应力检测(精选九篇)
应力检测 篇1
液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系—般分为三大类支撑式、掩护式、支撑掩护式三类[1]。采面围岩以外载的形式作用在液压支架上, 在施工中, 重要的是使液压支架的各支承件合力与顶板作用在液压支架上的外载合力在同一直线。
本文在分析液压支架受力模型的基础上, 结合工程实践经验, 确定应力较大的容易发生故障的点, 设计检测电路对这些部位进行监测。
1 液压支架的故障分析
液压支架主要由支撑框架和液压及控制系统组成, 承受重载和冲击, 工作环境恶劣。实践和有关统计资料表明, 在生产过程中, 大部分故障是因为各种失效引起的, 导致液压支架故障的主要原因有两个: (1) 人为因素及地质条件引起; (2) 机件失效而引起[1]。其中, 由于承载过大或受力不均造成液压支架某些部件断裂, 会产生极大危害, 应该采取有效的预防措施。
底座是液压支架整体结构受力最为复杂和集中的部位, 由于外载的变化及地质条件的影响, 底座受力情况复杂, 在工作的工程中除了支撑力, 还往往受到扭转力作用, 可能产生裂纹及裂纹扩展。因此, 底座常常表现为主筋断裂和球窝碎裂这两种故障。
文献[3]用有限元分析法对某型液压支架进行了受力分析, 结果表明:顶梁 (底座) 两端受集中载荷时, 中部会有较大的变形, 柱窝四周应力较大;顶梁 (底座) 受扭时, 载荷的同侧变形不大, 而另一侧会发生很大变形, 筋板与盖板连接处应力会很大, 在顶梁方垫块处受力最大[3]。
根据上述分析, 对受力较大的部位进行应力监测。
2 应力检测电路设计
电阻应变计是一种用途广泛的高精度力学传感元件, 它能把构件表面的变形量转变为电信号, 其工作原理是基于金属导体的电阻-应变效应。
设一根金属电阻丝, 其材料的电阻率为ρ, 原始长度为L。假设其横截面是直径为D的圆形, 面积为A, 初始时该电阻丝的电阻值为R:
金属丝长度的相对变化即应变, 表示为,
在常温下, 许多金属材料在一定的应变范围内, 电阻丝的相对电阻变化与丝的轴向长度的相对变化成正比。即:
式中, Ks为单根金属丝的灵敏系数。根据这一规律, 即可设计出将应变信号转换为电信号的电阻应变计。
应力检测电路采用电桥, 如图1所示, 其中NI是恒流源, 电流I=10 mA。缓冲器、电阻应变片RS1、RS2和内部取样电阻RS3、RS4组成电桥。恒流源与模拟多路开关串接后接在桥路的输入端, 在取样电阻RS3、RS4前串接缓冲器, 作用是内半桥通过缓冲器采用恒压驱动, 恒流经过模拟多路开关, 再经过导线、应变片RS1、RS2在A、B点产生电压, 再由两个缓冲器在D点产生电压, VB、VD送放大器放大、滤波、AD转换等。
由 (图1) 可知:
式中, r是导线电阻, RS1、RS2是应变片电阻, RS3、RS4是取样电阻。对于公共补偿测量, 工作片RS1=R+ΔR, 补偿片R2=R。设RS3=RS4, 则
对于二片测量, 及半桥模式工作片RS1=R+ΔR, 工作片R2=R-ΔR, 有
对于四片测量, 则不需加缓冲器, RS3、RS4同样是工作片, 经简单计算, 电桥输出
由分析可知, 该电路的输出只与激励电流、应变片电阻、应变片灵敏系数及应变值有关, 与导线电阻无关, 也与模拟多路开关导通电阻无关。同时, 对于大应变测量, 该桥路也没有非线性, 精度高。
由当∆R=±2Ω即满负载时,
采用仪表放大器AD623, 供电电压5 V, 参考电压基准REF=2.5 V。选择放大倍数120倍, 将±20 mV的电桥输出差模电压动态范围可放大至0.1~4.9 V。
电桥的两个端点分别接到AD623的正负电压输入端进行差分放大, 放大倍数由电阻值设定, 其增益计算公式为
电阻值为840Ω, 放大倍数为120倍。
电桥输出的信号经差分放大后被送入低通滤波单元, 选择二阶有源低通滤波网络, 由于电阻应变片用于静态测量, 信号频率很低, 故选择截止频率
经放大滤波后的信号即可作为普通模拟量信号接入现有的液压支架控制系统[4]。
3 AD转换
当应力检测点比较多时, 控制系统模拟量输入的成本较高。为降低成本, 可以把前述检测信号, 经AD转换器转换成数字量处理。
根据前面计算和系统要求, 选用的AD转换器至少有0.16 mV的分辨率, 若以5 V供电, 则AD转换器为15位即可满足分辨率要求。本设计选用16位AD转换器ADS7807。ADS7807采用单5 V电压供电, 是一款低功率16位模拟数字转换器, 带有采样保持、时钟、内部参考电压和并行串行微处理器接口。ADS7807的最大转换时间为2.5μs, 误差±1.5LSB。ADS7807可以提供工业标准的-10~10 V, 0~5 V和0~4 V三种满量程范围, 使用灵活方便[5]。
根据检测电路的计算, 应选择0~5 V输入电压范围, 并行总线输出数据, 内部时钟模式, 参考电压选择电桥的参考电压, 以减少误差。
ADS7807的转换通过管脚CS和RC实现的。CS和RC同时保持低状态至少40 ns, ADS7807进入保持状态并开始转换, BUSY脚变低直到转换结束, 这时内部输出寄存器的值被更新。因此通过查询BUSY管脚的状态就可以知道转换是否结束, 进而进行转换数据的读取。当与BYTE为低时, 数据线是转换结果的高8位, 当BYTE为高时, 数据线出现转换结果的低8位。通过两次读取就可得到转化的16位数据[6]。
综上所述, 通过恒流电桥的作用, 电阻应变片电阻的变化转化为电桥输出的变化, 再经过放大、滤波、模数转换, 变为可被处理的数字信号。
ADS7807与51系列单片机的连接如 (图2) 所示。
4 结语
本文设计了液压支架应力检测电路, 可对液压支架应力集中、容易损坏的部位进行实时监测, 对这类故障进行预报和预警, 对采掘工作人员的安全保护都很有意义。实验证明, 该电路的精确性和稳定性能够适应井下生产环境, 满足生产需要。
参考文献
[1]孙洪飞.煤矿液压支架应用现状与发展趋势[J].民营科技, 2013, 1:148.
[2]李飞谷.煤矿液压支架故障分析及应用[J].矿业天地, 2008, 10:304.
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[4]杜欢兴, 夏润生, 张桂茹, 等.液压支架分布式计算机控制系统[J].创新科技导报, 2012, 32:166-167.
[5]http://www.ti.com.cn.
