王 威

(宣城職業(yè)技術學院，安徽 宣城 242000)

鋼筋混凝土裝配式建筑推動了我國建筑行業(yè)的發(fā)展，其具有節(jié)能、節(jié)材的特點，體現(xiàn)了綠色環(huán)保的建筑理念.因為該技術提出較晚，相關研究匱乏，且缺乏健全的安全體系，預制構件的質量問題經常發(fā)生.同時，鋼筋混凝土的結構特性，導致預制構件在生產硬化過程中會出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，長時間會使內部材料生銹，降低承載力.如何對預制構件的質量做出精準的檢測，成為建筑領域急需解決的問題.針對上述問題，研究人員探索相應的解決方案.文獻[1]提出基于粗糙集-灰色局勢決策的預制構件質量檢測方法，首先將承運商的運作管理能力、物流傳輸能力和運輸工具配置作為評價指標，其次在粗糙集理論下對收集的數(shù)據(jù)做屬性約簡，刪除冗余數(shù)據(jù)，保留重要信息，最后利用灰色局勢決策法，通過優(yōu)化的白話函數(shù)計算出質量的綜合效果矩陣，完成質量檢測.此種檢測方法較為簡便，并且可以很好的對預制構件實施從出廠到使用的全面跟蹤檢測.文獻[2]為預防預制構件在施工過程中帶來的風險，提出基于BIM質量檢測的方法，首先對檢測系統(tǒng)框架進行構建，包括感知層、數(shù)據(jù)層、服務層和應用層；其次結合預制構件的檢測標準建立安全規(guī)則數(shù)據(jù)庫，將其作為檢測的依據(jù)；最后對BIM模型參數(shù)進行調控，將采集到的數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)做對比，完成質量檢測.此種方法能夠準確的檢測出預制構件表面質量問題.雖然以上兩種方法都完成了質量檢測，但是只能從表面進行推斷，并不能精準地檢測預制構件內部是否發(fā)生裂縫等質量問題.基于此，提出鋼筋混凝土裝配式建筑預制構件質量檢測方法.在超聲波的基礎上確定參數(shù)，了解傳播特性，建立聲場模型，完成質量檢測.超聲波對鋼筋混凝土構件的缺陷比較敏感，可以作為重要的質量檢測依據(jù).

1 基于超聲波的裝配式建筑預制構件質量檢測

1.1 超聲波的參數(shù)及傳播特性分析

超聲波可以看做由很多緊密相連的質點組成的一種物質，當其中的某個質點受到擾動時，會產生振動現(xiàn)象[3]，此現(xiàn)象會影響相鄰質點隨之振動，由于慣性因素，相鄰質點又會帶動更多的質點發(fā)生振動，這樣就形成了聲波.超聲波的頻率范圍在20～ 10 MHz，并不在人耳聽覺范圍內.

超聲波用于質量檢測中，可利用其傳播特性，與被檢測的物體相互作用，使其傳播方向發(fā)生明顯變化，利用接收換能器對聲波信號進行接收，分析其頻率與振幅，從而判斷被檢測的物體是否存在質量問題.

1)超聲波分類

以超聲波的傳播方向以及質點的振動方向作為依據(jù)，將波分為縱波、橫波和表面波[4]三大類.橫波與縱波屬于基礎機械波形，出現(xiàn)任何復雜的波動現(xiàn)象都可能是這兩種波疊加導致的，波的分類，見表1.

表1 超聲波分類表

2)超聲波的基本參數(shù)

聲速：通常情況下傳播速度用v表示，而三種波形在同樣的介質中傳播速度不同.超聲波在鋼筋混凝土裝配式建筑預制構件中傳播速度公式為：

(1)

公式(1)中，v表示傳播速度，l表示聲程，t表示聲時.

超聲波的彈性模量與泊松比[5]決定了傳播速度，彈性模量越高，速度越快.與此同時，預制構件的內部結構，例如材料組成、空隙、裂縫都會對傳播速度造成影響.振幅：是反應聲波能量大小的參數(shù)，振幅越大，能量越高，可以作為預制構件質量檢測的標準.頻率：高頻率的聲波波長較短，容易造成吸收和散射衰減，超聲脈沖的傳播距離越遠，衰減現(xiàn)象越嚴重.波形：在傳播時，傳播距離的增長，會導致聲波出現(xiàn)消退現(xiàn)象，正弦波衰減后變?yōu)榘雸A形，而超聲波在預制構件中產生的形狀為喇叭形.

