王鵬，韓慶邦，姜學(xué)平，鄭豪，許洲琛

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混凝土表面開(kāi)口裂縫對(duì)近表面聲波影響

王鵬，韓慶邦，姜學(xué)平，鄭豪，許洲琛

(河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇常州，213022)

基于混凝土近表面不同波型的聲速，分析開(kāi)口裂縫對(duì)聲波的影響。有限元仿真結(jié)果表明，激勵(lì)源輻射的初始縱波經(jīng)裂縫端點(diǎn)衍射產(chǎn)生縱波-與橫波-，-以一定的角度射向混凝土表面經(jīng)模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生縱波--；初始橫波在裂縫端點(diǎn)衍射產(chǎn)生縱波-與橫波-；初始瑞利波在裂縫端點(diǎn)衍射后除了產(chǎn)生縱波-與橫波-外繼續(xù)沿著固體表面?zhèn)鞑?-)。在此基礎(chǔ)上，基于變型波到達(dá)接收陣元的時(shí)刻定量檢測(cè)裂縫的深度，檢測(cè)結(jié)果較單面平測(cè)法具有更高的信噪比與檢測(cè)精度，可輔助單面平測(cè)法更精確地定量檢測(cè)混凝土開(kāi)口裂縫的深度。

無(wú)損檢測(cè)；開(kāi)口裂縫；混凝土

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)大體積大跨度混凝土構(gòu)建(高速公路、橋梁、壩體)的需求越來(lái)越大。這些結(jié)構(gòu)往往體積龐大，要求使用壽命長(zhǎng)。而受溫度驟變、自身體積變形、水分蒸發(fā)、不均勻沉陷以及施工條件等的影響，在混凝土表面很容易形成不同深度的裂縫，對(duì)建筑物傷害很大。因此有必要對(duì)這些裂縫進(jìn)行檢測(cè)，掌握其寬度深度等參數(shù)以判斷裂縫對(duì)建筑物的損傷及壽命的影向。超聲法檢測(cè)混凝土具有許多其他無(wú)損檢測(cè)方法所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，如穿透性良好、操作方便、價(jià)格低廉、檢測(cè)精確度高等。超聲檢測(cè)混凝土表面開(kāi)口裂縫深度的常用方法有：(1)單面平測(cè)法[1]；(2)鉆孔法；(3)瑞利波法[2-4]。鉆孔法屬破壞性檢測(cè)，代價(jià)高昂，應(yīng)用有限；基于縱波的單面平測(cè)法能準(zhǔn)確地定量檢測(cè)混凝土表面開(kāi)口裂縫的深度，一般最大檢測(cè)深度是500 mm；相比體波，瑞利波檢測(cè)混凝土表面開(kāi)口裂縫的優(yōu)勢(shì)，主要在于能量更大且不受流體的影響，潛在探測(cè)深度更高。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在開(kāi)口裂縫對(duì)聲波的影響方面做了很多有價(jià)值的研究。Foo Wei Lee[2]等人使用中心能量匹配濾波法(Matched Filtering of Center of Energy，MFCE)確定了瑞利波的到達(dá)時(shí)刻，能從探頭接收的復(fù)雜信號(hào)中有效提取出瑞利波。張?jiān)跂|[3]等人數(shù)值模擬了鋼表面開(kāi)口斜裂縫對(duì)瑞利波的影響，模擬結(jié)果表明瑞利波在到達(dá)裂縫處會(huì)分成兩個(gè)部分，第一部分繞過(guò)裂縫尖端，第二部分沿著鋼表面(包括裂縫)傳播。G Hevin[5]等人發(fā)現(xiàn)頻譜比的截止頻率可以判斷裂縫深度，仿真結(jié)果表明判斷裂縫深度誤差率不超過(guò)15%。楊洋[6]等人將時(shí)間反轉(zhuǎn)法應(yīng)用到檢測(cè)混凝土表面開(kāi)口裂縫深度中，發(fā)現(xiàn)混凝土表面裂縫越深，與表面波波長(zhǎng)越接近，重構(gòu)波形與激勵(lì)波形差異越大，其損傷指數(shù)越高。Baskaran G[7]等人利用衍射時(shí)差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)中的變型波(Shear-wave Time of Flight Diffraction，S-TOFD)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)S-TOFD能夠有效檢測(cè)固體近表面的缺陷，增大了檢測(cè)區(qū)域，提高了檢測(cè)精度。

