建筑混凝土結(jié)構(gòu)的脈沖激光無損檢測技術(shù)

河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450064

1 脈沖激光檢測原理

脈沖激光檢測作為最常見的無損檢測方法[1]。設(shè)置試件為均勻厚度的各向同性彈性板，脈沖激光沖擊的加載點(diǎn)在板的中心（圍繞圓對稱加載），為了確保試件不受損壞，在其中心用粘合劑粘貼一個(gè)與Nd：YAG 試件材料相同，其直徑和厚度都是1 mm，略大于激光點(diǎn)的保護(hù)體[2]。在分析中，根據(jù)柱坐標(biāo)，板的撓動方程得出公式即：

式中，D表示板的剛度，w(r,t)表示離面位移，ρ0表示板的單位面積質(zhì)量，P(r,t)表示單位面積載荷，?4表示雙調(diào)和算子，其表達(dá)式為：

試件板剛度D和彈性模量E、板厚H以及泊松比v各個(gè)參數(shù)之間的聯(lián)系表達(dá)式即：得出Q開關(guān)Nd：YAG 激光器輸出脈沖激光產(chǎn)生的脈沖即是狄拉克脈沖[3]，式（1）計(jì)算式如下：

式中，I表示沖量，r表示沖擊點(diǎn)到研究點(diǎn)兩者之間的間隔，t表示沖擊點(diǎn)開始之后的時(shí)長，α表示板參數(shù)其表達(dá)式，β表示相似系數(shù)，其表達(dá)式。

據(jù)式(3)可知，對于給定的試件和加載條件，該因子Iα/D作為常數(shù)，即沖擊點(diǎn)的位移為w0=Iα/8D，因此w(r,t)只與β具有相關(guān)性，β代表位移波在板中傳播的主要參數(shù)，只有當(dāng)沖擊為狄拉克脈沖時(shí)才有意義。如果零位移波振幅(w=0)的r值是從方程(3)中獲得的，則公式為：

式（4）代表各向同性板的位移波形是圓對稱的，得出等幅線是同心圓[4]，α0代表確定位移波零振幅位置因素。上述位移波在試件中傳播并遇缺陷時(shí)，發(fā)生畸變，在缺陷位置分層傳播，此變化通過脈沖激光技術(shù)有效記錄。

2 建筑混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)

2.1 基本原理

無損檢測技術(shù)具有分辨率高、精度高、檢測速度快、抗干擾能力強(qiáng)、操作方便等特點(diǎn)，是獲得混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土真實(shí)質(zhì)量的有效途徑[5]。需要設(shè)定鋼筋內(nèi)具有一個(gè)變阻抗面。z1=ρ1v1α1代表介質(zhì)上部的波阻抗，z2=ρ2v2α2代表介質(zhì)下部的波阻抗，當(dāng)鋼筋的端部受到瞬態(tài)沖擊時(shí)，當(dāng)波以應(yīng)力波的形式傳播到鋼筋底部，達(dá)到變阻抗界面時(shí)，會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象[5]。根據(jù)連續(xù)性條件和動量守恒定理，可以得到反射系數(shù)R和折射系數(shù)T，其表達(dá)式如下：

上式中ρ1介質(zhì)上部密度，α1橫截面面積，ρ2介質(zhì)下部密度，α2橫截面面積，v1波在介質(zhì)下部的密度，介v2質(zhì)下部內(nèi)的傳播速度。l鋼筋錨固長度，l1鋼筋自由段長度。

2.2 固結(jié)波速

固結(jié)波速代表應(yīng)力波在建筑混凝土中的傳播速度，是衡量建筑混凝土質(zhì)量的重要參數(shù)。當(dāng)混凝土的剛度和阻尼與鋼筋相當(dāng)時(shí)，鋼筋振動特性將受到一定程度上的影響[6]。為了簡化計(jì)算，作了以下假設(shè)：（1）鋼筋在彈性極限內(nèi)振動時(shí)，桿內(nèi)各顆粒變化據(jù)虎克彈性定律的低應(yīng)變動力進(jìn)行。激振力較小能夠控制；（2）混凝土拉壓性能有明顯差異，低應(yīng)變情況下，這種假設(shè)可以滿足此條件，并且可以忽略這一差異；（3）鋼筋受外界因素影響而發(fā)生振動，截面平直。鋼筋直徑d和鋼筋長度l兩者比值l/d≤1/10，符合條件。

