侯高峰

(1.安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院,安徽 合肥 230088；2.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站,安徽 合肥 230088)

沖擊回波法檢測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

侯高峰1,2

(1.安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院,安徽 合肥 230088；2.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站,安徽 合肥 230088)

文章闡述了沖擊回波法檢測技術(shù)的檢測原理，發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，其應(yīng)用前景廣闊，該技術(shù)會越來越廣泛地應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。

沖擊回波法；檢測技術(shù)；無損檢測

0 引 言

沖擊回波法技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于橋梁、水利、建筑、公路、隧道等工程領(lǐng)域的無損檢測中，并取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

沖擊回波法[1]原理本質(zhì)上是在構(gòu)件表面利用瞬時機(jī)械沖擊產(chǎn)生低頻的應(yīng)力波，應(yīng)力波傳播到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，遇到波阻抗有差異的界面(如構(gòu)件底面或缺陷表面)時被反射回來，并在構(gòu)件底部、內(nèi)部缺陷表面和構(gòu)件表面之間來回反射產(chǎn)生縱波共振，通過測試沖擊彈性波引起的振動主頻率比來確定構(gòu)件厚度及其內(nèi)部缺陷位置的方法。

1 沖擊回波法檢測方法的提出

1983年，美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)局對混凝土的無損檢測開始應(yīng)用于檢測混凝土內(nèi)部缺陷。由于應(yīng)力波在固體中的傳播直接受固體力學(xué)特性的影響，基于這個原理，NBS決定開發(fā)一種基于應(yīng)力波的檢測方法，并被命名為沖擊回波法。

最初的研究為這種技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)并證實(shí)了其可用來檢測板狀結(jié)構(gòu)物的缺陷。研究中采用了有限元法建數(shù)學(xué)模型與缺陷控制研究相結(jié)合的最優(yōu)研究方法。

到1987～1988年，研究工作開始集中在Cornell大學(xué)，由在美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)局中參加了早期研究工作的Marry Sansalone 教授指導(dǎo)，拓展了沖擊回波法的應(yīng)用，同時開發(fā)了第一代現(xiàn)場檢測儀器。1997年Sansalone 和Streett共同出版了一本指導(dǎo)書，用于指導(dǎo)在不同情況下運(yùn)用沖擊回波法進(jìn)行檢測時的數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場檢測[2]。在20世紀(jì)90年代晚期，NIST(The National Institute of Standards and Technology)和Cornell合作制定了一個應(yīng)用沖擊回波法的基本實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)局在早期進(jìn)行了沖擊回波法檢測后張法預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)部缺陷的研究工作。1992～1993年，Cornell大學(xué)的Nicholas J. Carino 和Mary Sansalone第一次在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了沖擊回波法檢測預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)缺陷的缺陷控制實(shí)驗(yàn)。初步分析了沖擊回波檢測管道內(nèi)缺陷的可行性、普通鋼筋的影響、塑料管道和鐵制管道的異同等，但是缺乏應(yīng)力波與薄壁管道內(nèi)缺陷相互影響的完善理解，同時檢測的時間也有待縮短，對以后的試驗(yàn)提出考慮臨近管道的影響、層疊管道的影響等。

1996年，Cornell大學(xué)的Barbara J. Jaeger，Mary J. Sansalone，and Randall W. Poston在研究中發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力波在不同的界面(混凝土/空氣界面、混凝土/鐵界面)反射時由于各材料的聲阻抗不同而導(dǎo)致反射的應(yīng)力波不同(拉伸波或壓縮波)。因此，在計(jì)算到混凝土/預(yù)應(yīng)力筋面和到混凝土/空氣面的頻率公式不同。1997年，他們提出了沖擊回波法檢測板狀結(jié)構(gòu)物內(nèi)后張法預(yù)應(yīng)力管道缺陷的基本過程和沖擊回波的響應(yīng)特性，并通過檢測現(xiàn)場實(shí)橋和破壞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 沖擊回波法檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外很多專家學(xué)者先后對沖擊回波法檢測技術(shù)進(jìn)行了研究。

1999年同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)所顧軼東等研究了沖擊回波法測量混凝土厚度與缺陷，利用有限元軟件包動態(tài)模擬波動過程，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，證明了沖擊回波法檢測混凝土厚度及缺陷的可行性；測量混凝土厚度精度較高，誤差不大于3%；可以測量混凝土內(nèi)部缺陷的位置和垂直表面裂縫的深度，采用雙接收換能器并利用時域分析可達(dá)到很高的精度[3]。