針對(duì)混凝土內(nèi)部聲場(chǎng)復(fù)雜的特點(diǎn)，本文基于混凝土近表面聲波的波速來(lái)研究開(kāi)口裂縫對(duì)近表面聲波的影響，并進(jìn)行有限元仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示，能清楚地分辨接收陣元接收的聲波類(lèi)型，判斷它們的傳播路徑。此外，本文利用對(duì)裂縫端點(diǎn)處由模式轉(zhuǎn)換衍生的變型波(橫波或縱波)進(jìn)行裂縫深度定量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)變型波法檢測(cè)精度高于單面平測(cè)法，變型波檢測(cè)所用波型的信噪比高于單面平測(cè)法所用的波型。另外，變型波檢測(cè)可結(jié)合平行掃查[8]，減小衍射點(diǎn)不在兩探頭中線帶來(lái)的誤差，大幅度提高了檢測(cè)精度。

1 裂縫對(duì)表面聲波的影響

混凝土表面上傳播的表面聲波有：縱波、橫波和瑞利波。其中縱波的波速最大，瑞利波波速與橫波波速約為的一半。與的比值跟材料泊松比有很大關(guān)系。當(dāng)混凝土的泊松比=0.33時(shí)，瑞利波波速約為橫波的0.93倍。

圖1 混凝土近表面聲波傳播示意圖

根據(jù)混凝土近表面聲波的波速，分析幾何體中聲波的傳播規(guī)律如圖1所示，圖中、、分別表示縱波、橫波及瑞利波；為激勵(lì)源，為接收點(diǎn)，為裂紋端點(diǎn)，為裂紋根部；圓圈表示衍射，其中黑色表示衍射縱波，紅色表示衍射橫波。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，固體近表面聲波經(jīng)裂縫端點(diǎn)的表現(xiàn)主要有，激勵(lì)源輻射的初始縱波在裂縫端點(diǎn)衍射，經(jīng)模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生衍射縱波-與橫波-，到達(dá)接收點(diǎn)；相似地，激勵(lì)源輻射的初始橫波在裂縫端點(diǎn)衍射，經(jīng)模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生衍射縱波-與橫波-，到達(dá)接收點(diǎn)；能量最大的瑞利波在裂縫端點(diǎn)衍射，產(chǎn)生衍射縱波-、橫波-以及繼續(xù)沿著固體表面?zhèn)鞑サ娜鹄?。需要注意的是，如果激勵(lì)源與接收點(diǎn)對(duì)稱(chēng)地放置在衍射點(diǎn)的兩邊，-與-到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)刻相同，兩者疊加在一起。根據(jù)以上分析，可得出各聲波到達(dá)接收陣元的聲時(shí)為

式(1)～(7)中：表示裂紋的長(zhǎng)度；線段表示從點(diǎn)到點(diǎn)的聲程；線段表示從點(diǎn)到接收陣元的聲程；線段表示從點(diǎn)到點(diǎn)的聲程；線段表示從點(diǎn)到接收陣元的聲程。

2 有限元仿真與結(jié)果分析

2.1 有限元建模

宏觀上，混凝土由砂、骨料、水等按一定比例配合攪拌而成，屬各向異性介質(zhì)。而本文從微觀上探究界面處聲波的傳播規(guī)律，僅包括體波與面波，因此可將混凝土簡(jiǎn)化為各向同性介質(zhì)。

