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關(guān)鍵詞:金屬材料;焊接;超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.02.025
0 前言
金屬材料被廣泛應(yīng)用與基礎(chǔ)建設(shè)和進(jìn)出口貿(mào)易中,是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中重要的一部分。金屬焊接材料的高質(zhì)量和高精度是保障金屬焊接行業(yè)高速發(fā)展的核心技術(shù)手段。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠進(jìn)一步提高金屬材料焊接接頭的質(zhì)量,保障金屬材料焊接的安全性。因此,為了進(jìn)一步推廣超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在金屬材料焊接中的應(yīng)用,充分發(fā)揮其應(yīng)用效果,對(duì)超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在金屬材料焊接的應(yīng)用進(jìn)行深入分析具有重要的意義和作用。
1 超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)
超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)高精度,高質(zhì)量的檢測(cè)技術(shù)。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展,各國(guó)在實(shí)現(xiàn)貿(mào)易往來(lái)同時(shí)也逐漸實(shí)現(xiàn)了技術(shù)交流,進(jìn)一步奠定了國(guó)內(nèi)各先進(jìn)技術(shù)水平的提升。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要是利用超聲波在物體內(nèi)和物體與物體之間的傳播進(jìn)行材料檢測(cè)。研究證明超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中超聲波在彈性介質(zhì)材料中可以進(jìn)行傳播,且傳播的速度與超聲波的波型、介質(zhì)材料的溫度、應(yīng)力、組織均勻性有關(guān)。不同的介質(zhì)超聲波的傳播速度不同,在一般的固體介質(zhì)材料中,溫度升高聲速越低,應(yīng)力狀況也會(huì)影響傳播速度,同時(shí)材料組織的均勻性也嚴(yán)重的影響超聲波的傳播。此外,超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的檢查精度和檢測(cè)深度較廣,為實(shí)際工程中的檢測(cè)帶來(lái)了重要的貢獻(xiàn)。
2 金屬材料焊接中應(yīng)用超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的作用
隨著超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在金屬材料焊接中的應(yīng)用人們發(fā)現(xiàn)其具有檢測(cè)金屬材料缺陷的作用。其中包含檢測(cè)金屬材料內(nèi)部缺陷的作用,具有檢測(cè)金屬材料焊接宏觀缺陷的作用和檢測(cè)金屬材料焊接微觀缺陷的作用三個(gè)方面[2]。
第一,檢測(cè)金屬材料內(nèi)部缺陷的作用。金屬材料在焊接的過程中由于受到各個(gè)方面因素的影響,在焊接接頭中存在各種各樣的缺陷,使得焊接 接頭性能不連續(xù),因此,在金屬材料焊接的過程中各個(gè)金屬材料內(nèi)部的完整性是保證整個(gè)焊接材料完整性的根本。利用超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)Σ牧蟽?nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè),明確在材料內(nèi)部是否存在裂紋,氣孔、夾渣、未焊透等缺陷,保障材料自身內(nèi)部質(zhì)量。
第二,具有檢測(cè)金屬材料焊接宏觀缺陷的作用。利用超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠起到對(duì)金屬材料焊接宏觀缺陷檢測(cè)的作用[3]。在金屬材料焊接的過程中液態(tài)金屬會(huì)沿著焊縫流到母材料上,當(dāng)金屬材料冷卻后就會(huì)形成金屬瘤,嚴(yán)重影響整個(gè)金屬材料焊接的宏觀完整性。因此,在焊接的過程中利用超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠宏觀測(cè)量金屬的厚度,起到檢測(cè)宏觀缺陷的作用,這主要是用于測(cè)量厚度。
第三,檢測(cè)金屬材料焊接微觀缺陷的作用。金屬材料焊接中的微觀缺陷主要表現(xiàn)在焊接工藝不標(biāo)準(zhǔn),焊接局部溫度過高,焊接表面氧化等現(xiàn)象。微觀缺陷會(huì)嚴(yán)重影響金屬材料焊接質(zhì)量。利用超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠通過超聲波對(duì)金屬材料焊接的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),從而實(shí)時(shí)的反應(yīng)焊接微觀缺陷,進(jìn)行焊接修正,提升金屬材料焊接質(zhì)量。
3 金屬材料焊接中超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析
3.1 金屬材料焊接中超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的方法
