混凝土梁無(wú)損檢測(cè)的精度和效率因?yàn)檫@些新技術(shù)的使用得到了很大的提高，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外當(dāng)前混凝土梁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用做出一些推測(cè)和建議。

【關(guān)鍵詞】混凝土梁 無(wú)損檢測(cè) 應(yīng)力波 探地雷達(dá) 紅外熱像 透析成像

【中圖分類號(hào)】U446 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）04-0298-01

如今建筑行業(yè)內(nèi)，混凝土梁已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，所以擺在土木工程界面前的一個(gè)急待解決的問(wèn)題就是對(duì)混凝土梁的質(zhì)量檢測(cè)及性能評(píng)估。而無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在對(duì)混凝土梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)性質(zhì)與力學(xué)性能的評(píng)估以及測(cè)量和定位混凝土梁的內(nèi)部缺陷方面，方便快捷，具有很好的適用性，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)的保養(yǎng)、診斷和維修上已擁有無(wú)可替代的作用。

一、以應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)的混凝土梁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1、混凝土中的應(yīng)力波

混凝土梁的某一塊受到表面上的荷載作用時(shí)，起先只是表面上的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到直接荷載，因而該部分質(zhì)點(diǎn)脫離平衡位置，不過(guò)它們的移動(dòng)就和相鄰的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)之間有了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以這部分表面質(zhì)點(diǎn)會(huì)有相鄰介質(zhì)施加的作用力，而作用力反作用力的影響下，相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)也會(huì)因?yàn)閿D壓運(yùn)動(dòng)脫離平衡位置。

2、沖擊回波技術(shù)

混凝土梁鋼筋保護(hù)層的厚度、內(nèi)部缺陷的位置和開(kāi)放性表面裂縫深度等混凝土梁內(nèi)部的問(wèn)題能夠用沖擊回波技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，該方法是先用小鋼球撞擊混凝土梁，撞擊過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生P波和s波，撞擊產(chǎn)生的波以球形波陣形式傳播往混凝土的內(nèi)部，而在缺陷界面或密度變化的界面（內(nèi)置鋼筋表面等）及外部成界的地方會(huì)反射應(yīng)力波，反射波傳到表面就再次反射。撞擊產(chǎn)生的波中，P波能夠使表面質(zhì)點(diǎn)在垂直方向上產(chǎn)生相比s波更大的位移，所以，傳感器接收到的更多是P波信號(hào)，而這些傳感器接收到的時(shí)域信號(hào)由于快速Fourier變換（FFT）為頻域信號(hào)，即P波反射波信號(hào)的頻率譜，能夠得到混凝土梁的問(wèn)題缺陷。

3、表面波頻譜分析法

該檢測(cè)是基于應(yīng)力波層狀彈性介質(zhì)的傳播理論。表面波頻譜分析研究的是R波，它是以圓柱體形的波陣面進(jìn)行的深度為一個(gè)波長(zhǎng)的傳播，所以混凝土梁內(nèi)水平方向的缺陷和變化可以由同一波長(zhǎng)瑞利波的傳播特征來(lái)顯示。層狀彈性介質(zhì)中，波速cR由波的頻率決定，激振信號(hào)中有豐富的頻率成分，因此可以利用頻率域內(nèi)兩信號(hào)的相差來(lái)計(jì)算相應(yīng)頻率的R波傳播的時(shí)間差，進(jìn)一步計(jì)算兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間波的平均相速度，這是表面波頻譜分析法的基本原理。

4、聲發(fā)射技術(shù)

材料內(nèi)部分區(qū)域受外部環(huán)境應(yīng)力或溫度等的影響，產(chǎn)生的能量快速釋放同時(shí)生成瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象即為聲發(fā)射，而聲發(fā)射技術(shù)是指對(duì)聲發(fā)射信號(hào)用儀器記錄分析來(lái)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)。

5、超聲脈沖檢測(cè)方法

《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定超聲脈沖檢測(cè)方法是利用超聲波傳感器測(cè)量超聲波的聲速進(jìn)而分析判斷混凝土缺陷的技術(shù)。在這一技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)很早就有了探索研究，上世紀(jì)六十年代初期，中國(guó)科學(xué)院水電研究所就嘗試用超聲脈沖波檢測(cè)混凝土表面裂縫，1982年至1983年，水電部和建設(shè)部都進(jìn)行了超聲脈沖檢測(cè)混凝土缺陷科研成果的鑒定，如今這項(xiàng)技術(shù)更是在我國(guó)進(jìn)入實(shí)用階段，并被廣泛應(yīng)用。

二、利用電磁波對(duì)混凝土梁的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

探地雷達(dá)是采用微波頻段的電磁波當(dāng)做探測(cè)媒介的無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，使用的微波頻段為90～1000 MHz，電磁波的傳播時(shí)間、反射系數(shù)和折射率等數(shù)據(jù)可以測(cè)量得到，然后通過(guò)對(duì)這些信息的分析計(jì)算，能夠推出測(cè)量物的性質(zhì)和形狀等。非金屬材料的含水量差別會(huì)被電磁微波分辨出，因而混凝土梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠被探地雷達(dá)檢測(cè)得到比較準(zhǔn)確的像，比如鋼筋的分布就能夠清晰顯現(xiàn)，然后可以分析混凝土梁內(nèi)部的缺陷問(wèn)題，檢測(cè)混凝土梁的質(zhì)量并評(píng)估其性能。近些年來(lái)，探地雷達(dá)已經(jīng)逐漸興起，在國(guó)外探地雷達(dá)的后期技術(shù)支持因?yàn)樗膹V泛應(yīng)用也比較成熟，我國(guó)上世紀(jì)八十年代就引入了相關(guān)設(shè)備用來(lái)尋找水源和地下礦床等資源，而探地雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)逐漸展現(xiàn)，也得到了巖土工程界及檢測(cè)部門的關(guān)注。

