受火后混凝土损伤深度的超声波检测算法研究.pdf
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1、第 1 5 卷第 4期 2 0 1 2年 8月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI LDI NG MATERI ALS Vo l | 15, NO 4 Aug , 2 01 2 文 章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 4 5 9 0 5 受火后混凝土损伤深度的超声波检测算法研究 余 江滔 , 刘 媛 , 陆洲导 ( 同济大学 结构工程与防灾研究所 , 上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 : C E C S 2 1 : 2 0 0 0规程 的超 声 波平测 算 法在 受 火后 混凝 土损 伤 深度评 估应 用 中误 差较 大 , 为
2、此 进 行 了改进 采 用双 曲线模 型模 拟 混凝 土损 伤 沿混 凝 土 深 度 方 向 的 变化 , 采 用抛 物 线模 型模 拟 不 同混 凝土 深度 处超 声波 的传播 路 径 , 导 出 了改进 算 法公 式并 使 用 Ma t l a b软件 进 行 了编程 和 计 算 将改进算法的计算结果与超声波 实测数据进行对比, 结果表明改进算法的计算结果具有较高的精 度 改进算法可更合理、 更精确地评估受火后混凝土的损伤深度 关 键词 :混凝 土 ;受火损 伤 ;损伤 深度 ;超 声波 中图分 类 号 : TU5 2 8 0 文献标 志码 : A Re s e a r c h o n A
3、l g o r i t hm o f Ul t r a s o ni c De t e c t i o n f o r Da m a g e d De pt h o f Co nc r e t e a f t e r Fi r e y J i a n g t a o。 L U Y u a n, L【 , Zh o u d a o ( Re s e a r c h I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g a n d Di s a s t e r Re d u c t i o n,To n g j i Un i
4、v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ,C h i n a ) Ab s t r a c t:As s i n gl e s i de d ul t r a s o ni c a l g or i t h m i nt r o du c e d b y c od e CECS 2 1: 2 0 0 0 i s n o t a c c ur a t e i n pr a c t i c a l a p pl i c a t i o n i n a s s e s s m e nt of t h e da ma g e d d e pt h o f c
5、 on c r e t e a f t e r f i r e,i mp r o v e me n t ha s be e n ma de i n t hi s pa pe r H y pe r bo l a c ur v e s we r e us e d t o s i m ul a t e t he t r e n ds o f da m a g e a l on g c on c r e t e de p t h wh i l e p a r a bo l i c c u r ve s we r e us e d t o s i m u l a t e t he t r a c e s
6、 o f u l t r a s on i c wa v e i n d i f f e r e n t c on c r e t e d e p t h The pr o gr a m mi ng a nd c a l c u l a t i o n wor k we r e c o mpl e t e d b y M a t l a b c o mpi l e r Ca l c u l a t i n g r e s ul t s f r o m m o di f i e d a l g o r i t hm s ho w s mo r e a c c u r a c y b y c o
7、mpa r i n g i t wi t h m e a s u r e d da t a M o di f i e d a l go r i t hm c a n a s s e s s t he d a ma g e d de pt h o f c on c r e t e i no r e f e a s i bl e a nd a c c ur a t e Ke y wo r d s :c o nc r e t e;f i r e d a ma g e;d a ma ge d de pt h;ul t r a s on i c wa v e 高 温 中混凝 土会 发生 硬化 水泥 浆体
