激发频率对钢筋混凝土声波CT反演精度的影响.pdf

2 0 1 6年 第 1期 (总 第 3 1 5期 ) N u mb e r 1 i n 2 0 1 6 ( T o t a l N o ． 3 1 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 7 激发频率对钢筋混凝土声波 C T反演精度的影响 崔军娥，龙士国。肖顺芳 ( 湘潭大学 材料科学与工程学院， 湖南 湘潭 4 1 1 1 0 5 ) 摘要 ： 采用数值模拟方法研究了激发频率对声波层析成像技术检测钢筋混凝土构件内缺陷反演精度的影响。 利用有限元分析 软件建立不同配筋率的钢筋混凝土模型， 对弹性波在钢筋混凝土构件中的传播进行模拟和计算， 在此基础上应用声波层析成像 分析软件对其剖面成像 ， 对比激发频率分别为 1 0 0 k H z 和 2 0 0 k H z的声波层析成像反演结果。 研究表明不同激发频率对声波层 析成像技术检测不同配筋率混凝土缺陷具有一定影响， 当激发频率为 2 0 0 k H z ， 且配筋率 比较小时， 声波层析成像技术对混凝土 构件中孔洞缺陷与钢筋的检测 比较敏感； 而当激发频率为 1 0 0 k H z ， 且配筋率 比较大时， 声波层析成像技术能够定位混凝土构件 内缺陷位置 ， 伪像干扰小。 关键词： 激发频率 ； 混凝土 ； 声波层析成像 ； 有限元 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 1 — 0 0 7 0 — 0 5 I n f l u e n c e o f e x c i t a t i o n f r e qu e n c y o n t h e a c o u s t i c wa v e C T i n v e r s i o n a c c u r a c y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e CU J u n，e， LONG S h i gu o，XI AO S h u n f a n g ( F a c u l t y o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， X i a n g t a n U n i v e r s i t y ， X i a n g t a n 4 1 1 1 0 5 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Nu me ric a l s i mu l a ti o n wa s u s e d t o i n v e s ti g a te t h e i n flu e n c e o f e x c i t a tio n fre q u e n c y o n i n v e r s i o n a c c ur a c y o f the a c o us tic wa v e c o mp u t e t o mo g r a p h y ( CT) t e c h n i q u e i n t h e d e t e c ti o n o f d e f e c t s i n the i n t e rio r o f a s t r u c t u r e ． F i r s t l y ， s o me mo d e l s tha t c o n t ain d e f e c t a n d d i f f e r e nt a mo u n t s o f t r a n s v e r s e o r l o n g i t ud i n a l s t e e l we re b u i l t us i n g f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ． S e c o n d l y， the p r o p a g a t i o n o f e l a s ti c wa v e s i n t h e r e i n f o r c e d c o n c r e te s t r u c t u r e s w a s c a l c u l a t e d and s i m u l a te d ． F i n a l l y ， the o b j e c ti v e o f t o mo g r a p h y w a s t O p r o v i d e v i s u a l i z a t i o n ． T h e r e — s u l t s d e mo n s t r a t e tha t dif f e r e n t e x c i t a t i o n~e q u e n c y ma k e s s o me d i f f e r e n c e i n de tec ti o n o f d e f e c t s i n the d i f f e r e n t s t e e l r a tio i n t e rio r o f s t r u c t u r e s b y CT． W i th the h o fiz o n t ~ s t e e l r a ti o b e i n g s m all e r， CT c a r l l o c a te th e d e f e c t i n a s t r u c t u r e f o r l O O kHz， a n d t he r e wa s a l i t t l e o f p s e ud o mo r p h i s m． Ke y wor ds： e x c i t ati o n fre q u e n c y； c o n c r e t e； a c o us ti c wa v e c o mp u t e tomo g r a p h y； f i n i t e e l e me n t a na l ys i s 0 引言 钢筋混凝土是建筑工程 中的常用材料 ， 其质量优劣对 施工质量起着重要作用 。 