金屬材料焊接中超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的過程中存在多種檢測(cè)方式。因此,在實(shí)際工作的過程中需要選擇合理的檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。每一種金屬材料根據(jù)材料本身的性能、形狀、大小等不同會(huì)導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)不同缺陷的差異性。因此,在選擇超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中首先,需要根據(jù)金屬材料自身預(yù)期產(chǎn)生的缺陷的特征對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)方法的選擇;其次,在實(shí)際檢測(cè)的過程中需要采用多種檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的方式,以超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)為主,輔助其他檢測(cè)技術(shù)這樣才能共同完成金屬材料焊接檢測(cè)。在技術(shù)組合應(yīng)用的過程中檢測(cè)人員需要根據(jù)檢測(cè)的內(nèi)容和檢測(cè)的位置,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用選擇。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要是以高穿透性、識(shí)別性和定位準(zhǔn)確為優(yōu)勢(shì)[4]。因此,在檢測(cè)的過程中根據(jù)檢測(cè)位置的實(shí)際情況可以選擇互補(bǔ)的檢測(cè)方式對(duì)金屬材料焊接實(shí)施實(shí)際工程檢測(cè),從而保障檢測(cè)的全面性和準(zhǔn)確性。最后,在應(yīng)用超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)人員之間的數(shù)據(jù)交流,利用數(shù)據(jù)交流結(jié)果和內(nèi)容等對(duì)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析處理,實(shí)現(xiàn)整個(gè)金屬焊接材料檢測(cè)技術(shù)調(diào)整,及時(shí)彌補(bǔ)焊接中的缺陷和弊端。
3.2 金屬材料焊接中超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用注意事項(xiàng)
根據(jù)對(duì)實(shí)際工程中超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用分析我們發(fā)現(xiàn)在日常金屬材料焊接中應(yīng)用應(yīng)該注意以下幾點(diǎn):
第一,明確金屬材料圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中對(duì)焊接金屬的技術(shù)要求,選擇合理的超聲無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn);
第二,明確超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的檢測(cè)時(shí)間,按照整個(gè)金屬材料的加工環(huán)節(jié),對(duì)其技術(shù)處理進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用;
第三,準(zhǔn)確的方式超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的探頭位置,從而提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
第四,在超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)處理中明確反射波幅值,保障超聲波反射回路和速度的完整性和準(zhǔn)確性。
4 總結(jié)
超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在金屬材料焊接中的應(yīng)用進(jìn)一步提升了金屬材料焊接的質(zhì)量,從而為我國(guó)機(jī)械制作工程行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了高焊接效率,高焊接質(zhì)量的金屬材料焊接技術(shù)創(chuàng)新,為我國(guó)金屬材料焊接工藝的發(fā)展貢獻(xiàn)微薄之力。
參考文獻(xiàn):
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[關(guān)鍵詞]混凝土 無(wú)損檢測(cè) 模擬試驗(yàn) 數(shù)字化視頻 教學(xué)設(shè)計(jì) 教學(xué)效果
[中圖分類號(hào)] TU528 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437(2014)16-0117-02
混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是指在不破壞混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件條件下,在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件原位上對(duì)其強(qiáng)度和缺陷進(jìn)行直接定量檢測(cè)的技術(shù)。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅具有非破損、原位檢測(cè)等特性,且簡(jiǎn)便易行、快速高效,是在建筑物原位上獲得其真實(shí)質(zhì)量的唯一途徑,也是土木工程檢測(cè)的實(shí)用技術(shù)和提高建筑物質(zhì)量的保證。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用一直受到國(guó)家和科技工作者的高度重視。