应力波木材无损检测的研究现状3 篇2
应力波木材无损检测的研究现状
3Kang等人[10]研究了木材的含水率与温度对应力波传播速度和信号频谱的影响,并在图形上标明它们之间的关系。JacKyung等人[11]用应力波技术研究了木材弹性模量、拉伸强度与纹理角度之间的关系。发现,随着纹理角度的增加,木材弹性模量与拉伸强度都会降低,木材弹性模量的变化满足了Hankingson方程,而且在纹理为角0-13度的范围内,基于测定的数据,利用Hankingson方程可以描述拉伸强度的变化曲线。关于应力波传播理论,国际上也出现了一些研究成果
[12-14],大多数研究都是通过试验分析来验证其可行性。在应力波木材图像重建这块中,Divos等人[15]采用不同数量传感器检测立木内部腐朽所得的结果图像存在差别,提出应考虑不同传播方向波速大小的区别。Nicolotti等人[16]采用超声波影像技术检测树木的腐朽情况,得出根据树木的特性,可以使用声波断层成像技术准确定位立木的腐朽部位、判断其面积大小和形状;同时发现传感器与树干连接部位、木材内部特性、声波衰减和传感器空间分布都会对检测结果产生影响[17]。Glibert等人[18]利用现有成像仪器等研究了13株立木27个截面,发现边缘部分图像质量显著低于树干内部。Divos等人[19]研究和讨论了应力波断面成像技术的原理和计算方法,认为用于传播检测的应力波信号频率、应力波检测点数量和图像反演的算法将影响图像的分辨率。
预应力混凝土连续箱梁静载验检测 篇3
某匝道桥跨径布置为31.00m+31.00m+31.00m =93.00m,匝道横坡为单向1.50%。桥梁全度为9.00m,横断布置为:(0.50m(桥侧护栏)+8.00m(车行道)+0.50m(桥侧护栏)。
桥梁上部结构为单箱单室斜腹板预应力混凝土连续箱梁,箱梁顶板厚25.00cm,底板厚22.00cm,腹板厚50.00cm~80.00cm,箱梁悬臂长1.90m,悬臂端部厚度为0.20m,悬臂沿弧线一直延伸至主梁底板。主梁兩侧悬臂设置0.12m后浇带,与墙式护栏混凝土同期进行浇筑,箱梁高度为1.80m。设计荷载:公路—Ⅰ级。通过静载试验直接了解桥跨结构的实际工作状态,判断实际承载能力,评价其在设计使用。
二、荷载试验内容
通过荷载试验测试主梁控制截面在试验荷载下的应变(应力)、变形和偏载作用下箱梁横截面的应力(变形)分布。荷载试验分别采用对称加载和偏心加载两种加载方式。
三、荷载试验测试
3.1加载车辆选择。采用6辆设计车重40吨翻斗汽车加载,荷载试验效率在96%-97%之间,满足荷载试验规程要求。
3.2测试截面、测点布置及荷载试验工况。根据桥梁的桥型、跨径分布以及连续梁影响线的分布情况,同时根据结构相近桥梁荷载试验经验,支座压缩量、墩沉降量占跨中挠度的1~2%,其影响很小,因此本次试验未在墩顶处设挠度测点。测试断面选取A-A截面(边跨跨中)、B-B截面(墩顶)、C-C截面(中跨跨中),考虑到墩顶截面受力状态比较复杂,墩顶工况应变测点布置在横隔板前端处,墩顶截面梁底布置3个应变测点,跨中截面梁底布置3个应变测点;跨中截面挠度横向布置3个测点。
四、试验结果及分析
4.1 挠度测试结果分析。本次荷载试验各工况实际加载位置进行布置。采用精密电子水准仪Leica DNA2对目标挠度点位进行了测试,并与理论挠度计算结果进行了对比分析。各测试断面实测挠度值小于理论计算挠度值,平均挠度校验系数在0.80~0.87之间,说明主梁竖向抗弯刚度满足设计和规范要求,结构工作性能较好。卸载后实测各测试截面在试验荷载作用下的相对残余变形较小,实测边跨跨中最大残余变形为7.6%、中跨跨中最大残余变形为8.6%,小于规范容许值20%,表明结构处于良好的弹性工作状态。在对称荷载作用下,箱梁两侧相应测试点的竖向挠度基本相等,说明桥梁结构整体工作性能较好。
4.2应变测试结果分析。本次荷载试验各工况实际加载位置分别布置。根据测点布置,应变测试断面几何特性以及在试验荷载下的计算应变结果如表4-2所示,混凝土弹性模量按C50取E=34500MPa。表4-3为试验结果与理论分析对比情况。在试验荷载的作用下,各测试断面的实测应变值小于理论计算应变值,平均应变校验系数在0.66~0.69之间,说明箱梁的强度满足设计与规范要求,结构工作性能较好。卸载后,实测各测试截面在相应试验荷载作用下的相对残余应变较小,实测最大相对残余应变为3.2%,小于规范容许值20%。表明结构处于良好的弹性工作状态。在对称荷载作用下,箱梁两侧对应测试点的纵向应变基本相等,说明箱梁整体工作性能较好。
4.3 偏载测试结果及分析。为得到桥梁上部结构在偏心荷载作用下受力及变形情况,选取边跨跨中和中跨跨中进行偏心加载。试验得到的主梁挠度值列于表4-4,应变实测值列于表4-5。箱梁偏载系数是指汽车偏载时,相应于偏心方向的最大挠度(应变)与汽车偏载布置时的挠度(应变)平均值的比值,可由下式计算:
根据实测结果,本试验工况按挠度计算得到测试断面最大偏载系数为1.10,按应变计算测试断面最大偏载系数为1.14,偏载系数在通常范围内。
五、静载试验结论
(1)在静力试验各加载工况下,测试断面实测挠度值小于理论计算挠度值,平均挠度校验系数在0.80~0.87之间,说明结构竖向抗弯刚度满足设计和规范要求,卸载后实测各测试截面相对残余变形较小,小于规范容许值20%,说明结构处于良好的弹性工作状态。在对称荷载作用下,箱梁两侧对应测点相应测试点的竖向挠度基本相等,说明箱梁整体工作性能较好。
(2)在静力试验各加载工况下,测试断面的实测应变值小于理论计算应变值,平均应变校验系数在0.66~0.69之间,说明结构强度满足设计和规范要求。卸载后实测各测试截面相对残余应变较小,实测最大相对残余应变为3.2%,小于规范容许值20%。表明结构处于良好的弹性工作状态。在对称荷载作用下,箱梁两侧相应测试点的纵向应变基本相等,说明箱梁整体工作性能较好。
(3)通过偏载试验,按实测挠度计算得到测试断面最大偏载系数为1.10,按应变计算得到测试断面最大偏载系数为1.14,偏载系数在通常值范围内。
预应力管桩检测实例分析 篇4
通过对大量管桩工程的检测工作的实践和总结, 我们同样不能忽视管桩在设计、施工中所容易出现的问题。
1 PHC管桩的竖向抗压能力较强, 水平抗推能力较差