在施工 中， 为 了保证 钢筋混凝土 的质量 ， 需检测其 内部构件是否受到破坏或损伤 ， 并 可为 实际 的处理工作提供一定依据。 对重要的大型钢筋混凝土 建筑物进行结构安全性、 整体性、 耐久性的监测以确保其 安全正常运营的要求越来越严格 。 目前 ， 声 波层析成像技 术 “ 探测混凝土构件内部质量 常采用传统检测方法 ， 利 用声波层析成像技术检测混凝土构件 内部的物性分布 ， 定 量的确定构件的质量和缺陷， 对各类工程混凝土质量检测 具有重要的意义 。 声波层析成像技术在岩土力学 的研 究以及混凝土构件波动方程层析成像方法中， 以射线追踪 为基础的矩阵反演方法 ， 属于射线理论层析成 像方法类 ， 在工程技术领域广泛应用 ， 如岩体声波跨孔层 析成像 、 混 凝土内部物性结构层析成像等 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 — 0 3 — 0 9 基 金项 目 ： 国家 自然科学项 目( 1 1 1 7 2 2 5 8 ) 70 在工程应用 中， 由于混凝土 构件 的复 杂性 ( 分层 、 钢 筋、 混凝土夹杂物等) ， 激发信号 的不同激发频率对混凝土 中不均匀材料的敏感程度不同 ， 应用声波层析成像技术检 测混凝 土质 量 ， 使 现有 的 缺 陷细 节 不 能 比较 准 确 的确 定 “ ] 。 本试验 以此为 出发点 ， 利用 了声 波层析成像技术 显示混凝 土缺陷大小及其位置， 分析了不 同激发频率对声 波成像检测钢筋混凝土缺陷精度的影响， 为声波层析成像 技术检测钢筋混凝土内部缺陷方面提供依据 ， 也 为声波层 析成像技术的工程化提供重要参考。 1 声波层析成像的原理 声波层析成像( 速度层析成像) 求解的基本步骤是： 首 先设定初始模型， 进行正演模拟( 根据射线理论进行射线 追踪 ) ； 然后根据由正演得到的射线路径和实测走时， 反演 得到更新的模型 ； 最终通过正演 和反演 的迭代 运行 ， 得到 与实际测试区域接近的模型解。 以图 1 所示的走时层析成 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 确地定位钢筋的位置， 但是缺陷位置显示模糊， 而在 6 、 8 、 1 0根钢筋的缺陷混凝土构件中 ， 声波层析成像无法显示钢 筋 的位置 ， 但是激 发频率 不 同对缺 陷 的显 示情况 有所 不 同， 并且 随着配筋率 的增 大 ， 声 波层 析成像显示缺 陷的位 置越来越模糊 ， 即 C T反演精度下降。 4 结语 ( 1 ) 采用声波层析成像技术能够很好地检测钢筋混凝 土构件中的缺陷 ， 且 在激发频率一定 的情况下 ， 随着 配筋 率 的增加 ， 声波层析成像 的反演精度降低。 ( 2 ) 当配筋率比较小时， 声波层析成像技术能够检测 缺陷混凝土构件 内钢筋所在的位置 ， 且当激励信号 中心频 率为 2 0 0 k H z ， 声波层析成像技术不受混凝土构件 中不均 匀材料钢筋的影响， 能够 比较清楚 的显示缺陷位置及大 小 。 ( 3 ) 当配筋率 比较大， 且激励信 号的中心频率为 1 0 0 k H z 时 ， 声波层析成像 技术能够定位 混凝土构件 内缺 陷位置 ， 伪像干扰小。 参考文献： [ 1 ]石林珂， 孙懿裴． 声波层析成像技术[ J ] ． 岩土力学与工程学报， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 1 ) ： 1 2 2 —1 2 5 ． I- 2 ]K E P L E R W F ， B O N D L J ， F R A N G O P O L D M， e t a 1 ． I m p r o v e d a s s e s s m e n t o f m a s s c o n c r e t e d a m s u s i n g a c o us ti c t r a ve l ti me t o m o g r a p h y ， p a r t I I—a p p l i c a ti o n[ J ] ． C o n s t r u c t B u i l d Ma t e r ， 2 0 0 0 ， 3 ( 1 4 ) ： 1 4 7 — 5 6 ． E 3 3 C H A I H K． A G G E L I S D G． MO MO K I S ． S i n g l e—s i d e a c c e s s t o mo g r a p h y f o r e v al u a t i n g i n t e ri o r d e f e c t o f c o n c r e t e [ J ] ． C o n — s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 1 2 ) ： 2 4 1 1 — 2 4 1 8 ． [ 4 ]张吉， 师学明， 陈晓玲． 