本文采用有限元算法，仿真二維半無(wú)限混凝土界面處聲波的傳播規(guī)律。模型幾何如圖2所示，長(zhǎng)寬分別為：600、200 mm，內(nèi)部填充材質(zhì)為混凝土，材料參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，混凝土中縱波聲速、橫波聲速、瑞利波聲速。網(wǎng)格最大尺寸為1.67 mm；時(shí)間步長(zhǎng)為4.16×10-8 s；采樣頻率為50 MHz；施加激勵(lì)為點(diǎn)聲源。采用一發(fā)多收的方式，200 mm處激發(fā)，400、420、440、460、480 mm處接收，各接收陣元依次記為1、2、3、4、5，所設(shè)裂縫寬度為2 mm，深度分別為20、30、40、50、60、70、80 mm。

圖2 有限元幾何模型

表1 混凝土參數(shù)

現(xiàn)實(shí)中，混凝土表面與空氣接觸，由于兩者聲阻抗相差很大，接觸邊界可等效為自由邊界[9]。模型中，上邊界為自由邊界(外部為真空)，裂縫側(cè)壁也為自由邊界，其余邊界均設(shè)置為吸收邊界，防止聲波經(jīng)由邊界反射干擾接收信號(hào)。由于近場(chǎng)效應(yīng)，發(fā)射、接收傳感器相距較小時(shí)，橫波與瑞利波混在一起難以分辨，文獻(xiàn)[4]指出，發(fā)射、接收傳感器的距離不宜低于150 mm，本文選取200 mm。

2.2 裂縫對(duì)混凝土近表面聲波的影響

裂縫深度為40 mm的模型仿真結(jié)果見(jiàn)圖3，從圖3中可清晰地觀察初始激勵(lì)縱波，初始激勵(lì)橫波，初始瑞利波，衍射縱波-、-、-，衍射橫波-、-、-與瑞利波-的產(chǎn)生和傳播。圖4為1接收的聲波信號(hào)，通過(guò)觀察聲場(chǎng)的變化，結(jié)合不同波型的聲速可以判定依次到達(dá)1的波型分別是：

(1) 初始縱波經(jīng)裂縫端點(diǎn)衍射而產(chǎn)生的縱波-；

(2) 初始縱波經(jīng)裂縫端點(diǎn)衍射產(chǎn)生的橫波，以一定的角度射向混凝土表面經(jīng)模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的縱波--；

(3) 初始縱波在裂縫端點(diǎn)衍射產(chǎn)生的橫波-與初始橫縱在裂縫端點(diǎn)衍射產(chǎn)生的縱波-[7]，兩者同時(shí)到達(dá)接收陣元；

(4) 初始瑞利波沿著混凝土表面?zhèn)鞑サ搅芽p端點(diǎn)，經(jīng)衍射產(chǎn)生的縱波-；

(5) 初始橫波經(jīng)裂縫端點(diǎn)衍射產(chǎn)生的橫波-；

(6) 瑞利波經(jīng)裂縫端點(diǎn)衍射產(chǎn)生的橫波-；

(7) 一直沿著固體表面?zhèn)鞑サ娜鹄?。

圖5是1～5接收的聲波信號(hào)，圖中的斜線連接不同陣元接收相應(yīng)聲波的峰值：紅線對(duì)應(yīng)的波型為縱波；藍(lán)線對(duì)應(yīng)的波型為橫波；黑線對(duì)應(yīng)的波型為瑞利波。為了更準(zhǔn)確地判定各聲波的類(lèi)型，基于各陣元的位置及其接收不同波型波峰的到達(dá)時(shí)刻，計(jì)算不同波型的聲速，結(jié)果縱波的聲速為4 013 m/s；橫波的聲速為2 021 m/s；瑞利波的聲速為1 886 m/s，計(jì)算所得速度與材料中不同波型的聲速吻合。

(a)40 μs

(b)63 μs

(c)66 μs

(d)85 μs

圖3 不同時(shí)刻的聲場(chǎng)

Fig.3 Ultrasonic fields at different moments

圖4 R1接收的聲波信號(hào)

圖5 R1～R5接收的聲波信號(hào)