某电厂新建工程, 由于工程上部结构和设备荷载较大, 对地基承载力和变形要求较高, 根据已有勘测资料, 场地地层土物理力学指标较差, 承载力较低, 不能满足拟建建筑物对强度及变形的要求, 需进行地基处理。
设计单位为比对孔底后压浆泥浆护壁灌注桩与预应力混凝土管桩方案的使用效果, 在B区进行两种桩型的水平静载试验。
孔底后压浆泥浆护壁灌注桩资料及检测方法见表1。
孔底后压浆泥浆护壁灌注桩的水平测试结果见表2。
预应力混凝土管桩的水平测试结果见表3。
对3根灌注桩水平试桩进行统计, 极差小于平均值的30%, 试桩的水平临界荷载统计值为135kN。单桩水平承载力特征值取135kN。对3根静压桩水平试桩进行统计, 极差小于平均值的30%, 试桩的水平临荷载统计值为95kN。当单桩水平承载力特征值按桩身强度控制时, 取95kN。
试验结果表明, 在同一地质条件下, 预应力管桩与相同直径和桩长的灌注桩相比, 水平承载能力小近30%。预应力管桩桩身混凝土强度高, 可高达C80, 能打入密实的砂层及强风化岩层, 桩尖进入密实的砂层或强风化岩层后经过强烈的挤压, 改变了桩尖周围的砂层和岩层的原始状态, 桩端的承载力可提高80%~100%。但由于PHC管桩的水平抗推能力较差, 因此一定要从设计计算, 施工土方开挖、打桩 (静压) 顺序等方面综合考虑, 才能避免或减少工程质量事故的发生。
2 当施工过程中发生桩身断裂或需除掉桩头盖板时, 基桩竖向承载能力受影响程度较大
以哈尔滨市某房地产开发公司拟建电子科技大厦工程为例, 该工程由3栋22层综合楼, 2~4层商服楼及地下车库组成, 总建筑面积77758.8m2, 场地位于哈尔滨市道外区南通大街, 建筑物基础拟采用静压管桩, 在工程桩进行施工前, 对建筑区域内的9组试桩进行检测, 确定单桩承载力特征值, 为工程桩设计提供依据。试桩资料及检测方法见表4。
1#、2#、3#、4#、6#桩施工过程中, 采用螺旋钻机进行引孔, 引孔直径为500mm, 引孔深度小于设计桩长1m。8#试桩在施工过程中桩身断裂;3#、5#、6#试桩测试前, 截去了高度约300~400mm的桩身, 因此3#、5#、6#、8#试桩在检测时, 均没有桩头盖板。检测结果统计表, 见表5:
对检测结果进行分析:当桩头盖缺失时, 对管桩的竖向承载能力影响较大, 尤其是施工过程中发生桩身断裂的8#试桩, 其承载能力仅达预估值的30%。
静压桩沉桩控制是按设计标高, 压桩力和稳压下沉量相结合的原则, 并根据地质条件和设计要求综合确定, 因此施工完毕后必然会出现部分基桩桩顶标高, 高于承台地面标高, 此时须将高出部分截去。目前哈市地区范围内截去桩头的方法, 均是采用无齿锯切割, 很多的工程人员为节省时间和材料, 只切割带有主筋部分的混凝土桩身, 然后采取用大锤敲击的办法, 将桩顶部分盖板打掉, 使桩顶部分遭到人为破坏, 为工程安全埋下隐患。
分析发生施工过程中桩身断裂的主要原因有以下几个方面:桩身在施工中出现较大弯曲, 在集中荷载作用下, 桩身不能承受抗弯度;桩身在压应力大于混凝土抗压强度时, 混凝土发生破碎;制作桩的水泥标号不符合要求, 砂、石中含泥量大, 石子中有大量碎屑, 使桩身局部强度不够, 施工时在该处断裂;桩在堆放、起吊、运输过程中采取安全保护措施不当, 也会使桩身产生裂纹或缺陷。
预防措施:施工前, 应清除地下障碍物。每节桩的细长比不宜过大, 一般不超过30;在初沉桩过程中, 如发现桩不垂直应及时纠正。桩打入一定深度发生严重倾斜时, 不宜采用移动桩架来纠正。接桩时, 要保证上下两节桩在同一轴线上;桩在堆放、起吊、运输过程中, 应严格按照有关规定或操作规程执行;普通预制桩经蒸压达到要求强度后, 宜在自然条件下再养护一个半月, 以提高桩的后期强度。
结束语:预应力管桩具有的优势使其广泛应用在工业与民用建筑中, 但同时由于其自身的缺点, 容易在设计、施工过程中出现质量安全隐患, 所以必须要严格按照施工方法与质量要点进行控制, 避免发生建筑安全质量事故。
摘要:结合某工程中的管桩工程的检测工作, 探讨如何解决管桩在设计、施工中所容易出现的问题。
铁磁材料单向应力无损检测实验研究 篇5
1 传感器的结构与原理
1.1 传感器的结构及基本参数[8,9,10,11]
传感器由1个“工”字形检测铁芯和5个线圈构成的四磁极装置,其结构示意图如图1所示.利用脉冲变压器的EI硅钢片加工形成T字形和一字形硅钢片,采取T字形、一字形和一字形、T字形交错穿插装配,使结构对称.传感器的铁芯材料选用脉冲变压器高导磁率、损耗小的硅钢片,片厚0.5 mm,52片叠厚26 mm.励磁线圈N-I绕在交错穿插的T字形中间柱上,采用0.2 mm漆包线在骨架上绕制200 T;4个磁极上分别缠绕参数一致的检测线圈N-1,N-2,N-3和N-4,每个检测线圈均使用0.05 mm漆包线在骨架上绕制600 T.
线圈N-1和N-2正向串接,N-3和N-4正向串接,然后将2个串接后的绕组再反向串接,形成反相差动连接,其电路接线图如图2所示,利用该电路对应力信号进行提取.实验试件板尺寸为380 mm×50 mm×2 mm,所用的标准补偿试件尺寸为136 mm×50 mm×2 mm.
1.2 传感器的工作原理
传感器用于检测平面应力时,利用磁极E1和E2接触或接近被测试件,使磁极E3和E4接触或接近标准补偿试件.励磁线圈N-I产生的总磁通量为Φ,通过检测线圈N-1,N-2和N-3,N-4的磁通分别为Φ1-2和Φ3-4.图3给出了传感器的等效磁路.
当没有应力作用在待测试件上时,由于标准补偿试件的作用,可保证Φ1-2=Φ3-4.由于4组线圈的接线方式,在磁通相等的情况下,传感器输出电压信号为0;当待测试件受应力时,试件内部磁导率发生变化,Φ1-2=Φ3-4,由于沿应力方向为易磁化方向,磁导率高,而沿垂直于应力方向为难磁化方向,磁导率低,磁通不相等,所以在检测线圈输出端上将感生出不相等的信号电压,该电压信号包含应力信息.
2 传感器的输出特性
根据压磁效应的结果,在激励线圈作用下,每个检测线圈两端将分别产生感应电动势[12].检测线圈N-1,N-2,N-3和N-4具有相同的匝数N,令N-1和N-2两线圈同相串联后得到的叠加感应电动势为E1-2,N-3和N-4两线圈同相串联后得到的叠加感应电动势为E3-4,则
式中,f为激磁信号频率;N1∼N4为检测线圈匝数,设为N;Φ1-2和Φ3-4为支路磁通量.则
而磁通量
式中,µc为材料中的磁导率,Sc为磁路的截面积,Hc为磁路的磁场强度.