8、 脱水 和 分解 等化学反应 , 硬化水泥浆体和粗、 细骨料之间的热变 形 差异 会 导致 混凝 土 内部 出现 大 量 的 微 裂缝 , 在 物 理 性能 上 即表现 为 混 凝 土 孔 隙 率 上 升 , 强 度 和 弹性 模 量降 低 , 并 最 终 影 响 了混 凝 土 构 件 的承 载 力 和 耐 久 性l 1 。 一般 情况 下 , 火 灾 中 混 凝 土 楼 板 多 为 单 面 受火 , 混 凝 土梁多 为 三面受 火 , 而混 凝 土柱则 可 能 是 一 面到 四面受火 不等 由于热 传导 问题 , 火灾 下 混 凝 土 由表 及里 的损 伤程 度并 不一 致 绝 大多数 情
9、况下 , 靠 近外 表 面 的 混 凝 土 受 损 严 重 随 着 混 凝 土 深 度 ( ) 的增 加 , 混凝 土 损伤 程 度 也 逐 渐 减 轻 对 于 不 同 的火 灾情 况 , 如 最 高 温度 不 同 , 火 灾 延 续 时 间 不 同 , 受火 影 响 的 区域 不 同 , 混 凝 土 的损 伤深 度 ( D) 并 不 相 同 关 于混凝 土 损 伤深 度 的检 测 , 现 阶段 可 用 的检 测方 法 并不 多 西 南交 通大 学 的杨彦 克 等 采用 超 声 波法 对高 温后 混凝 土 的声速 变化 进行 了一 系列 的 试验 研究 , 结 果 表 明受 火 后 混 凝 土
10、 的 强度 和声 速 存 在 明显 的关 系 , 因 此超 声 波 检 测 法 完 全 可 以用 于火 灾 后混 凝 土损 伤深 度 的检 测 超 声 波 检 测 法 主要 有 超声波平测法和超声波逐层劈拉法 _ 6 _ 为 了方便超声波平测法 的使用 , C E C S 2 1 : 2 0 0 0 收稿 日期 : 2 0 1 1 - 0 3 1 8 ;修订 日期 : 2 0 1 1 - 1 0 2 5 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 0 8 2 3 5 ) ; 高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目( 2 0 0 8 0 2 4 7 1 0 8 9 ) 第一作者
11、: 余江滔( 1 9 7 5 ) , 男 , 湖北武汉人 , 同济大学讲师 , 博士 E - ma i l : y u j i a n g t a o t o n g j i e d u c 13 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 O 建筑材料学报 第 1 5 卷 超声 法检 测混 凝土缺 陷技 术规程 采 用 了多个 假定 来 简化超声 波平 测算 法 例如 , 将 混凝 土构 件 的损 伤 分 为受损 层与 未损伤 层 , 两者之 间人 为设定 界 限 ; 将 超声 波在 混凝 土 中的传播 路径 假定 为三折 线 型 在 受损 混凝 土 的两 端 为
12、斜 向直 线 , 在 未受 损 的混凝 土 中为 水平 直 线 ( 见 图 1 ) , 而 由此 推 定 的 混凝 土声 时( 传播 时 间 , ) 一 测 距 ( 2 a ) 曲线 为二 折 线 ( 见 图 2 ) C E C S 2 1 : 2 0 0 0规 程假 定 显然 与实 际 情况 有 一 定 的 差 距 , 而 且在 实 际检 测 中 , 声 时一 测距 曲线 往往 难 以 找到明显的两折线交点, 从而造成后续分析工作难 以进行 1 0 0 1 0 0 l O 0 1 0 O 1 O 0 r广 _ 一rr - _ _ 1 冈 l 超声波j折线型传播途径 Fi g 1 Ul t r
13、 a s on i c pr op a ga t i o n pa t h i n t h r e e be a t s t y pe ( s i z e: ram) 图 2 实测和 C E C S 2 l : 2 0 0 0规程的声 时一 测距 曲线 对比 Fi g 2 Co mpa r i s on of c u r ve s of pr o pa g a t i o n t i me ( t ) a nd me a s ur e d di s t a nc e ( 2 a)a c c o r d i ng t o me a - s ur e d da t a a nd CECS 21:
14、20 00 c o de 超声 波在 不 同混凝 土 深 度处 的传 播 路 径 ( z, ) 有无 限多 种 可 能 ( 参 见 图 3 l 7 ) 一 般 来 说 , 超 声 波 设备 都是 采集首 波声 时 在混凝 土未 受损 的情 况下 , 首波 一般 是在混 凝 土表 层 传播 , 也就 是 以图 3中最 接近直线的轨迹传播 受火后混凝土表 面的损伤会 造成声速的下降 在测距较长时, 首波可能会从表层 向下穿 越并 在 受损 较 轻 的混凝 土 中传 播 根 据 这一 原理 , C E C S 2 1 : 2 0 0 0规 程 以不 同测 距 上首波 声时 的 检测结 果 来 推 定
15、 混 凝 土 损 伤 深 度 ( D) 由于 C E C S 2 1 : 2 0 0 0规程采用了较多的假定来简化超声波平测 算法 , 造成 了较 大 的误 差 , 故本 文拟对 该算法 进 行改 进 , 以求达 到更好 的检测精 度 1 超声 波平测算法改进原理 1 1基本假 定 根 据相 关研究 结 果 可 知 : 单 面 受火 混凝 土 构 件 温度沿 混凝 土深度 方 向变化 曲线 为光 滑 双 曲线u I ; 当温 度 2 0 0 时 , 混 凝 土 的 力 学 性 能 , 如 抗 压 强 度 、 弹性模量 与 温度之 问基本 呈线 性关 系 , 但 温 度 在 0 2 0 0 时
16、, 混 凝 土 抗 压 强 度 变 化 平 缓 , 降 幅不 足 1 0 3 故本 文采 用 以下基本 假定 : ( 1 ) 受火后混凝土 的损伤变化与 曾经的温度 场 变化 保持 一致 ; 混 凝 土 中 的声 速 沿混 凝 土 深 度 方 向 以双 曲线 形式 逐 渐恢 复 , 即混 凝 土损 伤率 沿 混凝 土 深度 方 向以双 曲线形 式逐 渐减 小 , 如 图 4 所 示 ( 2 ) 不 同的测距 下 , 超 声波 在混凝 土 中 以抛 物 线 形 式传播 , 如 图 3所示 ( 3 ) 与正 常 声 速 相 比 , 声 速 降 幅小 于 l O 时 可 认 为混凝 土 已无 损 伤
17、 , 相 应 的混 凝 土 深 度 即为 混 凝 土 损伤 深度 ( D) 与 C E C S 2 1 : 2 0 0 0规 程 中 的假 定 相 比, 上 述 假 定 更贴 近实 际情况 一1 0 0 5 0 0 5 0 l 0 0 x mm 一1 2 O v m m 图 3 超声波抛物线 型传播路径 Fi g 3 Ul t r a s o ni c pr op a ga t i o n pa t h i n p ar a b ol i c t ype L J 。 Dam a ge m od el oi hy per b ol a: Dam a ge m ode l ot do ubl e
18、l i ne ar 图 4 混凝 土受 火损 伤模 型 Fi g 4 Da ma g e mo d e l o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o f i r e 1 2公式 推导 根 据基 本 假 定 ( 1 ) , 混 凝 土 中 超 声 波 声 速 ( V , m s ) 与混 凝土深 度 ( y , mm) 的关 系可表 示 如下 : = = =7 3 L 1 0一 ( Y+ f ) ( 1 ) 式 中 : 为 常量 , 表示 未 受 损 混 凝 土 中 超声 波 的声 0 -I o 日 写 0 学兔兔 w w w .x u e t u t
19、u .c o m 第 4 期 余江滔 , 等 : 受火后混凝 土损 伤深度的超声波检测算法研究 4 6 1 速 , m s ; m 和 c为待 定 系数 , 代 表 混 凝 土 损 伤 的情 况 如 能确 定 , c , 也 就 能推 算 出混凝 土 的损 伤 深 度 大 多数 受火 房 屋 都存 在 未 受 火 影 响 的 区域 , 故 值可 以很 容易 从这 些 区域 测得 当 Y一0时 , : 7 2 一 ( 1 0 一re c ), 即 i 表 示混 凝 土表层 中超 声 波 的声 速 可 以通 过 采 用 非 常 小 的 测 距 ( 如 1 0 ram) 检 测得 到 , 因 为 当
20、测 距 非 常 小 时 , 声 波 可 看 作 是沿 混凝 土表 面传 播 因此 , C的关 系如 下 : m c一 1一 ( 73 ) ( 2 ) 除 式 ( 2 ) 之外 , m, c的求 解 还 需 要 其 他 条 件 根 据 C E C S 2 1 : 2 0 0 0规 程 所 提 供 的 检测 方 法 , 混 凝 土 受火 后 取不 同 的测 距 ( 一 般 为 6个 测 距 , 测 距 间距 1 0 0 ram) 进行 平测 , 得 到各 测距 下 的声 时值 由 于受 火后代表混凝土损伤情 况的系数 , c 不会 随着测 距 的不 同而 改变 , 所 以可 以通 过 给定 m,
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- 受火后 混凝土 损伤 深度 超声波 检测 算法 研究
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