3)超聲波傳播的獨特性

當超聲波的傳播介質不同時，交界面會發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，這時傳播規(guī)律會發(fā)生變化.如圖1所示，α和α1分別代表入射波和反射波與界面的夾角，折射波與界面的夾角為β.

圖1 超聲波的反射和折射示意圖

超聲波反射：入射角α與反射角α1之間存在的關系式為：

(2)

超聲波折射：當超聲波的傳播介質發(fā)生改變時，一部分聲波透過交界面后繼續(xù)傳播，此時入射角α與折射角β之間的關系為：

(3)

聲壓反射率：是反射聲壓p′與入射聲壓p之間的比，可用公式(4)對其描述：

(4)

超聲波的反射角、入射角、介質聲阻抗率[6]Z和介質厚度都對聲壓發(fā)射率γ有影響，關系式為：

(5)

當入射角α=0時，公式(5)可以簡化為：

(6)

1.2 超聲波探頭的聲場模型

在確定參數(shù)后，對幾種常用超聲探頭聲場建立數(shù)學模型.

1)圓盤活塞狀聲源：在對聲波衰減現(xiàn)象不做任何考慮的情況下，聲場中任何一點的聲壓可以表示為：

(7)

公式(7)中，p0代表起始聲壓，dS代表點源面積，r表示某點到聲源的距離.

為了使模型得到簡化，將所有單一點源產生的聲波進行疊加處理，獲得合成聲壓[7]：

(8)

式(8)中，Rs代表圓形探頭的半徑.根據(jù)式(9)可以得出，聲壓p代表時間t的周期函數(shù).聲壓振幅為：

(9)

(10)

聲壓振幅可表達為：

(11)

式(11)中，F(xiàn)s表示圓盤面積，J1表示一階貝塞爾函數(shù)[8]，Rs表示圓形探頭半徑.

2)矩形活塞探頭聲場中任何一點的聲壓振幅為：

(12)

當θ=φ=0時，遠距離軸線上的聲壓為：

(13)

當θ=0時，經過軸線，并且矩形源平面中遠距離任意一點的聲壓可表示為：

(14)

當φ=0，此時聲壓為：

(15)

根據(jù)建立的超聲波聲場模型制作兩種預制構件模型：其一，有質量問題，有裂縫現(xiàn)象出現(xiàn)；其二，質量良好.將兩種構件模型用于對比檢測.

1.3 預制構件質量檢測

檢測超聲波是否有明顯變化情況的核心是求交運算，高效率的求交算法是預制構件質量檢測的關鍵.因此，分別對射線與平面和圓柱面的求交算法進行研究.聲色線為：

X=Dt+S(t≥0)

(16)

式(16)中聲射線的原點為S=(x0,y0,z0)，傳播方向定義為 ‖D‖=1；X=(x,y,z)是聲射線上的某一點.

1)射線與平面的求交算法[9]

當界面的表達帶約束條件時，此求交算法就變?yōu)樯渚€與多邊形的求交，在本文方法中多邊形定義為單聯(lián)通的，并且它的兩邊除了有共同交點外，是不會相交的，將復雜的多邊形轉換成簡單的多邊形形式.

對于多邊形P={p1,p2,…,pn}中，Pi=(xi,yi,zi)是多邊形的交點，此時多邊形所在平面的表達式為：

N·X+d=0

(17)

2)射線與曲面求交算法

求交曲面包括柱面、球面、圓錐面等.假設圓柱體的底面中心是p0,對稱軸的向量為AX，圓柱高度為h，得到以下求交公式為：

P1=P0+h·AX

(18)

在獲得兩種算法的求交公式后，通過網絡層次分析法(ANP)[10]確定出預制配件質量檢測的指標權重，過程如下所示：

(19)

其次，在獲取超級矩陣的基礎上獲得極限矩陣W∞，為了更準確地反應鋼筋混凝土裝配式建筑預制構件質量檢測指標之間的關系，加權超級矩陣必須有良好的穩(wěn)定性，因此構建極限矩陣W∞，如式(20)所示，假如i→∞，極限收斂并且唯一，這時，超矩陣中的列向量為質量檢測判斷標準的穩(wěn)定權重[11].