式(4)中,材料中的磁导率µc是随着试件所受应力而变化的.
则
根据压磁效应[13],∆µc=kµσ,kµ为试件材料的压磁灵敏度,可通过试验测定,故
令k=kckµ,则
材料试件所受应力的变化导致其磁导率(磁阻)的变化,磁导率的变化导致感应电动势的变化.从式(8)可见,应力与电动势呈线性关系,系数k为材料试件的应力感应电动势灵敏度,可通过实验数据测定.所以,依据感应电动势与试件所受应力的关系,可通过测量感应电动势的变化来测量试件所受应力.
3 测试实验
利用磁测应力原理设计制作了传感器,在完善了零点值调正电路的基础上,对长方形试件进行了单向拉伸应力的对比测试试验.
3.1 输出信号幅值频率特性
选定某铁磁试件及补偿试件,补偿试件的宽度与测试试件相等,传感器与试件间的间隙利用绝缘非导磁垫板调整.在40 mA励磁电流作用下,调节励磁信号频率,测量线圈3和4同相串联输出电压,改变磁间隙,利用所得的数据绘出一组不同间隙时的频率特性曲线如图4所示.
从图4中可以看出,当传感器与试件间的间隙在0.8 mm时,最大灵敏度频率在2 200 Hz左右.随着间隙的增加,最大灵敏度响应频率也略有增加.固定传感器与试件间的间隙,改变励磁电流值,可以得到一组输出电压随频率变化的曲线,如图5所示.从图中可以看出,磁间隙固定后,励磁信号电流从20 mA增加至40 m A的过程中,检测灵敏度随之增大,对应最大灵敏度的频率随着励磁电流增加而略有增加.考虑到铁芯的工作频率、杂散分布电容的影响,传感器的工作频率宜选定略小于最大灵敏度频率,以保证在最佳灵敏度频点附近可以得到比较理想的测试效果.
3.2 不同励磁电流的应力特性
不同励磁电流会影响测试的灵敏度,这一点可以从频率响应曲线上得出.但励磁电流亦不能太大,避免磁通饱和.在磁间隙0.8 mm,励磁信号频率2 kHz,不同励磁电流情况下,测得传感器的输出电压值列于表1,绘制的一组应力曲线如图6所示.
由表1的数据计算出传感器对应20 m A,30 mA和40 mA励磁电流的非线性误差依次为7.45%,6.44%和12.19%,对应的灵敏度依次为98.59 m V/kN,130.23 mV/kN和169.49 mV/kN.
传感器磁测输出电压与试件所受应力值之间呈现较好的线性关系,与式(8)的结论相一致.
观察零点值附近区域,当被拉伸的试件两端没有被施加拉伸应力时,磁测输出端的电压并不为0.原因之一是由于传感器的结构不对称所致.要想做到结构上较好的对称是相当难的,甚至是办不到的.为了实现零点值对应为0,需要采取适当的电路形式来完成这项任务;原因之二是试件的表面平整度会影响零点值的测量,这可以通过在试件两侧同时检测,差动输出的方法来消除.
通过实验分析可知,在保证4个检测线圈N-1,N-2,N-3和N-4具有相同的匝数N的情况下,也难以保证传感器结构的一致性,4个检测线圈上的感应电压值会存在差异.即应力σ=0时,感应电动势∆E=0.为了尽量不削减磁测信息,又便于调正测试装置的零点值,同时提高抗干扰性能,对反相串联电路进行改进,设计了检测线圈串联电桥式取样电路如图7所示.零点值的调节是通过调节电位器RP1实现.实验时,电阻R1和R2和电位器RP1均取10 kΩ.在0.8 mm磁间隙,2 kHz励磁信号频率下,测得传感器的输出电压值列于表2,绘制的一组应力曲线如图8所示.
由表2的数据计算出传感器对应20 mA,30 mA和40 mA励磁电流的非线性误差依次为2.60%,3.57%和1.91%,对应的灵敏度依次为13.37 m V/kN,29.37 m V/kN和42.05 mV/kN.
对比表1和表2的数据处理结果,可以得出如下结论:图7电路的非线性误差普遍小于图3电路.虽然灵敏度相应降低了些,但换来了更好的传感器稳定性.
从实验数据上可以看出,磁间隙的存在也会降低检测装置的灵敏度,而取消间隙又会由于试件表面平整度、粗糙度等原因带来过大的测量误差.在某些应用场合,如测量油水井套管的应力,沿着内壁进行动态测量时,必须保留有足够的间隙.因为,管内壁沾附着油污、岩削、沙石等杂物,设计时必须加以考虑.同样,通过测得对应不同间隙的应力响应曲线,依据测试数据可设计特定工况、特定量程的磁测应力检测装置.对应不同参数的传感器,在使用前,必须重新调校零点值.
4 结论
双探头直射检测预应力孔道病害技术 篇6
关键词:预应力孔道,声时系数,缺陷
1 前言
目前混凝土缺陷无损检测技术大体可分为两大类:一类是机械波法, 其中包括超声脉冲波、冲击脉冲波和声发射等;另一类是穿透辐射法, 其中包括Z射线、Y射线和中子流等。由于射线的穿透能力有限, 尤其对于非匀质的混凝土, 其穿透深度受到很大限制, 而且产生射线的设备相当复杂, 又需要严格的防护措施, 现场应用很不方便。超声脉冲波的穿透能力较强, 尤其是用于检测混凝土, 这一特点更为突出, 而且超声检测设备较简单, 操作较方便, 所以被广泛应用于混凝土结构缺陷检测。
2 超声波检测的优点
(1) 超声波的指向性比较好, 其频率越高, 指向性越好。
(2) 超声波传播能量大, 对各种材料的穿透力较强。超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性, 为超声波的应用提供了丰富的信息。
(3) 超声检测具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、设备轻巧、成本低廉, 可即时得到探伤结果, 适合在实验室及野外等各种环境下工作, 并能对正在运行的装置和设备实行在线检查。
3 双探头对测方法
将发射与接收两个探头, 分别放在构件两个平行界面, 且对应测试位置上 (如通过在预应力孔道位置的两个平行界面) , 分别布置发射与接收探头, 获取超声波不同物理量 (声时、幅值、频率) 的方法。
4 检测原理
超声波在混凝土中传播过程, 碰到介质变化或混凝土质量缺陷时, 其超声波的物理参数将发生变化。如超声波传播过程中遇到孔道, 超声波将产生绕射, 折射, 反射一般反映出其对测声时延长、波幅下降、主频降低、波形畸变。
由于超声波测量混凝土缺陷是通过测量其声参量的变化, 因此想通过测量己知混凝土不同孔道病害变化, 获得对应其超声波参量变化, 从中找出规律后, 指导今后混凝土中孔道的病害检测, 是一种对比性间接测量方法。由于混凝土介质非均匀性, 应用超声波测量预应力孔道是半定性方法, 因此还需要用其它方法综合评判。
5 对测声时系数
实际钢筋混凝土结构物中, 其混凝土标号、水灰比、密实度不同, 病害可能不同, 要使此成果, 具有普遍指导意义, 需采用一个相对指标, 消除混凝土本身性质对测试结果的影响, 即提出对测声时系数概念。
对测声时系数定义:被检测预应力孔道水平截面的对测声时与其邻近无孔道水平截面的对测声时之比。一般可认为, 空孔道对测声时系数大于正常密实水泥浆和钢束的对测声时系数。
6 模型梁结构尺寸
本次制作了10片模型梁, 集体结构尺寸如图1, 模拟了预应力孔道内存在的几种情况。
说明:A、B、C、D为模型梁的4个表面, 下表中测试面“A”、“B”测试面表示的是换能器一个在A或B测试面, 一个换能器在C或D测试面。