2001年長江科學(xué)院肖國強(qiáng)等開展了用沖擊回波法檢測混凝土質(zhì)量的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，結(jié)果表明：沖擊回波法可檢測表面裂縫深度、板狀體厚度以及混凝土淺部不密實(shí)體或架空等質(zhì)量缺陷，是一種有效、快速的無損檢測方法[4]。

2001年中國臺灣Ming-Te Liang, P0-Jen Su利用沖擊回波法檢測混凝土中鋼筋腐蝕損傷，研究目的主要是利用沖擊回波法結(jié)合3種電化學(xué)方法檢測混凝土中鋼筋腐蝕的可行性、可靠性和適用性。3種電化學(xué)方法分別是開路電位(OCP)、直流極化法(DC)和交流阻抗法(AC)。研究結(jié)果表明沖擊回波法可以較明確地測試出混凝土板微裂縫的發(fā)展。隨著鋼筋腐蝕的逐漸加重，由沖擊回波獲得的位移譜將被轉(zhuǎn)移成加速度譜，即腐蝕程度可以通過加速度譜的相對變化來預(yù)測[5]。

2003年同濟(jì)大學(xué)蘇航等對沖擊回波檢測方法及其在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，基本觀點(diǎn)為雖然沖擊回波法檢測過程簡單，但要成功解釋測試結(jié)果需要對復(fù)雜聲學(xué)知識有所了解，從而限制了該方法的廣泛應(yīng)用。

為了解決這些問題，對沖擊回波方法的研究應(yīng)集中在：對新的信號處理和人工智能技術(shù)的研究，使沖擊回波信號的解釋得到簡化；如何與其他無損檢測方法共同運(yùn)用，形成更加準(zhǔn)確的測量技術(shù)；沖擊回波現(xiàn)場檢測設(shè)備軟件和硬件的研究[6]。

2004年土耳其Ertugrul Cam, Sadettin Orhan, Murat Lüy利用沖擊回波法檢測梁的裂縫開展情況，研究目的主要是獲取裂縫開展的位置和深度。通過缺陷區(qū)和完好區(qū)域所測頻域信號的比較，可以確定裂縫的位置和深度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與ANSYS模擬結(jié)果一致[7]。

2005年傅翔等利用沖擊回波法檢測隧洞混凝土襯砌厚度，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究和在新疆喀浪古爾水庫引水發(fā)電、泄洪洞上的應(yīng)用，對于隧洞混凝土襯砌等單面結(jié)構(gòu)的混凝土厚度檢測，沖擊回波法是一種有效方法，測量范圍為5～200 cm；并指出通過對沖擊回波法的進(jìn)一步研究，在探測襯砌固結(jié)灌漿效果、分層澆注混凝土的粘結(jié)質(zhì)量等方面也有所作為[8]。

2006年楊宇洲等利用掃描式?jīng)_擊回波法(IES)檢測后張預(yù)應(yīng)力管，認(rèn)為IES法顯著地提高了傳統(tǒng)沖擊回波的檢測速度，解決了檢測預(yù)應(yīng)力管灌漿情況的大難題。而且基于IES數(shù)據(jù)的軟件成像可清楚、直觀地顯示結(jié)構(gòu)的厚度變化、缺陷類型及位置。

2007年羅先中、中正成利用沖擊回波法檢測混凝土結(jié)構(gòu)，研究了該方法檢測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫和表面垂直裂縫深度的原理和方法，并結(jié)合工程檢測實(shí)驗(yàn)，指出實(shí)際工作中的技術(shù)難點(diǎn)及其解決辦法[9]。

2007年武漢理工大學(xué)張建綱等利用沖擊回波法評價混凝土損傷程度，對不同配合比混凝土的損傷特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明沖擊回波方法中應(yīng)力波波速、頻譜等參數(shù)能夠很好地反映混凝土內(nèi)部損傷發(fā)展的各個階段[10]。

2007年西班牙的R.Medina, M.Garrido研究了互功率密度的改善的沖擊回波方法，認(rèn)為沖擊回波是一種非常有用的測量板厚度的方法，但是要想準(zhǔn)確分析，應(yīng)從頻域中利用FFT轉(zhuǎn)換找到最理想的波峰頻率[11]。

2008年福建建筑科學(xué)研究院葉健等，采用IES沖擊回波儀檢測了一座市政工程橋梁的預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿質(zhì)量，檢測結(jié)果表明第五跨(第一聯(lián)V節(jié)段)底板管道B1-3處在出漿口的4條測線與跨中的3條測線發(fā)現(xiàn)明顯缺陷反射信號，存在未灌漿情況。

2008年武漢理工大學(xué)占寶劍等利用探地雷達(dá)-沖擊回波聯(lián)合檢測法檢測了混凝土箱梁，實(shí)現(xiàn)了對孔洞、蜂窩和不密實(shí)區(qū)域定性和準(zhǔn)確定位。