同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院已開設(shè)“材料檢測(cè)技術(shù)”課程三十余年,該課程以混凝土建筑物無(wú)損檢測(cè)技術(shù)為主要內(nèi)容,不斷地探索無(wú)損檢測(cè)的教學(xué)方法,以培養(yǎng)從事無(wú)損檢測(cè)相關(guān)技術(shù)的人才。然而,長(zhǎng)期以來(lái),由于我國(guó)的教育重理論、輕實(shí)踐,導(dǎo)致技術(shù)創(chuàng)新型高層次人才缺乏。培養(yǎng)寬專業(yè)、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力的人才,提升學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力是亟待研究的課題。[1] [2] [3] [4]
本論文針對(duì)這門課程講授過程中的實(shí)踐性教學(xué),詳細(xì)介紹了混凝土缺陷模擬的試驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施過程,論述了采用數(shù)字化視頻及先進(jìn)專用教學(xué)儀器在無(wú)損檢測(cè)實(shí)踐性教學(xué)中的優(yōu)勢(shì),并總結(jié)混凝土無(wú)損檢測(cè)實(shí)踐性教學(xué)的相關(guān)成效,以期為強(qiáng)化學(xué)生理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能及實(shí)踐能力提供參考。
一、混凝土缺陷模擬的無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)
混凝土缺陷是指破壞混凝土的連續(xù)性和完整性,并在一定程度上降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性的不密實(shí)區(qū)、空洞、裂縫或夾雜泥沙、雜物等。當(dāng)混凝土的組成材料、工藝條件、內(nèi)部質(zhì)量及測(cè)試距離一定時(shí),各測(cè)點(diǎn)超聲傳播速度、首波幅度和接收信號(hào)主頻率等聲學(xué)參數(shù)一般無(wú)明顯差異;如果某部分混凝土存在空洞、不密實(shí)或裂縫等缺陷,破壞了混凝土的整體性,通過該處的超聲波與無(wú)缺陷混凝土的相比較,聲時(shí)、波幅等接收信號(hào)會(huì)產(chǎn)生明顯變化。[5]
混凝土缺陷模擬的無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì),即在實(shí)驗(yàn)室條件下,模擬工程現(xiàn)場(chǎng)建筑物中的混凝土構(gòu)件缺陷,以達(dá)到超聲波檢測(cè)混凝土缺陷的實(shí)踐性教學(xué)目的。本試驗(yàn)主要針對(duì)混凝土中空洞、分層、鋼筋位置及裂縫等問題,設(shè)計(jì)成型有缺陷的混凝土試塊。學(xué)生可以采用超聲儀對(duì)所設(shè)計(jì)的混凝土進(jìn)行實(shí)測(cè),獲得混凝土的聲速、波幅和波形的信息,以推斷和檢查混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空洞、裂縫及其他缺陷的位置等,增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。
(一)混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)
混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)成型混凝土試塊,試件尺寸為200mm×200mm×200mm,將試件分為ABCD四部分[如圖1(a)],澆搗試件時(shí)按設(shè)計(jì)要求在“A”處放置好了一塊均質(zhì)泡沫,近似模擬空氣空洞缺陷。超聲脈沖波在混凝土中遇到缺陷時(shí)產(chǎn)生繞射,可根據(jù)聲時(shí)及聲程的變化,判別和計(jì)算缺陷的大小。用對(duì)測(cè)法檢測(cè)混凝土試塊,比較A、B、C、D四個(gè)位置的聲時(shí)和波幅,從而可以確定缺陷的部位。
(二)混凝土分層的檢測(cè)
混凝土分層檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)成型混凝土試件,試件尺寸為150mm×150mm×150mm,將試件設(shè)計(jì)為a、b兩層[如圖1(b)],澆搗試件時(shí)按設(shè)計(jì)a層為多砂漿少石子層,b層為多石子少砂漿層,以此來(lái)近似模擬混凝土的分層。采用對(duì)測(cè)法(等幅檢測(cè))檢測(cè)混凝土試塊,分別比較a層和b層的聲時(shí)和波幅,從而可以判定砂漿層及混凝土層。
(三)混凝土中鋼筋位置的檢測(cè)
混凝土中鋼筋位置的檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)成型混凝土試件,試件尺寸為150mm×150mm×150mm,將試件依次劃分為1-9九部分[如圖1(c)],澆搗試件時(shí)按設(shè)計(jì)要求在“1”處埋入一小段鋼筋,以此來(lái)近似模擬檢測(cè)超聲波在鋼筋混凝土中的變化。用對(duì)測(cè)法測(cè)混凝土試塊,依次檢測(cè)“1”-“9”測(cè)點(diǎn),當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋼筋位置時(shí),在其左右移動(dòng)換能器,觀測(cè)聲通路通過鋼筋及附近時(shí)的首波波形變化,以此可檢測(cè)出鋼筋的位置。
(四)混凝土裂縫深度的檢測(cè)