7 计算依据
模型梁对测声时
绕行声程:
对测声程 S2=l1+l2
对测声时系数
式中:t1—为孔道处对测声时
S1—为孔道处声程
V1—为孔道处声速
t2—为无孔道处对测声时
S2—为无孔道处声程
V2—为无孔道处声速
η—对测声时系数
若忽略混凝土的不均匀性V1=V2 则对测声时系数:
式中
8 测试结果分析
注:“a”为孔道壁到混凝土结构截面的距离。
9 结论
(1) 空孔道声时以绕行为主、绕行声时比直行声时长, 因此其声时系数大于1.0。
(2) 钢筋声时以穿透为主, 由于在钢筋中声速大于在混凝土中声速, 因此其穿透声时系数小于1.0。
(3) 穿透声时系数随距界面距加大而加大, 而绕行声时系数随距界面距加大而减小。
应力检测 篇7
由于锚杆锚固技术具有增强围岩强度、施工方便、工程造价低、安全快速等特点, 广泛应用于边坡工程、隧道工程以及矿山巷道等岩土相关工程。在工程中锚杆施工质量的好坏将对公路、铁路、水利工程等岩土工程的安全稳定有很大的影响。因而, 采用应力波无损检测锚杆锚固质量在一定程度上受到广大研究人员的青睐。
锚杆锚固质量检测方法较多, 然而通过拉拔试验对锚杆的抗拔力进行检测时, 费用相对较高, 同时对围岩产生较强的扰动, 从而降低了锚杆对围岩的加固作用。王猛等[1]采用锚杆弹性波无损检测仪, 对国阳二矿进行了应力波法锚杆锚固质量无损检测现场实验研究, 对锚固长度、工作荷载、固结波速等进行了探讨。刘海峰等[2]在锚杆锚固质量无损检测技术研究中, 基于锚固体系的锚杆动力学和一维波动理论, 研究了锚固体系的振动特征和锚固体系中应力波的传播规律。裴宝琳等[3]采用理论分析和实验测试方法对锚杆锚固中波传播规律进行了研究。本文将采用理论分析与室内试验测试相结合的方法探讨应力波检测锚杆锚固质量时波的传播规律。
1 应力波检测原理
应力波锚杆锚固质量检测法是指在锚杆端头部位采用多种激发震源产生弹性波, 沿锚杆传播并向锚固系统周围辐射能量, 然后采用检波器检测其反射回波, 对采集波信号曲线进行频域或时域分析, 获取波速、长度 ( 锚固段长度、自由端长度和锚固系统中锚杆长度) 以及施工缺陷等相关参数, 从而可对锚杆锚固质量进行综合评价[4]。
在对锚杆锚固质量进行应力波传播分析时, 假设锚杆材料是均匀的、各向同性的, 在受到激发振动时锚杆的变形是在弹性范围内, 并且横截面保持为平面, 锚杆的横向变形忽略不计, 可得出锚杆纵向应力波传播的波动方程为:
其中, Vc为纵波在锚杆体系中的传播速度, m/s, , E为弹性模量, k Pa, ρ0为锚杆杆体的密度, kg/m3。
采用多种激发震源在锚杆端头部位产生稳定弹性应力波, 沿锚杆方向传播, 在锚杆端头采用检测仪对其进行接收, 当波遇到变阻抗截面时将发生反射和透射。对采集的首波信号进行相位分析可知, 其相位与锚固端反射信号相反, 与其底端反射相位相同, 在应力波响应曲线上分别获取锚固端和底端位置处的反射时间, 根据连续性条件和牛顿第三定律可计算出反射系数R和折射系数T如下:
其中, z2, z1分别为变阻截面前后两个截面的波阻抗。
通过测得的弹性应力波的波速Vc, 即可按下式计算锚杆自由端长度l1, 锚固段长度l2:
通常采用锚固系统中的固结波速对锚杆锚固质量进行综合评价, 其固结波速是指激发震源产生的弹性应力波通过锚固段时的波速, 由式 ( 4) 进行确定:
其中, Vc为锚固体系中的固结波速; A1为控制体内锚杆杆体截面面积, m2; A2为锚固介质面积, m2; ρ1为锚杆的密度, kg /m3;ρ2为锚固介质的密度, kg/m3; C1, C2分别为在锚固状态下锚杆和锚固介质的折算刚度, N/m2, 受粘结强度影响。
从式 ( 4) 计算可知, 其大小介于自由锚杆与锚固段波速之间, 与锚固介质间粘结强度有关, 粘结强度愈强, 锚杆锚固质量愈好, 固结波速就愈小。在室内采用应力波对锚杆模型进行测试, 对应力波曲线进行时域和频域分析, 读取锚杆固端和底端的反射波时间和波速等参数, 计算出固结波速, 从而可对体系的锚杆锚固质量进行综合评价[5,6]。
2 室内试验
按照《水利水电工程锚杆无损检测规程》的相关规定制作室内试验试件, 锚固介质和围岩采用石膏或砂浆、混凝土进行模拟。根据上述原理, 制作0. 3 m×0. 3 m×0. 5 m和0. 2 m×0. 2 m×0. 5 m混凝土立方体, 其配合比为水∶水泥∶砂 = 0. 5∶1∶2, 沿高度方向留有50锚杆孔, 锚杆钢筋拟选12, 18螺纹钢, 长度选70 cm ~ 500 cm不等, 在预留孔中注入M30砂浆, 部分锚杆外露端长度为0. 2 m。为了便于判断, 在锚固砂浆中不同位置处设置不同长度大小的缺陷, 模型的几何尺寸如图1所示。
3 室内试验结果分析
本次试验使用武汉长盛工程检测技术开发有限公司生产的JL-MG ( C) 锚杆质量检测仪对锚杆锚固质量进行检测, 测试部分曲线如图2所示, 图中A点为缺陷部分所在位置, 在波形图中截取一个周期, 激发应力波的起始时间为177μs, 激发应力波传播第二次到达的时间462μs, 在锚杆中应力波的传播时间为: T = 285μs。由于应力波在锚杆中传播是双程, 从而可计算出自由段的波速为5 120 m / s, 锚固段波速为4 700 m / s。通过对不同位置、不同大小缺陷锚杆模型进行测试, 其应力波波形曲线会在缺陷位置处发生畸形, 整条波形曲线也不规则。当锚固体前段存在缺陷时, 测试曲线的前端存在不规则波形, 在缺陷开始位置的反射波受到干扰, 呈现出增强后再缓慢衰减形态; 当锚杆系统中缺陷位于中段时, 测试的波形曲线相对较规则, 缺陷开始和接收位置的波未受到干扰; 当缺陷处于锚杆系统底端时, 由于变化断面处反射波叠加的影响, 波形变得不规则。
通过对比分析实测缺陷位置与设计缺陷位置, 误差值相对较小, 测试结果的可靠性较好, 可对实际锚杆锚固质量进行评价。
当锚固系统中存在缺陷时, 应力波在传播过程中遇到不同波阻抗界面, 从而产生多次反射和透射, 其能量发生改变, 致使应力波曲线在介质交界面处出现畸形, 随后应力波曲线表现出缓慢衰减或增强后再衰减特征。
锚杆长度较短时, 由于缺陷位置处和锚杆底端的反射信号和锚杆端头激发信号相互叠加, 测试应力波响应曲线整体呈现不规则态势。如缺陷位置和锚杆底端的反射信号不明显, 应力波响应曲线较难以分析, 但可减小采样间隔对缺陷位置处的特征曲线进行评判分析。
4 结语
通过对锚杆模型进行室内试验测试与分析, 结果表明:
1) 分析应力波特征曲线, 可知实测缺陷部位与设计缺陷部位基本相符, 测试结果的可靠性较好, 因而可用于对实际锚杆锚固质量进行检测评价。
2) 如锚杆锚固系统中存在缺陷, 应力波特征响应曲线将在缺陷交界面处波形变得不规则, 出现畸变, 呈现出缓慢衰减, 或者增强后再衰减态势。对不同锚杆长度和不同缺陷长度进行测试时, 其波形曲线也不尽相同, 测试曲线在曲线部位表现出的波形特征也不同。
参考文献
[1]王猛, 李义, 董嘉.应力波法锚杆锚固质量无损检测现场实验研究[J].煤炭技术, 2013, 32 (1) :203-204.