超声波C T技术在混凝土无损检测中的 应用现状及发展 趋势 [ J ] ． 工程地球 物理学报 ， 2 0 0 8 ， 5 ( 5 ) ： 5 9 6—6 0 1． I- 5 ]瞿立夏， 龙士国． 钢筋混凝土包护结构应力波传播特性研究[ J ] ． 混 上接第 6 9页 参考文献： [ 1 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： 9 0 1 — 9 0 4 ． 7 4 凝土， 2 0 1 4 ( 4 ) ： 1 3— 1 6 ． r 6 ]AGGE L I S D G， K ORDAT OS E Z。 S OUL 1 0 T D V， e t a 1 ． C o m— b i n e d u s e o f t h e r mo g r a p h y and u l tra s o u n d for t h e c h a r a c t e r i z a t i o n o f s u b s u r f a c e c r a c k s i n c o n c r e m r J _ ． C o n s t r u c ti o n and Bu i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 1 O ) ： 1 8 8 8— 1 8 9 7 ． 1- 7 ]Y I M H J ， K I M J H， L E E B Y， e t a 1 ． A i r v o i d s s i z e d i s t r i b u t i o n d e — t e r m i n e d b y u l t r a s o n i c a a e n u a ti o n 1, J _ ． C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 3 ， 4 7 ( 1 0 ) ： 5 0 2 — 5 1 0 ． I- 8 ]C H R I S T O P H E R C F ， A ND R E W J B， G A R Y R C ． E v a l u a t i o n o f d a ma g e t o b ri d g e p i e r s u s i n g p u l s e v e l o c i t y t o mo g r a p h y 1 J ] ． C o n — s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g Ma t e ria l s 。 2 0 1 3。 3 8： 1 3 03—1 3 0 9． [ 9 ]L AN B L ， T I E S H G ． S e i s m i c n o n— d e s t r u c ti v e t e s ti n g o n a r e i n — f o r c e d c o n c r e t e brid g e c o l u mn u s i n g t o mo g r a p h i c i ma g i n g t e c h — n i q u e s r J ] ． J o u r n al o f G e 叩h y s i c s and E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， 2 ( 1 ) ： 2 3—31 ． I 1 O l AGG E L I S D G． Nu me ri c a l s i mu l a ti o n o f s u rf a c e wa v e p r o p a g a ． t i o n i n ma t e ri a l wi t h i n h o mo g e n e i t y ： i n c l u s i o n s i z e e f f e c t l J 1 ． No n d e s t r u c ti v e Te s t i ng an d En g i n e e ring I n t e rn a t i o n a l ， 20 09，4 2 ( 4 ) ： 5 5 8 — 6 3 ． 1 1 1 I KO CU R G K， S A ENG E R E H， VOGE L T， e t a 1 ． E l a s ti c wa v e p r o pa g a ti o n i n a s e g me n t e d X —r a y c o mpu t e d t o mo g r a p h y mo d e l o f a c o n c r e t e s p e c i me n [ J ] ． C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 2 ) ： 3 9 3— 4 0 0 ． [ 1 2 ] 陈卫红， 王维刚， 黄靓， 等． 超声波速度层析成像技术在混凝土 内部缺陷检测中的应用[ c ] ／ ／ 第十届全国建设工程无损检测 技术学术会议论文集． ] E 京 ： 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