2.3 混凝土表面裂縫的定量檢測(cè)

在超聲法檢測(cè)混凝土規(guī)程中涉及的單面平測(cè)法中，檢測(cè)混凝土開(kāi)口裂縫深度所用的波型是圖4中的-。將不同深度裂縫模型接收到-的聲時(shí)代入式(8)可算得裂縫的深度[1]：

式中：為裂縫深度；為到達(dá)接收陣元的時(shí)刻；為激勵(lì)與接收陣元距離的一半。計(jì)算結(jié)果如表2和圖6所示。

表2 單面平測(cè)法與變型波法檢測(cè)裂縫深度值

圖6 單面平測(cè)法與變型波法檢測(cè)的裂縫深度值

如果激勵(lì)源與接收點(diǎn)對(duì)稱(chēng)放置在衍射點(diǎn)兩邊，-與-到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)刻相同。需要注意的是，如果激勵(lì)源與接收點(diǎn)非對(duì)稱(chēng)放置在衍射點(diǎn)兩邊，裂縫深度的計(jì)算有誤差?？赏ㄟ^(guò)繪制偏離衍射點(diǎn)的水平距離-變型波到達(dá)時(shí)間函數(shù)曲線，根據(jù)曲線之間的交點(diǎn)來(lái)計(jì)算衍射點(diǎn)的深度，能有效減小計(jì)算誤差[8]。根據(jù)激勵(lì)接收點(diǎn)的距離2、工件橫波聲速、縱波聲速，混凝土表面裂縫深度值可由式(9)定量確定：

式中，是接收陣元接收-或者-的時(shí)刻。變型波法檢測(cè)結(jié)果如表2和圖6所示。

根據(jù)圖6和表2中的數(shù)據(jù)可知，變型波法檢測(cè)的裂縫深度誤差小于單面平測(cè)法，檢測(cè)精度高于單面平測(cè)法，原因在于變型波法所用的-波長(zhǎng)小于單面平測(cè)法所用的-。另外，較單面平測(cè)法所用的縱波，變型波的信噪比更高。

3 結(jié)論

本文基于混凝土近表面聲波的波速，分析了開(kāi)口裂縫對(duì)近表面聲波的影響，得出：激勵(lì)源輻射的初始縱波經(jīng)過(guò)裂縫端點(diǎn)產(chǎn)生衍射縱波-與橫波-；激勵(lì)源輻射的初始橫波經(jīng)過(guò)裂縫端點(diǎn)產(chǎn)生衍射縱波-與橫波-；-在傳播至接收點(diǎn)的過(guò)程中，會(huì)以一定的角度射向工件表面，經(jīng)模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生新的縱波--；瑞利波沿固體表面?zhèn)鞑ィ诹芽p端點(diǎn)處衍射產(chǎn)生縱波-、橫波-，隨后瑞利波繼續(xù)沿著固體表面?zhèn)鞑?-)。

基于開(kāi)口裂縫對(duì)近表面聲波的影響，本文根據(jù)變型波-或-到達(dá)接收陣元的時(shí)刻來(lái)定量檢測(cè)裂縫深度，變型波的波長(zhǎng)小于縱波，因此變型波檢測(cè)精度高于單面平測(cè)法，變型波檢測(cè)所用的-(或-)信噪比也高于單面平測(cè)法所用的-。另外，變型波檢測(cè)可結(jié)合平行掃查，有效減小衍射點(diǎn)不在兩探頭中線帶來(lái)的誤差，大幅度提高檢測(cè)精度。

[1] 李俊如, 高建光, 王耀輝. 超聲波檢測(cè)混凝土裂縫及裂縫成因分析[J]. 巖土力學(xué), 2001, 22(3): 291-293 LI Junru, GAO Jianguang, WANG Yaohui. Supersonic wave testing on concrete crack depth and analysis of crack initiation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2001, 22(3): 291-293.

