超声阵列方法在层状结构损伤检测中的应用.pdf
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1、第 42 卷 第 5 期Vol.42,No.52023 年 9 月Journal of Applied AcousticsSeptember,2023 研究报告 超声阵列方法在层状结构损伤检测中的应用张 邦(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)摘要:层状钢筋混凝土结构常见的裂缝、层间离缝等损伤具有尺度小、隐蔽的特点,常规检测方法无法对其精确查明与定量评价。以高铁层状无砟轨道结构为研究对象,使用阵列式超声装备采集半矩阵数据,利用全聚焦算法对轨道内部结构及损伤成像,通过线性旅行时插值射线追踪算法计算超声波在层状介质中传播的最短到达时间代入全聚焦成像公式,具有深度准确、分辨率高、聚焦性好
2、的特点。提出一种层间密实度评价方法,以表面超声直达波能量为基准分析反射波能量差异计算密实指数,可定量分析无砟轨道层间状态。文中层状介质的检测和层间损伤定量评价方法有效查明层状无砟轨道层内裂缝和层间离缝,对使用超声波检测层状结构及层间损伤具有借鉴意义。关键词:层状结构;无砟轨道;全聚焦方法;射线追踪;定量分析中图法分类号:O426.9文献标识码:A文章编号:1000-310X(2023)05-0963-08DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2023.05.009Application of ultrasonic array method in damage detect
3、ion oflayered structuresZHANG Bang(China Railway Fourth Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)Abstract:The damage of layered reinforced concrete structure,such as cracks and disjoint between layers,issmall and hidden.It can not be accurately identified and quantitatively eval
4、uated by conventional detectionmethods.The layered ballastless track structure of high-speed rail is taken as the research object.The half-matrix data are collected by the array ultrasonic equipment,and the internal structure and damage of the trackare imaged by the total focusing method(TFM).The sh
5、ortest arrival time of ultrasonic wave propagation inlayered media is calculated by linear travel time interpolation(LTI)ray tracing algorithm.As a result,TFM hashigher resolution,more accurate depth,and better focus.An evaluation method of interlayer compactness isproposed.The density index is calc
6、ulated by analyzing the difference of reflected wave energy based on surfaceultrasonic direct wave energy,which can quantitatively analyze the interlayer state of ballastless track.In thispaper,the method can effectively identify the intra-layer cracks and interlayer separation cracks of lamellarbal