混凝土裂縫深度的檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作混凝土試件一塊,試件尺寸為100mm×100mm×400mm,并在試件中間預(yù)留50mm深的縫隙,以此來(lái)近似模擬混凝土中的裂縫[如圖1(d)]。利用平測(cè)法,根據(jù)首波反向“臨界點(diǎn)”來(lái)判斷裂縫的深度。
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圖1 混凝土缺陷模擬試件及示意圖
二、數(shù)字化視頻及教學(xué)專用儀器的應(yīng)用
數(shù)字化視頻教學(xué)及專用教學(xué)儀器的引入直觀性強(qiáng),能夠突出要點(diǎn),且有助于學(xué)生對(duì)概念的理解和方法的掌握。采用數(shù)字化視頻教學(xué)能夠圖文聲像并茂,多角度調(diào)動(dòng)學(xué)生的情緒,吸引學(xué)生的注意力,提高學(xué)生的興趣。
以回彈法為例,由于回彈儀的主要機(jī)芯零部件隱藏在回彈儀機(jī)殼體中,其實(shí)際工作原理,學(xué)生難以理解。如果在課堂教學(xué)過程中,采用數(shù)字化視頻教學(xué),播放拆卸與安裝回彈儀的教學(xué)視頻以及回彈儀在實(shí)際工程中的使用及檢測(cè)過程的視頻,并組織學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室親自動(dòng)手拆卸與組裝回彈儀,就可以極大地幫助學(xué)生理解回彈儀的工作原理,熟悉回彈儀的內(nèi)部構(gòu)造,掌握回彈儀的拆裝技術(shù)及其維護(hù)保養(yǎng)的基本常識(shí)。此外,還可以采用教學(xué)專用透明回彈儀,由于回彈儀機(jī)殼透明,這樣,在回彈儀工作的過程中,其工作原理即可一目了然。
通過多媒體視頻教學(xué)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法的有益補(bǔ)充,并通過對(duì)真實(shí)情景的再現(xiàn)和模擬,使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐結(jié)合起來(lái),加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí),有利于突破傳統(tǒng)教學(xué)中的難點(diǎn),并克服傳統(tǒng)教學(xué)重理論、輕實(shí)踐的弊端。同時(shí),多媒體視頻教學(xué)還具有信息量大、容量大的特性,能夠節(jié)約空間和時(shí)間,提高教學(xué)效率。
三、混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)實(shí)踐性教學(xué)成效
(一)提高了操作技能
通過實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)和數(shù)字化視頻教學(xué),讓學(xué)生在實(shí)踐中理解了儀器的工作原理,熟悉了回彈儀的基本構(gòu)造,掌握了回彈儀的拆裝技術(shù)及維護(hù)保養(yǎng)的基本常識(shí)。通過混凝土缺陷模擬的超聲波檢測(cè)試驗(yàn),學(xué)生掌握了超聲波檢測(cè)儀的使用操作方法,并模擬工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定了混凝土缺陷對(duì)混凝土超聲參數(shù)(聲速、波幅、波形等)的影響,最終能夠用聲速、波幅及波形等超聲參數(shù)的變化綜合分析混凝土的質(zhì)量狀況。
(二)提高了團(tuán)隊(duì)意識(shí)
試驗(yàn)的完成需要同組中每個(gè)同學(xué)的相互配合,只有每個(gè)同學(xué)都能夠獨(dú)立自主地完成試驗(yàn)中自己所負(fù)責(zé)的部分,然后配合同組中的其他同學(xué),才能使整個(gè)試驗(yàn)過程得以順利進(jìn)行。實(shí)踐性教學(xué)活動(dòng)的開展既增強(qiáng)了學(xué)生的責(zé)任心,又培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。
(三)創(chuàng)新了教學(xué)方法
在混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的教學(xué)過程中,引入數(shù)字化視頻教學(xué)方法,創(chuàng)新性地模擬工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)實(shí)踐性教學(xué)方案,創(chuàng)新了教學(xué)方法。對(duì)于學(xué)生而言,能夠?qū)⒄n堂上的理論知識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作相對(duì)應(yīng),加深了對(duì)理論知識(shí)的理解,提高了教學(xué)效率,達(dá)到了理論與實(shí)踐相結(jié)合的目標(biāo)。
四、結(jié)論
由于工程建設(shè)的實(shí)際需要,混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)始終具有較強(qiáng)的生命力。我們可以預(yù)料,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,無(wú)損檢測(cè)技術(shù)將會(huì)不斷地更新以適應(yīng)工程需要,其發(fā)展前景是廣闊的。在混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的教學(xué)過程中,創(chuàng)新性地開展實(shí)踐性教學(xué)活動(dòng),強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)理論知識(shí)的理解,采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法,提高了學(xué)生的實(shí)踐操作技能,有利于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)人才的培養(yǎng)。