[2]刘海峰, 崔自治, 朱雪福, 等.锚杆锚固质量无损检测技术研究[J].宁夏工程技术, 2003, 2 (3) :266-268.
[3]裴宝琳, 杨栋.锚杆锚固质量的无损检测探究[J].矿业研究与开发, 2014, 34 (1) :81-84.
[4]汪明武, 王鹤龄.锚固质量的无损检测技术[J].岩石力学与工程学报, 2002, 21 (1) :126-129.
[5]尹健民, 秦强, 肖国强.声波在不同长度锚杆锚固体中传播规律研究[J].人民长江, 2011, 42 (3) :95-98.
应力检测 篇8
1919年德国科学家巴克豪森博士发现铁磁性材料在外部交变磁场的作用下,内部磁畴错动、磁畴壁相互摩擦振动,激发出一种可测的噪声信号,这个信号称为巴克豪森信号。巴克豪森信号成为一种新的铁磁性材料应力的无损检测方法,具有精度高、检测速度快等优点。目前常用的无损检测应力的方法有金属磁记忆检测法、磁弹性检测方法、基于逆磁致伸缩效应的应力检测法等。在磁场作用下,应力的存在影响铁磁性材料磁畴分布和磁畴壁的运动,改变材料的磁特性,通过传感器感应出电信号反映出来。巴克豪森信号反映磁畴移动和磁畴壁翻转,是一种快速精确测量铁磁性材料应力大小的方法,被逐渐应用在管道、钢板等铁磁性材料应力检测中。
本文通过巴克豪森效应检测铁磁性材料的应力,采用正弦激励信号产生磁场磁化被测材料,激发巴克豪森信号,通过观测不同激励信号下,巴克豪森信号的变化,得到最佳激励信号的幅值大小,在最佳激励信号下对受力不同的钢板进行检测,得出巴克豪森信号随拉应力的增大而增大。
1 巴克豪森信号检测原理
1.1 巴克豪森信号产生原理
(1)磁畴与磁化曲线
铁磁性材料内部存在很强的分子场,形成自发磁化现象,原子磁矩有序排列,状态稳定,在铁磁性材料内部分成若干个小区域,每个小区域中局限着原子磁矩形成的自发磁化的现象,这个小区域成为磁畴。相邻的磁畴之间被交界面所隔开,这个交界面称为磁畴壁。对不同材料,磁畴结构和运动方式也不相同。在磁化过程中,可用一条曲线来表示铁磁性材料的磁感应强度与磁场强度的关系,磁化过程如图1所示。
第一阶段为可逆磁化区(图中I区),所受外加磁场较小时,畴壁的移动使磁矩与外磁场方向相同或相近的磁畴体积扩大,几乎不发生磁畴壁的摩擦,无巴克豪森信号的产生。第二、三阶段为不可逆磁化阶段和磁畴磁矩的转动阶段(图中II、III区),随着外加磁场的不断增大,铁磁性材料的磁化强度迅速增加,磁化进入不可逆阶段,在较强的磁场强度下,畴壁的移动基本完成,磁畴磁矩的转动,磁畴翻转、相邻磁畴壁相互摩擦,产生大量巴克豪森信号。第四阶段为趋近饱和阶段(图中IV区),在磁化的趋近饱和阶段,磁场强度增加到一定程度,磁畴的位移与磁矩的转动都已完成,这一阶段几乎无巴克豪森信号。
(2)应力与巴克豪森信号的关系
铁磁性材料受应力作用时,其内部磁畴结构发生变化,导致其能量的变化,在磁化铁磁性材料的过程中,磁畴在应力的改变下发生变化,相同磁场强度下,接收到的巴克豪森信号也随之发生变化。
对铁磁材料,应力状态对巴克豪森信号的影响,如图2所示。假定铁磁性材料有四个相同的磁畴,磁化方向如图2a所示排列,其磁化强度的总和为零。当受拉应力时,拉应力与磁畴的相互作用而产生附加磁弹性能,磁化方向趋向应力方向的畴扩大,磁化方向垂直应力方向的畴则缩小,当应力大到一定程度,磁化方向平行拉应力的畴将会吞并其他方向的畴而长至由180°畴壁分割的磁畴。
很显然,当拉应力方向平行磁化场方向时,由于180°畴增大畴壁快速不可逆移动,所产生的巴克豪森噪声将增强。
图3为某一铁磁性材料应力和巴克豪斯噪声信号关系曲线。曲线为磁化方向平行应力方向,信号随拉力增大而增大,当应力达到接近屈服点时,会呈现饱和,巴克豪斯噪声信号随拉应力增加而增强。
1.2 影响巴克豪森信号的因素
巴克豪森信号的产生是由于铁磁性材料内部最小单元磁畴在外磁场的激发下错动产生的,材料的性质、激励磁场强度、激励信号的频率等都会对巴克豪森信号产生影响。
在不同激励磁场强度激励下巴克豪森信号随应力变化的关系也不同。铁磁性材料的磁畴错动,磁畴翻转发生不可逆运动受到磁场和应力的影响,当磁化强度过强时,磁畴的磁化矢量迅速趋向磁场方向,磁畴壁移动很快,磁畴壁间摩擦振动时间很短,难以捕捉到巴克豪森信号 ;当磁化强度很弱时,磁畴的磁化矢量难以趋向磁场方向,磁畴壁几乎不发生位移和错动,产生的不可逆的运动很少,释放的巴克豪森信号很少。因此,磁化强度太强或太弱时,巴克豪森信号随应力变化都不敏感,饱和现象严重。只有磁化强度适当时,巴克豪森信号才随应力变化明显,且不饱和。采用巴克豪森信号测量应力,应选择合适的激励电压,使被测的铁磁性材料在外磁场的作用下,充分磁化,释放大量稳定且不饱和的巴克豪森信号。
2 实验与结果分析
2.1 巴克豪森信号检测系统
巴克豪森信号是频带范围为10KHz-1MHz的弱信号,在磁化不可逆阶段产生,在50Hz正弦波激励下巴克豪森信号如图4所示。
巴克豪森信号检测系统主要由激励部分、检测部分、信号处理部分组成,其中检测原理如图5所示。
1 激励线圈 ;2 检测线圈 ;3 屏蔽盒 ;4 钢板
如图所示,激励线圈通电产生磁场,使处于磁场中的钢板被磁化,钢板在磁化过程中会激发巴克豪森信号,检测线圈置于激励线圈产生的交变磁场中,放在钢板表面,接收钢板在磁化过程中释放的巴克豪森信号。巴克豪森信号的幅值非常小,为毫伏级,需要滤波放大电路对检测线圈感应出来的信号进行了滤波放大,由示波器显示。