在實(shí)際應(yīng)用中，混凝土梁的探地雷達(dá)檢測(cè)內(nèi)容包含了梁體翼板鋼筋和梁體腹板鋼筋骨架的分布及其保護(hù)層厚度，預(yù)應(yīng)力鋼束的分布和位置，預(yù)應(yīng)力管道灌漿密實(shí)度。而探地雷達(dá)的質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：①刷白被測(cè)面，布置橫縱兩個(gè)方向的測(cè)線，探測(cè)天線的頻率和測(cè)試參數(shù)的選擇要結(jié)合實(shí)際混凝土材料的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；②將探頭沿測(cè)線掃描并存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，這一步要由專業(yè)測(cè)試人員進(jìn)行；③對(duì)收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，處理診斷，以判定突出異常的相關(guān)參數(shù)；④聯(lián)系梁的實(shí)際情況和圖像處理結(jié)果來(lái)評(píng)估混凝土梁的質(zhì)量和性能。探地雷達(dá)重量輕操作簡(jiǎn)便測(cè)試準(zhǔn)確，利用探地雷達(dá)對(duì)混凝土梁做無(wú)損檢測(cè)是新的研究方向，也是提高混凝土梁無(wú)損檢測(cè)的精確度和準(zhǔn)確性重要措施。

三、利用射線的混凝土梁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1、紅外熱像檢測(cè)技術(shù)。根據(jù)物體的紅外輻射、表面溫度和材料特性三個(gè)方面的內(nèi)在聯(lián)系，可以憑借紅外熱像儀把所測(cè)物體的紅外輻射轉(zhuǎn)換為熱圖像，能夠直接觀測(cè)，然后分析熱圖像的特征，通過(guò)物體表面的溫度分布可以判斷出混凝土梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)。

2、計(jì)算機(jī)斷層x射線掃描技術(shù)。即透析成像技術(shù)，這是一張從數(shù)據(jù)到圖像的重建技術(shù)，通過(guò)得到的所測(cè)物斷面的投影數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)處理，能夠獲取所測(cè)物斷面的圖像。

信號(hào)源和探測(cè)器是x射線CT掃描儀最重要的兩個(gè)組件，它的工作流程是先由x射線穿透所測(cè)物斷面，旋轉(zhuǎn)掃描，采集x射線在經(jīng)過(guò)某層面的不同物質(zhì)后x射線衰減的信息，然后用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，得出與CT探測(cè)空間內(nèi)任意點(diǎn)x射線吸收系數(shù)L直接相關(guān)聯(lián)的CT數(shù)H，進(jìn)而得到所測(cè)物的斷層數(shù)字圖像，最后在分析判斷。

工業(yè)CT中最基礎(chǔ)的圖像重建技術(shù)就是計(jì)算機(jī)斷層x射線掃描技術(shù)，因?yàn)閤射線經(jīng)過(guò)所測(cè)物體后會(huì)衰減，所以要得到足夠的x射線經(jīng)某層面不同物質(zhì)的衰減信息，有時(shí)候不得不增加x射線的發(fā)射劑量，所以這種檢測(cè)的操作安全需要關(guān)注。利用超聲波信息來(lái)分析物體內(nèi)部構(gòu)造的超聲波CT技術(shù)相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)、方便和安全，而聲波在混凝土梁中傳播時(shí)容易發(fā)生折射、反射和散射等，進(jìn)行圖像重建是非幾何光學(xué)圖像重建，這其中還有很多急待研究解決的技術(shù)難題。

四、展望

1、高速檢測(cè)技術(shù)。對(duì)現(xiàn)在的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)榇郎y(cè)面積大、數(shù)據(jù)多，使得逐點(diǎn)檢測(cè)已經(jīng)不能適應(yīng)檢測(cè)的需要，需要提高檢測(cè)速度。近來(lái)發(fā)展了一種特殊的混凝土梁超聲脈沖掃描裝置，UPV結(jié)構(gòu)掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了可以在測(cè)試面上移動(dòng)的特殊超聲脈沖信號(hào)發(fā)送和接收設(shè)備，極大的提高了掃描檢測(cè)的速度。

2、信號(hào)分析處理。信號(hào)分析包含密切關(guān)聯(lián)的信號(hào)處理技術(shù)和信號(hào)分析結(jié)果的正確解釋兩者。英國(guó)Edinburgh大學(xué)利用有限元數(shù)值分析結(jié)果得出了沖擊回波法的缺陷分辨率是K/2，K在回波中占有主要成分。不過(guò)，混凝土作為一種衰減材料，其介質(zhì)容易照成模式轉(zhuǎn)換等問(wèn)題，使得其難以分辨回波，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成誤判等問(wèn)題。與此同時(shí)，形變特征和材料性能等也會(huì)對(duì)聲判特征影響，而且這些因素之間又有牽連，給信號(hào)分析處理技術(shù)帶來(lái)了很多困難。