[ 參 考 文 獻(xiàn) ]
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近年來(lái),隨著我國(guó)城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快,各類建筑與日俱增。鋼結(jié)構(gòu)以其自身諸多的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于建筑工程建設(shè)當(dāng)中。焊接是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的主要加工方法,其在鋼結(jié)構(gòu)建筑中具有無(wú)可替代的重要地位,而焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。在焊接質(zhì)量控制中,焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)是非常重要的環(huán)節(jié)之一?;诖它c(diǎn),本文就建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損探傷檢驗(yàn)的幾點(diǎn)問題進(jìn)行淺談。
關(guān)鍵詞:建筑鋼結(jié)構(gòu);焊縫;無(wú)損檢測(cè)技術(shù)
中圖分類號(hào):TU391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):
一、建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損探傷檢驗(yàn)中存在的問題
(一)鋼結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損探傷檢驗(yàn)常用的方法
1.超聲波探傷技術(shù)。是指利用超聲波檢測(cè)儀探測(cè)材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法。目前,超聲波探傷被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)無(wú)損探傷檢驗(yàn)中,具備操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、成本低、探測(cè)效率高、對(duì)人體無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn),但是由于該方法在對(duì)缺陷進(jìn)行定性定量評(píng)定時(shí),受探傷技術(shù)人員技術(shù)水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的影響較大,所以難以滿足精確評(píng)定的要求。
2.射線無(wú)損檢驗(yàn)法。由于該方法具備準(zhǔn)確判定缺陷形狀的優(yōu)點(diǎn),加之獲取的缺陷定量信息可靠性較高,所以被廣泛應(yīng)用于密閉性要求較高的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品無(wú)損探傷檢驗(yàn)中。但其缺點(diǎn)也比較明顯,如射線對(duì)人體存在一定危害性,并且射線探傷的成本高,所需檢驗(yàn)時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。
3.磁粉探傷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。主要是指在強(qiáng)磁場(chǎng)當(dāng)中,當(dāng)鐵磁性材料存在表層缺陷時(shí),會(huì)對(duì)磁粉產(chǎn)生吸附效果,通過對(duì)磁粉吸附的多少來(lái)判斷焊縫內(nèi)部是否存在缺陷。由于磁粉探傷僅能夠發(fā)現(xiàn)磁性金屬表面或是與表面極為接近處的焊縫缺陷,從而使得其只能作為定量分析之用,很難判斷出缺陷的準(zhǔn)確性質(zhì)及具體深度。
(二)焊縫無(wú)損探傷檢驗(yàn)中存在的具體問題分析
鑒于上述幾種檢驗(yàn)方法中,超聲波探傷在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢驗(yàn)中應(yīng)用范圍最廣,為此,下面僅針對(duì)該方法在具體應(yīng)用過程中存在的一些問題進(jìn)行分析。
1.一次波盲區(qū)問題。因節(jié)點(diǎn)球焊縫本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使得超聲波探傷檢驗(yàn)僅能夠從桿件的一側(cè)進(jìn)行,由于檢驗(yàn)過程受到了一定的限制,致使無(wú)論選用任何一種折射角的探頭進(jìn)行一次波探傷時(shí),都存在無(wú)法檢測(cè)到的范圍,這就是所謂的一次波盲區(qū)。正是因?yàn)槊^(qū)的存在,嚴(yán)重影響了實(shí)際檢驗(yàn)效果,這樣很容易引發(fā)各類問題。
2.曲率問題。通常情況下,螺栓球鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)當(dāng)中的桿件基本都是口徑較小且管壁較薄的鋼管,具體尺寸一般在8mm-160mm之間,由此可知其表面的曲率相對(duì)較大,這樣一來(lái)便導(dǎo)致了超聲波探頭與被測(cè)工件之間的接觸面積縮小,致使耦合條件差,聲能的損失會(huì)變得十分嚴(yán)重,回波信號(hào)會(huì)大幅度降低,增大了靈敏度補(bǔ)償值確定及調(diào)整的難度,而這一現(xiàn)象會(huì)對(duì)焊縫缺陷的長(zhǎng)度測(cè)量及位置確定造成很大影響,利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來(lái)的指示長(zhǎng)度便會(huì)超出實(shí)際值。