2008年中國建筑科學(xué)研究院徐教宇等利用沖擊回波法測量地下連續(xù)墻厚度及成墻質(zhì)量，結(jié)果表明該方法檢測連續(xù)墻厚度和成墻質(zhì)量具有很好的準(zhǔn)確度，與實(shí)際測點(diǎn)處的取芯結(jié)果較吻合，而且具有快速、便捷的特點(diǎn)，同時指出由于混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的多樣性和復(fù)雜性，要使該方法能夠在工作中得到進(jìn)一步的應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐探索[12]。

2008年中國臺灣Chiamen Hsiao 、 Chia-Chi Cheng、Tzunghao Liou、Yuanting Juang利用沖擊回波法檢測混凝土板缺陷，對完好、缺陷板的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明混凝土板的沖擊響應(yīng)由對應(yīng)于板的振動模式的頻率組成。在這些頻率中，有一個主頻，該主頻的值由于板混凝土的縱波給定而取決于板的幾何形狀和尺寸。

缺陷的存在破壞了振動模式。主頻轉(zhuǎn)移到一個較小的值是缺陷存在的關(guān)鍵指標(biāo)。沖擊面和缺陷表面處的多次波反射在頻譜中產(chǎn)生的峰值對應(yīng)了缺陷的深度[13]。

2008年中南大學(xué)陳敏等進(jìn)行了火災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷沖擊回波法檢測數(shù)據(jù)小波分析的研究，較為系統(tǒng)地闡述沖擊回波法檢測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的原理和優(yōu)越性，提出運(yùn)用該法檢測火災(zāi)后有缺陷的混凝土結(jié)構(gòu)，對采集到的信號進(jìn)行小波分析，提取反映混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的特征信息，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷檢測。實(shí)測表明使用沖擊回波法可快速、準(zhǔn)確檢測火災(zāi)后混凝土內(nèi)部缺陷，通過小波變換對回波信號的奇異性進(jìn)行檢測與分析，能有效消除噪聲干擾，并準(zhǔn)確檢測出缺陷位置[14]。

2008年南京大學(xué)陳長河等通過制作預(yù)應(yīng)力箱梁錨孔的實(shí)驗(yàn)室模型，利用沖擊回波的方法取代傳統(tǒng)的超聲波方法采用沖擊回波法進(jìn)行試驗(yàn)對比，研究在灌漿和未灌漿狀態(tài)下信號的時頻特征。

研究表明：完全灌漿的模型和未灌漿的模型的頻域曲線所包含的各頻率分布是不同的，未灌漿的模型的頻譜曲線比較復(fù)雜，存在多峰現(xiàn)象，頻帶上能量分散，同灌漿的模型相比，主頻會向低頻漂移；功率譜分析與頻譜分析的結(jié)果基本一致，灌漿的模型能量衰減比較快，而未灌漿模型的信號經(jīng)多次反射與折射，能量衰減較慢。另外小波多尺度分析提供了在時頻空間某一局部更多錨孔灌漿的特征信息，更適合于處理不同灌漿條件下波的識別，為進(jìn)一步定量研究錨孔灌漿作好準(zhǔn)備[15]。

2009年鄭州大學(xué)張東方、王運(yùn)生進(jìn)行了沖擊回波法在鋼管混凝土拱橋檢測中的研究，首先在實(shí)驗(yàn)場地設(shè)計(jì)了密實(shí)、蜂窩和脫空等3種類型，用超聲透射法和沖擊回波法進(jìn)行測試，結(jié)果表明根據(jù)沖擊回波實(shí)測信號波形能量衰減快慢，及其頻譜圖中主頻前后漂移，峰值是否單一，頻譜是否紊亂等規(guī)律，能定性的分析出缺陷類型和確定缺陷的大致位置。同時也提出采集信號質(zhì)量會影響分析結(jié)果，對影響沖擊回波法采集信號的因素如錘擊的力度、被測構(gòu)件的幾何形狀和尺寸等有待進(jìn)一步的研究[16]。

2009年韓國Ki-il Song,Gye-Chun利用沖擊回波測試噴射混凝土在隧道巖石上的粘結(jié)質(zhì)量，通過各種粘接條件模擬使用情況，進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯浚陬l域和時頻內(nèi)進(jìn)行短時傅立葉分析，結(jié)果表明沖擊回波(IE)方法是一種有效的隧道噴射混凝土粘接狀態(tài)無損評價方法，可以通過共振頻率的變化評估噴射混凝土在堅(jiān)硬巖石上的粘結(jié)狀態(tài)[17]。