使用的调压器为0-40V输出可调的变压器,输入稳定的正弦信号。激励线圈和检测线圈均采用的是硅钢片作为磁芯。硅钢片适用于频率不超过400Hz的低频,有较高的磁饱和强度。为保证磁场分布均匀、检测线圈感应到尽可能强的电信号,缠绕时漆包线间距一致,缠绕紧密,绕线方向一致。由于广播信号、市电等对巴克豪森信号都有干扰作用,在检测线圈外加10mm厚的铝盒,屏蔽外部信号的干扰。
检测线圈输出信号带载能力弱,系统采用高输入阻抗运算放大器CA3140作为电压跟随器,为避免运算放大器输入电平产生漂移现象,在其输入端并入20M电阻对地。巴克豪森信号频带范围为10KHz~1MHz,因而检测线圈提取信号是含有巴克豪森信号在内的噪声信号,需经过带通滤波器滤波并放大,系统采用信噪比较好的OP07组成二阶有源滤波放大电路。巴克豪森信号是微弱信号,毫伏级别的,需要经过放大器进行放大,本实验中采用OP07芯片组成的一阶有源放大器,放大倍数为100倍,将信号放大显示在示波器上,便于观察。
2.2 检测试件
实验选用综合力学性能好、被广泛应用于压力容器、石油储罐、桥梁等结构的低碳钢Q235作为被测试样,其强度、塑性、焊接等性能较好的配合使得它在工程中应用广泛。
拉力实验选用的钢板形状尺寸如图6所示。钢板的厚度为5mm,图中的尺寸参数a为50.8mm,b为30mm。钢板在拉力作用下,会在中间较窄区域产生应力集中,较窄区域所受的拉应力最大。
2.3 实验与结果分析
(1)不同激励电压下巴克豪森信号幅值大小
实验分别使用15V、20V、25V电压作为激励信号对受力8MPa的钢板进行测量。检测钢板中心点处为零点,并向外侧移动,每隔5mm记录一个点的巴克豪森信号值的大小,每个电压下采样8个点,检测数据如表1所示。
由表1可知,用三种不同强度下的磁场磁化钢板,钢板中的拉应力中心处应力最大,外侧应力逐渐减小,测量结果曲线如图7所示。
由图7可知,激励电压为15V时,外磁场磁化测试钢板的强度不足,当拉应力逐渐减小时,巴克豪森信号对拉应力的反应微弱 ;激励电压达到25V时,外磁场磁化测试钢板的强度过强,当拉应力逐渐减小时,巴克豪森信号对拉应力的反应出现饱和状态 ;当激励电压为20V,磁场磁化强度与铁磁性材料钢板内部结构适宜,巴克豪森信号对其拉应力的反应敏感。
由实验得出,在不同激励信号幅值作用下,巴克豪森信号在应力略小的钢板处,对应力变化的反应微弱,测得巴克豪森信号不准确。经实验得出在Q235实验钢板,激励信号为20V时,巴克豪森信号对拉应力的反应敏感,几乎无饱和状态。
(2)巴克豪森信号与应力的关系
本实验用20V的激励信号分别对受拉应力5MPa、8MPa、11MPa的钢板进行检测,其检测到的巴克豪森信号如图8所示。
通过实验发现,用相同的激励信号磁化钢板时,四块钢板处于同样的磁场,巴克豪森信号幅值的大小随钢板所受的拉应力的增大而增大。
3 结束语
激励信号电压的大小,影响巴克豪森信号对拉应力的反应敏感程度,幅值过大可以使巴克豪森信号对拉应力状态产生饱和现象。在不饱和的情况下,巴克豪森信号随拉应力的增大而增大。
摘要:针对铁磁性材料(如管道、钢板等)由于应力集中导致的裂纹、断裂甚至失效等问题,研究了应力对铁磁性材料内部结构的改变,及在磁化过程中应力影响磁畴错动产生巴克豪森信号,研究巴克豪森信号与应力的关系,提出应用巴克豪森效应检测应力的方法。采用激励线圈产生外磁场磁化钢板,检测线圈置于钢板表面接收信号,信号经滤波放大电路得出巴克豪森信号,研究拉应力与巴克豪森信号关系。实验结果表明,巴克豪森信号随铁磁性材料中拉应力增大而增大。通过检测巴克豪森信号的大小得出材料所受应力,有效的预防因应力过大造成工件的断裂等问题。
预应力孔道压浆密实度检测研究 篇9
预应力孔道压浆效果对后张预应力混凝土梁非常重要, 一旦压浆不密实, 就会缩短预应力钢绞线的寿命和使用效率, 严重的可在运营若干年后发生质量事故。
1985年12月, 英国南威尔士Ynys-y-Gwas桥突然倒塌, 调查发现预应力混凝土梁的孔道压浆存在着严重的不密实现象, 给氯化物、水分及氧气侵蚀预应力钢索提供了条件, 以至某些截面钢索锈蚀严重, 当钢索截面减小到无法承受外加荷载时桥梁突然倒塌[1,2]。1992年, 比利时Malle桥发生倒塌, 原因是在预应力管道锚头部分压浆存在大量的空洞, 导致氯化物等侵入侵蚀钢铰线[1]。在中国, 由于压浆不密实而引发的工程事故也屡见不鲜, 如1995年5月15日广东海印大桥的1根斜拉索因压浆不密实而锈断。2001年11月7日四川宜宾金沙江拱桥因吊杆压浆不密实, 钢绞线锈断后造成部分桥面垮塌。这一系列事故引起了桥梁界对后张法预应力结构的孔道压浆问题的高度关注[3,4,5]。
为此, 国内外相继开展了一些研究, 提出不少无损检测方法。例如地质雷达法 (GPR) 、声波散射法、冲击回波等效波速法、超声波成像法、表面波频谱成像法、电磁波 (雷达) 、X光、C射线法、能量衰减法和超声相阵法等方法。其中, 工程中较为常用的为地质雷达法和声波散射法。
2 检测原理
2.1 地质雷达法 (GPR)
地质雷达法具有分辨率高、图像直观、操作方便快捷等优点, 其工作原理是向地质与工程介质内定向发射高频电磁波, 接收介质内部界面的反射/散射波, 通过反射/散射波走时、强度确定结构内部界面形态与性质。将雷达天线沿着预应力孔道走向进行图像采集, 便可得到反映预应力孔道的混凝土缺陷分布情况。
灌浆管道有2种材质, 即金属波纹管和塑料波纹管。地质雷达特别适合塑料波纹管注浆密实度的检测。波纹管密实段反射为单峰值, 并且幅值比较弱。当波纹管有脱空时, 雷达波的反射增强, 并表现为双峰值, 易于识别。但是高频电磁波衰减大, 探测距离短, 金属波纹管对电磁波有强烈的屏蔽作用, 故地质雷达法不适用于金属波纹管。地质雷达法检测原理见图1。