3.偽缺陷信號(hào)的識(shí)別問題。在采用無(wú)損探傷技術(shù)對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),一旦出現(xiàn)偽缺陷信號(hào)顯示,很容易導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤或是漏檢等情況發(fā)生。引起偽缺陷信號(hào)的因素主要包括以下幾個(gè)方面:圓度不足、破口角度存在偏差、間隙量偏差以及根部反射等等。
(三)解決措施
針對(duì)上述檢驗(yàn)中存在的具體問題,可以采取以下措施加以解決:
1.控制好超聲波探頭的晶片尺寸。通過對(duì)上文中的問題進(jìn)行分析可知,在整個(gè)檢驗(yàn)過程中,想要進(jìn)一步確保檢驗(yàn)結(jié)果的正確性,超聲波探頭是非常關(guān)鍵的關(guān)節(jié)。在焊縫的實(shí)際檢驗(yàn)過程中,對(duì)于超聲波探頭的要求如下:雜波少、尺寸小、能量集中、指導(dǎo)性好、前沿短等等。為此,在探頭的選用上必須控制好晶片尺寸。如可采用小管徑的單晶斜探頭,它的晶片尺寸是6×6mm、前沿距離為5mm左右、外形尺寸為11×19mm,基本符合超聲波探頭在實(shí)際檢測(cè)過程中的使用要求。
2.合理確定K值。由于超聲波頻率會(huì)對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢驗(yàn)的結(jié)果造成較大的影響,所以應(yīng)根據(jù)靈敏度高、頻率高、分辨力高、指向性高的要求以及焊縫特點(diǎn),選用頻率為5MHz的探頭。為了提高檢測(cè)質(zhì)量,探頭K值的選定要著重于考慮三個(gè)方面,即保證聲速中心線與危險(xiǎn)性缺陷具備垂直關(guān)系,保證聲速能夠掃查到焊縫的整個(gè)截面,保證聲速具備一定的靈敏度。根據(jù)以往檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn),K值可利用公式確定:K≥(A+B+L0)/T 上式中中,A表示球面與管壁內(nèi)接點(diǎn)到外焊縫邊緣的水平距離(mm);B表示內(nèi)焊縫寬(mm);L0是探頭的前沿距離;T則表示鋼管桿件的管厚度。通過公式計(jì)算,可采取K值為2.5或3的探頭。
3.對(duì)探頭的曲面進(jìn)行修磨。在鋼管曲率較大且半徑不同的前提下,探頭與鋼管之間的有效面積會(huì)有所減小,這樣便會(huì)導(dǎo)致聲速嚴(yán)重?cái)U(kuò)散,從而使聲波很難進(jìn)入到焊縫當(dāng)中。為此,在實(shí)際檢驗(yàn)中,應(yīng)當(dāng)將與探頭接觸的表面進(jìn)一步縮小,使他們之間形成一個(gè)相同的曲面,這樣能夠進(jìn)一步確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
二、建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
近些年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)以及電子測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,為鋼結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了有利條件,在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi),鋼結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)當(dāng)朝著檢測(cè)儀器自動(dòng)化和數(shù)據(jù)處理智能化這兩個(gè)方面發(fā)展,具體內(nèi)容如下:
(一)檢測(cè)儀器智能化
現(xiàn)階段的無(wú)損檢測(cè)基本都是由人工操作完成的,如磁粉檢測(cè)等等,這樣一來(lái)整個(gè)檢測(cè)過程受人為因素的影響較大,從而會(huì)影響到實(shí)際檢測(cè)結(jié)果,致使獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和客觀性不足。而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀器自動(dòng)化,則能夠降低人為因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,使數(shù)據(jù)誤差縮小到最低限度。
(二)數(shù)據(jù)處理智能化
通常情況下,檢測(cè)儀器在使用過程中,基本都會(huì)發(fā)出噪音,而焊縫無(wú)損檢測(cè)主要憑借的都是一些聲學(xué)、熱力學(xué)以及電磁學(xué),它們對(duì)于噪音都非常敏感,為此,在實(shí)際檢測(cè)過程中的濾波降噪成為數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中的一項(xiàng)重要工作。當(dāng)前,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是焊縫無(wú)損檢測(cè)研究的重要課題之一,其不但能夠?qū)Ω鞣N數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,而且還能進(jìn)一步降低噪音帶來(lái)的影響,一些專家學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)有機(jī)地融合到一起,構(gòu)建出了一些新的算法,如FNN、RS等等,這在一定程度上推動(dòng)了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)處理智能化的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞:無(wú)損檢測(cè)路基病害高密度電法