合理控制鋼筋錨固段的體積是必要的，鋼與混凝土的連續(xù)方程表達(dá)式如下：

式（7）和式（8）中可知，ρ1與ρ2代表的是控制體內(nèi)鋼筋和混凝土的密度，A1與A2代表的是控制體內(nèi)鋼筋和混凝土的橫截面積，ρ′1與ρ′2代表準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變狀態(tài)下材料的密度，A′1與A′2代表準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變狀態(tài)下材料的面積，vc代表波震面?zhèn)鞑ニ俣龋瑅代表質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的速度[7]。

波震前段不會被其他因素干擾，伸長率ε與正應(yīng)變εx兩者相等。通過love運(yùn)動學(xué)條件得出公式：εx1=εx2=ε=εx=-v/vc。其中，εx1與εx2建筑鋼筋和混凝土正應(yīng)變，準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變區(qū)內(nèi)，材料單向應(yīng)變關(guān)系為：

上式中，σx1與σx2所描述的是鋼筋和混凝土的單向應(yīng)力，C1與C2所描述的是鋼筋和混凝土的換算剛度系數(shù)。公式（9）和（10）結(jié)合后，平均應(yīng)力：

其中，V1與V2所描述的是控制體內(nèi)鋼筋和混凝土的體積百分比[8]。

在控制容積內(nèi)，切應(yīng)力又能夠作為內(nèi)應(yīng)力，不會對總動量平衡產(chǎn)生任何影響，基于此，能夠得出動量平衡方程表示即：

當(dāng)面對小應(yīng)變時(shí)，取A′1/A1=A′2/A2=1，通過將公式（12）和公式（11）結(jié)合起來獲得波震面速度，其表達(dá)式為：

在公式（13）中的分母作為平均密度，由混合規(guī)則得出結(jié)果相同。其中，將ɑ=A1/A2，當(dāng)ɑ→0 時(shí)，混凝土中的固結(jié)波速vc趨于應(yīng)力波速度。當(dāng)ɑ→∞時(shí)，應(yīng)力波在鋼筋中的傳播速度。因此，固結(jié)波的傳播速度介于鋼筋中的應(yīng)力波和混凝土中的應(yīng)力波之間，證明了脈沖激光的建筑混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)的高效性。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

本文設(shè)定已知材料厚度和雷達(dá)波在混凝土空氣分層表面上的雙向傳播時(shí)間，其相對介電常數(shù)為9，傳播速度為0.1 m/ns，通過上述參數(shù)可以得到TS-1 和TS-2 的厚度和每根鋼筋的埋深，具體內(nèi)容在表1 中展現(xiàn)。

表1 鋼筋埋置深度表Table 1 Embedded depth of reinforcement

通過上表中計(jì)算結(jié)果表明，相對誤差控制在5%左右，滿足實(shí)際工程要求。驗(yàn)證了脈沖激光能準(zhǔn)確識別混凝土結(jié)構(gòu)層厚度和鋼筋深度。本文所提無損檢測技術(shù)具有高效性，具體內(nèi)容如圖3 所示。

圖3 檢測性能對比Fig.3 Comparison of detection performance

通過圖3 可知，本文所提出的技術(shù)是檢測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)的一種可行而有效的方法。與其他兩種技術(shù)相比較，可以快速無損的對建筑混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測，具有顯著優(yōu)越性。

4 結(jié)論

針對建筑結(jié)構(gòu)安全性能較低的問題，本文提出一種基于脈沖激光的建筑混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)，通過脈沖激光原理得到材料缺陷部分的參數(shù)；通過錨桿質(zhì)量原理，建立變阻抗面，得出了波在變阻抗面上傳播的反射系數(shù)和透射系數(shù)。然后，合理控制鋼筋錨固截面的體積，降低鋼筋的振動強(qiáng)度。通過運(yùn)動學(xué)條件得到了建筑材料的正應(yīng)變并運(yùn)算出波面速度。根據(jù)固結(jié)波速的變化程度來確定混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，最終完成無損檢測。與其他方法相比，本文方法具有顯著優(yōu)越性和安全性。