7、lastless track,which has a reference significance for the use of ultrasonic detection of lamellar structure andinterlayer damage.Keywords:Layered structure;Ballastless track;Total focusing method;Ray tracing;Quantitative analysis2022-05-19收稿;2022-11-01定稿湖北省重点研发项目(2021BAA050),中铁第四勘察设计院集团有限公司重点研发项目(20
8、20K37)作者简介:张邦(1991),男,湖北仙桃人,硕士,研究方向:铁路工程无损检测技术。通信作者 E-mail:9642023 年 9 月0 引言层状钢筋混凝土是工程建筑中常见的一种结构,各层结构内部损伤以及层间离缝脱空直接影响到整体结构性能。高铁无砟轨道是一种典型的层状结构,主要由上层的轨道板、下层的支承层以及层间的砂浆层构成。无砟轨道直接承载着高速列车通行,其质量好坏、病害与否直接关系到列车运营安全。作为一种露天放置、反复承受列车荷载的层状结构,无砟轨道在长期服役过程中,在列车荷载、温度变化、基础变形以及混凝土自身收缩变形的影响下容易产生裂缝、离缝、脱空等缺陷。目前我国运营高铁里程超
9、过4 104km。国内针对高铁无砟轨道无损检测的研究较多,常见物探方法主要有:地质雷达法、冲击回波法等。地质雷达探测方法以其高效、无损的特点被广泛用于高铁轨道缺陷探测。廖建红等1通过数值模拟的方法给出了砂浆层缺陷的雷达图像特征;张邦2使用地质雷达探测沪杭高铁无砟轨道沉降及并结合注浆前后雷达资料评价治理效果,然而使用地质雷达方法受到高铁无砟轨道混凝土结构内部钢筋网的干扰屏蔽作用,导致缺陷检测的精细程度不高。冲击弹性波响应方法主要用于查明轨道板以及支承层间病害,汤政3、武思思4、钟鹏飞等5对高铁无砟轨道线下不同层间病害建立物理实验模型进行理论分析,通过弹性波动力学响应及时频特性判断轨道缺陷,该类方
10、法根据缺陷部位对弹性波的振动响应差异来判识轨道线下结构病害,只能做到定性判识缺陷位置,无法定量评估缺陷的深度及大小。超声波方法用于混凝土结构的检测较多。严武平等6对使用单点超声波法检测高铁轨道板层间缺陷,利用频谱特征定性地分析层间离缝。张邦等7结合超声波方法和地质雷达方法联合检测轨道板沉降缺陷,取得了一致的效果。杨春8研究了分层物体的超声检测方法,使用合成孔径方法采集的小孔径数据,利用延迟叠加的方法合成大孔径以提高成像精度,但是使用小孔径采集模式无法得到混凝土结构的超声波速度,不利于精确成像。本文使用超声波半矩阵-全聚焦方法(Total fo-cusing method,TFM)结合线性旅行时
11、插值(Lineartravel time interpolation,LTI)射线追踪算法,对层状无砟轨道结构进行高精度成像,并通过反射波能量特征,提出定量的缺陷检测方法,用于评估无砟轨道结构层间离缝状态。1层状结构常见损伤特征与检测方法1.1层状结构常见损伤特征层状混凝土结构在服役过程中产生的常见损伤主要有各层状结构内部裂缝、断裂损伤以及层间离缝、脱空等。这些结构损伤具有隐蔽性强和尺度小的特点,肉眼难以发现。部分损伤如表面的裂缝可直接观察,但是其发育的深度无法直接测量。以运营高铁无砟轨道为列,从上到下依次为轨道板(厚25 cm)、砂浆层(厚3 cm)、支承层(厚约30 cm)。运营过程中产生
12、的层间离缝、脱空等缺陷尺度极小,通常只有数毫米,少数达到厘米级,且外部难以发现,而轨道板与支承层内裂缝尺度更小,往往不到1 mm。另外,混凝土结构内部成分复杂,钢筋密布,给缺陷的高精度检测带来了较大的挑战。针对层状无砟轨道砂浆层不密实、脱空、离缝等缺陷,建立无砟轨道层间损伤数值模型(图1),利用弹性波方程有限差分法进行数值模拟。(a)?(b)?0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1000 1500 2000 2500 3000?/m?/m?/(mSs-1)图1无砟轨道与层间病害数值模型F
13、ig.1Ballastless track and numerical model ofinterlaminar damages第42卷 第5期张邦:超声阵列方法在层状结构损伤检测中的应用965各类损伤模型以图1(b)所示的模型为基础,模拟不密实缺陷时,设置病害区横波速度为1000 m/s;模拟脱空时,砂浆层缺陷横波速度设为0 m/s;模拟离缝时,离缝区域速度为0 m/s,厚度为0.01 m,离缝分别出现在砂浆层顶部和底部。使用0.01 m规则网格对模型剖分,主频40 kHz 雷克子波作为声源,按0.01 m道间距进行数值模拟,不同缺陷模型模拟声压剖面如图2所示。?/ms?(a)?(b)?(c