2.2 声波散射法
声波散射技术具有较高的空间分辨率, 可以发现波纹管内小于分米级的注浆缺陷[6]。按照散射原理, 波纹管的注浆脱空区等缺陷表现为被动震源, 当遇到外界震动激励时, 缺陷向周围发射散射波, 根据接收到的散射波的走时、瞬时频谱、散射能量3项指标可确定缺陷的位置、大小和饱和程度。
声波散射法对波纹管压浆质量进行检测分2个步骤。第一步是用声波透射法测量波纹管的平均速度。一端发射, 另一端接收, 测量声波走时, 结合波纹管长度计算平均波速, 该波速一般大于混凝土波速, 小于钢绞线波速;第二步是使用逆散射观测方式记录波纹管内部缺陷的散射波, 在同一锚头进行激发和接收。为提高测量的可靠性, 波纹管两侧的锚头需要分别进行测量, 将两端的测量结果综合在一起进行分析解释。
散射追踪法缺陷检测资料处理有3个主要步骤:确定直达纵波和Lamb波走时曲线和波纹管的平均波速, 它反映波纹管平均注浆质量, 也是确定散射体位置的基础;进行方向滤波, 滤除直达纵波和Lamb波, 取出散射波, 通过对散射波的Radon变换实现缺陷偏移成像;散射波能量强表示脱空严重, 频率高表示散射体小, 频率低表示散射体大。声波散射追踪检测原理见图2。
3 工程实例
3.1 工程概况
两港公路大治河桥为大跨径预应力混凝土鱼脊连续梁桥, 主梁由箱梁和鱼脊立墙两部分组成。鱼脊预应力束是该桥的主要纵向预应力束, 采用56束高强钢绞线, 最长钢束达156 m, 锚固点与最高点高差达20 m。鱼脊钢束由于鱼脊内钢束长度长、高差大, 压浆密实的难度较大。因此, 为确保压浆的密实度, 在鱼脊钢束压浆前需进行压浆密实度试验, 对施工工艺进行检验后方可在实桥上正式使用。
压浆密实度试验的模型实景图见图3。试验采用2支钢束, 每根钢束长104.6 m, 预应力孔道采用内径130 mm塑料波纹管, 压浆材料强度设计要求55 MPa。试验采用2种施工工艺, 东侧波纹管采用两端压浆, 西侧波纹管采用一端压浆。在模型顶部20 m范围内放置钢绞线, 模拟实际波纹管孔道内部结构。
3.2 检测方案
由于预应力孔道采用塑料波纹管, 试验采用地质雷达法和声波散射法2种技术综合检测, 以提高检测的可靠性。地质雷达仪器为美国GSSI生产的SIR3000, 配用2 GHz天线。混凝土中雷达波速12 cm/ns, 2 GHz频率时波长6 cm, 根据散射理论可分辨最小2 cm脱空区厚度。声波散射使用北京同度工程物探公司开发的BCT声波仪, 配备64通道频率20 k Hz的阻尼检波器。混凝土中波长15 cm, 根据散射理论可分辨脱空区厚度4 cm。
地质雷达法采用测距轮控制的连续扫描采集方式, 沿波纹管上方混凝土表面布置, 探测深度25 cm。声波散射法采用散射追踪方法检测注浆缺陷位置和大小, 声波测线沿波纹管分段布置, 分段标记为A、B、C、D、E、F、G, 每段在两端和中间分别激发, 每个点激发3次, 比较记录的一致性。声波散射法试验测线布置图见图4。
3.3 检测结果
模型试验结果表明, 地质雷达法和声波散射法的检测结果互相吻合。东侧波纹管缺陷区域总长达66 m, 约占全长的63%;西侧波纹管缺陷区域总长达36.6 m, 约占全长的35%。
波纹管缺陷位置示意图见图5, 雷达检测图像示意图见图6。
通过地质雷达法和声波散射法综合判定, 该模型东侧波纹管D6~D13区域分别存在不同程度的脱空, 缺陷范围长约36.2 m, 占该区段总长的35%;西侧波纹管中部X6~X14区域分别存在不同程度的脱空, 缺陷范围长约21 m, 占该区段总长的20%。
雷达图还显示, 该模型D1~D5、D14~D16、X1~X5、X15~X16区域波纹管内均存在充水区。
为了验证地质雷达法和声波散射法的检测结果的准确性, 现场抽取脱空较为明显的东侧波纹管D10区域和西侧波纹管X9区域进行局部剖检, 结果发现东侧波纹管D10区域脱空长度达6.6 m, 空洞深度为7 cm, 空洞面积几乎达波纹管截面的一半;西侧波纹管X9区域脱空长度为2.3 m, 空洞深度为4 cm。
现场亦抽取充水较为明显的D14、D15区域和X15区~X16区域进行钻孔验证, 结果发现均有大量积水流出。现场剖检的实景照见图7, 可见采用地质雷达法和声波散射法综合检测结果与现场剖检验证结果一致。
该模型波纹管存在较多的缺陷, 且波纹管两端为充水区, 而中部为脱空区, 这说明对于这种长度长且高差大的波纹管试验中采用的施工工艺存在一定的缺陷, 需对压浆设备及压浆工艺进一步改进, 以满足设计要求。
4 结语
分析表明, 对于塑料波纹管采用地质雷达法和声波散射法综合检测压浆密实度是可行的。地质雷达法和声波散射法综合检测法具有便捷、准确、可靠、分析简单以及不损害桥梁结构等优点。能够为现场施工提供准确、可靠的检测依据, 有助于施工单位及时发现问题、调整施工手段, 对存在的缺陷及时采取工程补救措施, 值得相关单位借鉴。
摘要:预应力孔道压浆密实度直接影响预应力混凝土桥梁的耐久性和安全性。结合工程实例, 探讨地质雷达法和声波散射法在预应力孔道压浆密实度检测中的应用。结果表明, 此类无损检测方法准确、可靠, 可用于预应力孔道压浆密实度检测。
关键词:预应力孔道,压浆密实度,地质雷达,声波散射,鱼脊式
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