(20)

在構建出極限矩陣后，建立模糊評價矩陣，將質量檢測的二級指標經過模糊線性變換后獲得一級評價指標的矩陣：

(21)

式(21)中，rij代表質量檢測標準的二級指標Pij所對應的隸屬度，fij代表質量評價二級指標被檢測的總數(shù)量.

最后，建立綜合質量檢測評價矩陣.通過隸屬度rij構建隸屬度矩陣[12]R，根據(jù)下述公式計算出一般隸屬度矩陣R=(rij)m×n=(R1,R2,…，Rn)T，指標Pij的隸屬度向量可以表示為Ri=(ri1,ri2,…，rit)T，i=1,2，…,n，n對質量檢測等級的數(shù)量進行描述.由于質量檢測的評價指標很多，所以需要對不同等級的檢測指標一一進行綜合判斷，首先通過一級評價指標的權重Wij與對應的隸屬度矩陣R做一級模糊判斷，并將判斷結果進行綜合獲得總的模糊綜合判斷矩陣H，判斷過程如下所示：

Hi=WijR=

(22)

根據(jù)計算出的模糊綜合判斷矩陣，求出預制構件質量檢測的模糊判斷集U，公式如下所示：

U=WH=(u1,u2,…,ut)

(23)

式(23)中，ut表示質量檢測綜合判斷對等級j的隸屬程度.

2 測試與分析

為驗證本文方法對預制構件質量檢測的有效性，將其與文獻[1]方法進行對比試驗.利用本文方法對兩種預制構件模型進行檢測，一種為內部出現(xiàn)裂縫，有質量問題的預制構件，另一種為完好無損的預制構件.獲得兩個模型通過裂縫與未通過裂縫的超聲波變化，包括波的速度、振幅以及頻率曲線的變化情況.圖2與圖3分別為兩種不同模型的聲波變化情況.

圖2 超聲波未經過裂縫的波形

圖3 超聲波經過裂縫處的波形

從圖2與圖3可以看出，超聲波是否經過裂縫，對其波形有較大的影響.在經過裂縫之前，傳播介質均勻，震相簡單，波形比較規(guī)則，振幅消失較快，但是在通過裂縫后，超聲波會在出現(xiàn)裂縫的地方發(fā)生變化，頻繁發(fā)生反射、散射及繞射等情況，以至于產生不規(guī)則的波形.裂縫的存在導致振幅消失得很慢.由于裂縫處有氣體這種傳播介質存在，對波形有阻隔作用，因此，無法觀察到直達波，經過裂縫處的超聲波會產生較明顯的周期波動，可以作為判斷有無質量問題的重要依據(jù)，使用本文方法觀測到的波形變化較為明顯.

分別設置100組本文方法與文獻[1]方法的對比實驗，兩種方法對質量檢測的準確性結果，如圖4所示.

圖4 測試實驗準確率對比圖

分析圖4，從對比實驗的結果可以看出，隨著實驗次數(shù)的增加，兩種方法對于檢測的準確率均有上升.而相比文獻[1]中的方法而言，本文方法的精準度始終占據(jù)優(yōu)勢，對裂縫等質量問題更具敏感性質.

3 結論

為了更好的對鋼筋混凝土裝配式建筑預制構件做質量檢測，本文在超聲波的基礎上利用其傳播特性，建立聲場模型，確定質量檢測的指標權重，完成預制構件質量檢測.研究發(fā)現(xiàn):

1)超聲波對裂縫的反應通過其波形顯現(xiàn)，當其通過預制構件縫隙時，其波形不再規(guī)則，振幅消失緩慢.

2)與其他方法對比實驗顯示，隨著迭代次數(shù)的上升，檢測精度將會上升；而本文方法對裂縫現(xiàn)象較為敏感，檢測的準確度更高，提高了檢測效率.超聲波用于預制構件檢測的可行性得到驗證，能為該方法的多種判斷指標檢測質量問題提供重要的依據(jù).