路基檢測(cè)是路基工程施工技術(shù)管理的重要組成部分,路基檢測(cè)工作對(duì)提高路基質(zhì)量、加快路基工程進(jìn)度、降低工程造價(jià)、推動(dòng)工程施工技術(shù)進(jìn)步,都起到了重要作用。近年來(lái),隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,無(wú)損檢測(cè)技術(shù)逐漸被引入到路基病害檢測(cè)與評(píng)價(jià)中,但其尚處于發(fā)展階段,有待進(jìn)一步的完善與提高。
1路基病害與成因
路基在大氣中、由于路基在承受土體自重、行車荷載和各種自然因素的作用下,導(dǎo)致各個(gè)部位產(chǎn)生變形,變形又引起路基標(biāo)高和邊坡坡度、形狀的改變,嚴(yán)重時(shí)造成土移,危及路基的整體性和穩(wěn)定性,造成路基的各種破壞。下面簡(jiǎn)要介紹幾種主要路基病害及其成因。
1.1路基沉陷
路基表面產(chǎn)生較大的豎向位移,引起地基下沉或向兩側(cè)擠出,形成不均勻沉陷。形成的原因是由路基填料選擇和填筑順序不當(dāng),填筑方法不合理等,如填料中混入種植土、腐殖土或泥沼等劣質(zhì)土,或土中含有大塊土或凍土等,填筑的石料規(guī)格不一,性質(zhì)不勻,空隙大,在汛期可能產(chǎn)生明顯的局部下沉;或者填筑時(shí)未在全寬范圍內(nèi)分層填筑,填筑厚度不符合規(guī)定,填料質(zhì)量不符合要求,水穩(wěn)性差,原路邊坡沒有去除植被、樹根,未做臺(tái)階處理;不同性質(zhì)的填料混填,因不同土類的可壓縮性和抗水性差異,形成不均勻沉降,路基填料含水量控制不嚴(yán),又無(wú)大型整平和碾壓設(shè)備,使壓實(shí)達(dá)不到要求;施工過程中未注意排水,遇雨天時(shí),嚴(yán)重積水,浸入路基內(nèi)部,形成水囊,晴天施工時(shí)也未排除積水,就繼續(xù)填筑,以致造成隱患,施工單位責(zé)任心不強(qiáng),自檢控制不到位等因素引起的。路基陷穴的病害成因:造成洞穴頂部塌陷的主要因素是水的作用和行車荷載作用。洞穴在水的侵蝕、潛蝕作用下和行車荷載的反復(fù)作用下,洞頂?shù)膸r土結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞,承載力也逐漸喪失,最終突然塌陷。
1.2路基滑坡
斜坡巖土體在重力作用下,沿一定的軟弱面或帶整體下滑的現(xiàn)象,叫做滑坡?;率巧絽^(qū)公路的主要病害之一?;鲁J菇煌ㄖ袛?,影響公路的正常運(yùn)輸。大規(guī)模的滑坡,可堵塞河道,推毀公路,破壞廠礦,掩埋村莊,對(duì)山區(qū)建設(shè)和交通設(shè)施危害極大。產(chǎn)生滑坡的病害成因:有內(nèi)在因素,也有外在因素。內(nèi)在因素是形成滑坡的先決條件,它包括巖土性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等。外因通過內(nèi)因?qū)缕鹬龠M(jìn)作用,它包括水的作用、地震和人為因素等。所以,滑坡是內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果。
1.3路基崩塌落石
崩塌落石是塹坡或上山坡的巖塊土石發(fā)生崩塌或墜落造成危害的地質(zhì)現(xiàn)象。具有突然、快速和較難預(yù)測(cè)的特點(diǎn),是地形、地質(zhì)比較復(fù)雜的山區(qū)公路十分常見的路基病害,對(duì)行車安全危害甚大,經(jīng)常導(dǎo)致中斷行車,甚至行車顛覆。形成崩塌的原因有:①陡峭高峻的邊坡或山體斜坡,坡度大于45°、高度大于30 m,特別是坡度在55°~75°的斜坡,是崩塌多發(fā)地段。②由風(fēng)化的堅(jiān)硬巖層組成的又高又陡的斜坡,如互層砂巖,穩(wěn)定性更差,容易形成崩塌。③受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重,有很多結(jié)構(gòu)面將巖體切割成不連續(xù)體的斜坡,特別是有兩組結(jié)構(gòu)面傾向線路,其中一組傾角較緩時(shí),容易向線路崩塌。
1.4基床翻漿冒泥、下沉外擠
基床翻漿冒泥、下沉外擠是路基本體變形而引起的病害。一般發(fā)生在基床為黏土類的路基地段,排水不良的路塹和站場(chǎng)比較多見。翻漿冒泥和基床下沉外擠病害,是基床變形不同階段的表征,翻漿冒泥導(dǎo)致陷槽或碴囊基床下沉,陷槽或碴囊的發(fā)展使基床抗剪強(qiáng)度下降,導(dǎo)致路肩隆起或邊坡外擠。病害成因:基床排水不良承載力不足或受水浸承載力進(jìn)一步下降的土質(zhì)基床在行車荷載反復(fù)作用下,將逐漸形成基床翻漿冒泥下沉外擠的病害。水若源于降雨,翻漿冒泥表現(xiàn)為季節(jié)性,即雨季發(fā)生,旱季不發(fā)生;水若源于地下水,則翻漿冒泥表現(xiàn)為常年性,但雨季比較嚴(yán)重。基床土遇水承載力下降,原因比較復(fù)雜,如基床土為膨脹土未更換或改良;排水系統(tǒng)不完善;基床未作砂墊層或厚度不足。
2無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在路基病害檢測(cè)中的應(yīng)用
路基檢測(cè)是公路工程檢測(cè)技術(shù)新科學(xué)的重要部分。無(wú)損檢測(cè)是利用其他學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)合理有效的應(yīng)有于公路工程的檢測(cè),它融檢測(cè)理論、儀器開發(fā)研制和測(cè)試操作技術(shù)及路基工程相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)于一體。
2.1病害概況
某高速公路出現(xiàn)嚴(yán)重的滑坡段滑坡由南東向北西傾斜,該滑坡體目前病害的表現(xiàn)形式主要是:坡體部分滑落到高速公路路面上,滑落物為塊石夾泥土,坡體多處開裂并在繼續(xù)發(fā)展,為土質(zhì)滑坡;滑坡平面形態(tài)呈圈椅形,傾向北西,坡向320°,坡角25°~45°,長(zhǎng)約200m,寬50~100m,平均寬60m,厚5~10m,平均厚約10m;滑坡主滑方向320°,滑體坡主要由塊石土夾粉質(zhì)粘土組成,塊石粒徑1~3m,含量約為60%。