14、)?(d)?1 101201301401501601701800?1 101201301401501601701800?1 101201301401501601701800?1 10120130140150160170180000.51.01.52.02.500.51.01.52.02.500.51.01.52.02.500.51.01.52.02.5图2砂浆层缺陷数值模拟Fig.2 Numerical simulation of defects in mortar layer图2为砂浆层缺陷(不密实、脱空、离缝)数值模拟结果。图2(a)中,对于砂浆层松散缺陷,会在松散区端部产生绕射,低速松散
15、区会导致砂浆层底部即支承层顶界面反射同相轴相对其他位置有延迟,且会产生多次波。图2(b)中,砂浆层灌注不饱满导致的脱空,会在砂浆层顶部产生很强的反射波,且超声波无法穿透脱空区域,导致下部支承层顶底界面无反射,同时,脱空区域两端也会产生绕射波。图2(c)为砂浆层顶部离缝模拟记录,离缝厚1 cm,与脱空(厚度5 cm)情况相同,由于超声横波无法穿透空气,此时离缝与脱空对超声横波产生的效果相同。当离缝在砂浆层底部时(图2(d),离缝部位会产生较强的反射波,且离缝反射同相轴会比砂浆层底界面反射同相轴到时更短,离缝反射波会在砂浆层间多次震荡,能量逐次衰减。1.2超声波检测方法超声波在混凝土结构中的传播机
16、理复杂,会在混凝土内部石块、钢筋、裂隙、孔隙等内部阻抗界面上发生反射、散射、波场转换等,这种情况下,对混凝土结构内部微小的裂缝、离缝及脱空进行准确的探测难度较大。通常层状混凝土结构中的裂缝以及层间离缝等缺陷充填着空气或水等流体介质,而横波无法在流体介质中传播,因而对上述缺陷更为敏感。另外,横波相比纵波波速更低,波长更短,具有更高的分辨率。本文采用MIRA A1040型混凝土检测设备采集数据,该设备通过12通道换能器组成线性阵列,各换能器间距3 cm。换能器(图3)通过点接触硬耦合方式直接作用于检测面,探头尖端与轨道板表面接触点直径约1 mm,数据采集过程中无需使用耦合剂。超声换能器带宽为258
17、0 kHz,直接激发超声横波,通过接触点向检测对象发射和接收信号。图3超声点接触干耦合探头Fig.3 Ultrasonic point contact dry coupled probe超声横波在无砟轨道混凝土结构中的传播速度范围在2600 3200 m/s,使用50 kHz脉冲信号进行数据采集。在检测面上等间距布置测线、测点组成测网,测点间距为0.2 m,每个测点使用换能器阵列按如图4(a)示意方式采集半矩阵数据并进行TFM成像910。换能器排列从左到右,第1个探头发射时,其右边11个探头接收信号,第2个探头发射时,其右边10个探头接收信号,阵元接收到的信号记为Rij,其中i为发射阵元编号(
18、1 6 i N),j9662023 年 9 月为接收阵元编号(i j 6 N)。按此方式每个探头发射时,其右边所有探头接收信号,最终得到半矩阵数据,如图4(b)所示。完成一次采集共可以得到66道数据,实现该线性阵列的半矩阵数据采集,如图5所示,图中超声直达波和反射波明显,蓝线为前两个探头激发时的表面直达波,红线为层状介质界面反射波信号。(a)?(b)?RRRRRN?RRRRN?i?RiRiN?N?RNN图4超声阵列半矩阵数据采集示意Fig.4 Ultrasonic array half matrix data acquisi-tion diagram?/ms?66605040302010100
19、.10.20.30.40.5图5超声阵列半矩阵记录Fig.5 Ultrasonic array common shot point gather2 层状结构成像原理2.1TFM原理对点接触换能器阵列采集的半矩阵数据,使用TFM对层状混凝土结构进行成像。TFM成像示意图如图6所示。?/ms?/mSGRitiTSTgM图6全聚焦叠加原理示意图Fig.6 Schematic diagram of kirschhoffdiffractionsuperposition principle对半矩阵中的单个回波记录成像时,记发射点为S,接收点G,则聚焦点为M 的成像幅值SM为SM=2n(n 1)ni=1nj
20、=iRij(ti,j),(1)式(1)中,Rij(ti,j)为半矩阵数据中第i/j 个探头对激发/接收到的信号,其中ti,j为发射点S 到聚焦成像点M 最短传播时间tS和成像点M 到接收点G的传播时间tG之和。对单一混凝土介质,ti,j的计算可通过距离除以时间得到;但是对于层状混凝土结构,进行精确成像需要得到超声波在各层混凝土结构中的传播速度v,和成像点到激发和接收点的传播路径以及最短时间tS、tG。2.2最短时间计算超声波在上下速度存在差异的层间介质中传播时会产生折射现象,可使用射线追踪计算超声波在层间传播的最短时间,以及对应的路径。利用LTI方法计算超声波在层状轨道板结构中传播的最小时间与
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