[2] LEE Foowei, CHAI Hwakian, LIM Koksing. Assessment of reinforced concrete surface breaking crack using rayleigh wave measurement[J]. Sensors, 2016, 16(3): 337-358.

[3] 張?jiān)跂|, 盧超, 魏運(yùn)飛. 表面開(kāi)口裂縫超聲表面波頻譜法測(cè)量的數(shù)值模擬[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2009, 31(12): 993-997. ZHANG Zaidong, LU Chao, WEI Yunfei. Numeircal simulation to sizing surface-breaking cracks by ultrasonic surface wave spectral methed[J]. Nondestructive Testing, 2009, 31(12): 993-997.

[4] 馮若愚, 陳瑛, 李志雙. R波譜能量透射比法檢測(cè)大體積混凝土裂縫研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2016, 35(12): 221-225. FENG Ruoyu, CHEN Ying, LI Zhishuang. Cracks identification of mass concrete structures with R wave spectral energy transmission ratio method[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35 (12): 221-225.

[5] Hevin G, Abraham O, Pedersen H A, et al. Characterization of surface cracks with Rayleigh waves: a numerical model[J]. NDT & E International, 1998, 31(4): 289-297.

[6] 楊洋, 張夢(mèng)陽(yáng), 肖黎, 等. 表面波時(shí)間反轉(zhuǎn)混凝土梁裂縫損傷識(shí)別數(shù)值模擬[J]. 混凝土, 2015, 13(12): 17-20. YANG Yang, ZHANG Mengyang, XIAO Li, et al. Simulation study of surface breaking crack in concrete beam based on time- reversed theory of surface wave[J]. Concrete, 2015, 13(12): 17-20.

[7] Baskaran G, Balasubramaniam K, Rao C L. Shear-wave time of flight diffraction (S-TOFD) technique[J]. NDT & E International, 2006, 39(6): 458-467.

[8] 張東輝, 劉麗麗, 張樹(shù)瀟, 等. TOFD檢測(cè)平行掃查中變型波的識(shí)別與應(yīng)用[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2015, 37(7): 54-56. ZHANG Donghui, LIU Lili, ZHANG Shuxiao, et al. Identification and utilization of transformed wave in TOFD parallel scanning[J]. Nondestructive Testing, 2015, 37(7): 54-56.

[9] 杜功煥, 朱哲民, 龔秀芬. 聲學(xué)基礎(chǔ)[M]. 3版. 南京: 南京大學(xué)出版社, 2001. DU Gonghuan, ZHU Zhemin, GONG Xiufen. Fundamental acoustics[M]. 3rd edition. Nanjing: Nanjing University Press, 2001.

The influence of surface opening cracks on the sound wave near concrete surface

WANG Peng, HAN Qing-bang, JIANG Xue-ping, ZHENG Hao, XU Zhou-chen

(College of Interhet of Things Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, Jiangsu, China)

Based on the velocities of different wave modes near concrete surface, the influences of surface-crack on these wave modes are analyzed. Finite Element Method (FEM) simulation results show that the original longitudinal waveis diffracted at crack tip togenerate longitudinal wave-and transverse wave-, and the latter propagates onto surface with a certain angle of incidence to result in a new longitudinal wave--; the original transverse waveis diffracted at crack tip togenerate longitudinal waveand transverse wave-;the original Rayleigh waveis diffracted at crack tip to generate longitudinal waveand transverse wave-, and continues to propagatealong the solid surface (-). On the basis of the simulation results, the multi-mode wave method by measuring the arrival times of variant waves to receiver can be utilized to measure the depth of surface crack with higher signal-to-noise ratio and more precise resolution compared to the single plane method.

nondestructive testing; surface-crack; concrete

TB556

A

1000-3630(2017)-03-0247-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.009

2016-12-02;

2017-04-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11274091、11574072)、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(BE2016056)、河海大學(xué)中央高?；痦?xiàng)目(2011B11014)、河海大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2016B48814)

王鵬(1993－), 男, 江蘇宿遷人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

韓慶邦, E-mail: hqb0092@163.com