2010年南京大學(xué)鄒春江、陳征宙，南京南大工程檢測有限公司董平通過用沖擊回波法比較箱梁在不同注漿飽滿度下沖擊回波信號的主頻，研究主頻對不同注漿飽滿度的響應(yīng)規(guī)律和無漿孔道的判斷依據(jù)。根據(jù)不同類型測區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出全空孔道箱梁的主頻經(jīng)驗(yàn)方程。

依據(jù)實(shí)測主頻對這些測區(qū)進(jìn)行成像，通過比較實(shí)測主頻和同等情況下全空管道的理論主頻，判斷孔道的注漿質(zhì)量。最終判定4個測區(qū)的注漿有缺陷，鑿開驗(yàn)證為空洞，并給出了相應(yīng)的照片。研究結(jié)果表明沖擊回波主頻可以有效地評價箱梁預(yù)應(yīng)力孔道的注漿飽滿情況[18]。

2010年吳佳曄等[19]實(shí)現(xiàn)了混凝土內(nèi)部缺陷及橋梁孔道壓漿密實(shí)度的定性和定位檢測，其中定性測方法主要采用全長衰減法、全長波速法、傳遞函數(shù)法，定性檢測方法主要沖擊回法等檢測方法，并自主設(shè)計(jì)了檢測數(shù)據(jù)分析軟件，在工程實(shí)踐中并取得了良好的檢測效果。

2015年呂小彬、吳佳曄等在沖擊回波測試混凝土試件彈性波波速研究取得了新的研究成果，確定彈性波波速與混凝土強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系，建立工程彈性波專用評價曲線[20]。

3 沖擊回波法檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

(1) 沖擊回波法檢測技術(shù)的發(fā)展離不開檢測設(shè)備硬件的研究工作。目前，檢測設(shè)備大致分成兩類，即單點(diǎn)式(單點(diǎn)沖擊、單點(diǎn)接收回波信號)和掃描式(沖擊器與接收傳感器一體化設(shè)計(jì)，滾動掃描沖擊、連續(xù)接收回波)。

兩類檢測設(shè)備各自具有其優(yōu)缺點(diǎn)，單點(diǎn)式?jīng)_擊回波儀適用于精確測試和特殊位置測試。該方法對測試面平整度要求較低使用靈活。掃描式?jīng)_擊回波儀具有滾動式掃描測試探頭，適用于對大面積結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行檢測，測試效率高。因此應(yīng)加大檢測設(shè)備的研究工作，更好的利用其優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長避短。

(2) 沖擊回波法檢測技術(shù)的發(fā)展離不開檢測設(shè)備軟件的研究工作。目前，沖擊回波法檢測方法本質(zhì)是基于厚度測試原理進(jìn)行的，因此根據(jù)計(jì)算的等效波速，對其他各個測試點(diǎn)得到的等效彈性波速進(jìn)行頻譜處理分析，使得計(jì)算分析軟件便于可視化、易判斷理解而不是晦澀難懂，從而更有利于沖擊檢測技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

(3) 沖擊回波法檢測技術(shù)的前景會更加廣闊，也會更加深入。特別是在橋梁孔道灌漿密實(shí)性、預(yù)應(yīng)力錨索桿張力檢測、鋼質(zhì)護(hù)欄立柱埋深、裂縫深度及脫空等無損檢測方面，逐步實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室研究真正應(yīng)用于工程無損檢測實(shí)踐領(lǐng)域，解決工程實(shí)際問題，更好地為工程質(zhì)量服務(wù)。

(4) 沖擊回波法檢測技術(shù)會逐步規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，使得采用沖擊回波法應(yīng)用于工程檢測時具有較高的檢測精度和可靠性，為工程質(zhì)量的判斷與處理提供可靠依據(jù)。

盡管國內(nèi)仍無統(tǒng)一的沖擊回波方法檢測的規(guī)范或規(guī)程，但目前江蘇金土木建設(shè)集團(tuán)有限公司、河北建設(shè)集團(tuán)有限公司等單位正在編制行業(yè)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《沖擊回波法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》，目前已經(jīng)發(fā)布征求意見稿。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著工程領(lǐng)域?qū)炷两Y(jié)構(gòu)質(zhì)量的高度重視，沖擊回波法檢測技術(shù)在混凝土內(nèi)部缺陷的檢測、診斷方面將大有可為，作為一種無損檢測方法必然是未來工程檢測領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，在裂縫、脫空、灌漿孔道質(zhì)量等方面的應(yīng)用將會越來越廣泛。

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2016-12-16；修改日期：2016-12-22

侯高峰(1981-)，男，安徽靈璧人，安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院工程師．

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1673-5781(2016)06-0802-04