2.2高密度電阻率法探測(cè)效果分析
高密度電阻率法的工作原理是基于垂直電測(cè)深、電測(cè)剖面和電阻率層析成像,通過高密度電阻率法測(cè)量系統(tǒng)中的軟件,控制著在同一條多芯電纜上布置連結(jié)的多個(gè)(60~120)電極,使其自動(dòng)組成多個(gè)垂向測(cè)深點(diǎn)或多個(gè)不同深度的探測(cè)斷面,根據(jù)控制系統(tǒng)中選擇的探測(cè)裝置類型,對(duì)電極進(jìn)行相應(yīng)的排列組合,按照測(cè)點(diǎn)位置的排列順序或探測(cè)斷面的深度順序,逐點(diǎn)或逐層探測(cè),實(shí)現(xiàn)供電和測(cè)量電極的自動(dòng)布點(diǎn)、自動(dòng)跑極、自動(dòng)供電、自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)存儲(chǔ)。
1)高密度電阻率法探測(cè)裝置的選擇。一般而言,不同裝置對(duì)地質(zhì)體的異常反應(yīng)大致相同,但又有不同的特點(diǎn)。溫納四級(jí)分辨能力較低,而偶極、微分分辨能力較高;對(duì)地形起伏、表面不均勻等干擾,溫納四級(jí)的影響較小,而其它不對(duì)稱電極則影響較大;在本次檢測(cè)實(shí)例中,根據(jù)探測(cè)對(duì)象、地形條件選擇溫納裝置AMNB(α)、偶級(jí)裝置ABMN(β)電極、α2電極排列方式進(jìn)行探測(cè)。
2)高密度電阻率法測(cè)線布置。高密度電阻率法測(cè)線在滑坡體的中上部和中下部各布置一條測(cè)線、測(cè)線近似平行高速公路路線,預(yù)案中本來(lái)要在滑坡體中間沿滑坡方向布設(shè)一條測(cè)線,但由于地形、地物因素的影響無(wú)法布設(shè)。分別測(cè)線L1、L2現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)相片。滑坡體中上測(cè)線L2:通過對(duì)3種排列方式現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)的正演和反演處理和分析,高密度電阻率法探測(cè)有一定的影響因素,三種排列方式中α2排列干擾因素相對(duì)較大,α和β排列方式測(cè)量效果最好,YK219+61.5~YK219+238.5里程滑坡體中下測(cè)線L2高密度電阻率法探測(cè)α和β排列成果,經(jīng)檢測(cè)資料及處理推測(cè),L2測(cè)線中間段約70~80m寬度(α排列里程大約在YK219+120~YK219+190和β排列里程大約在YK219+110~YK219+190)范圍,測(cè)線下部區(qū)域電阻率相對(duì)較低,其含水相對(duì)較豐富,存在滑移,滑移層厚度≥5m,部分區(qū)域達(dá)到近20m左右。在滑坡探測(cè)中,由于滑坡體于基巖之間存在明顯的電性差異,覆蓋層多呈低電阻率的閉合圈,而下伏基巖則表現(xiàn)為高阻反應(yīng),且連續(xù)性較好,因此基覆界線較為明顯。
關(guān)鍵詞:路面;病害;檢測(cè)
中圖分類號(hào):U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):
路面缺陷檢測(cè)和預(yù)測(cè)在道路質(zhì)量控制體系中的作用至關(guān)重要。它不僅能有效探測(cè)路面可能發(fā)生的各種病害,也可以對(duì)路面結(jié)構(gòu)各層在使用過程中的結(jié)構(gòu)性能變化做出分析和預(yù)測(cè)。近年來(lái),傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸被新型檢測(cè)技術(shù)取代。國(guó)內(nèi)外許多研究者在不斷開發(fā)新型、實(shí)用的路面檢測(cè)技術(shù)。國(guó)外在路面檢測(cè)技術(shù)方面的研究已經(jīng)有30多年的歷史,并且隨著高新技術(shù)的發(fā)展在近些年里有所突破。我國(guó)從20世紀(jì)80年代后期開始,通過設(shè)備和技術(shù)引進(jìn)與自主研發(fā),在路面檢測(cè)領(lǐng)域也獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。
彎沉檢測(cè)技術(shù)
路面彎沉是表征路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的重要指標(biāo)。最初是通過貝克曼梁利用杠桿原理進(jìn)行人工測(cè)試,測(cè)量結(jié)果為單點(diǎn)靜態(tài)回彈彎沉,這種方法技術(shù)簡(jiǎn)便、易于普及,但是檢測(cè)精度受人為和環(huán)境因素影響大、工做效率低。其后又相繼開發(fā)生產(chǎn)出自動(dòng)彎沉儀、穩(wěn)態(tài)動(dòng)力彎沉儀等。但因其具有動(dòng)力荷載較小,不能完全反映實(shí)際行車情況的缺點(diǎn),后又被落錘式彎沉儀(FWD)所取代。目前FWD被世界各國(guó)廣泛用于動(dòng)態(tài)彎沉檢測(cè)和結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)。
FWD的工作原理是通過計(jì)算機(jī)控制下把一定質(zhì)量的重錘由液壓傳動(dòng)裝置提升至一定高度,然后釋放,使其自由下落,落在一剛性圓盤上(荷載盤),對(duì)路面產(chǎn)生一個(gè)脈沖荷載,其作用時(shí)間和振幅值非常接近于運(yùn)動(dòng)著的汽車輪載,在該荷載作用下,路面產(chǎn)生變形,形成彎沉盆。彎沉盆各處的變形或者最大位移值,由分布在彎沉盆不同位置上的數(shù)個(gè)位移傳感器測(cè)定。荷載的大小通過改變落錘重量,其提升高度可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)調(diào)整,并通過剛性圓盤作用到路面上,路面的變形由5~9個(gè)位移傳感器測(cè)出?;趶澇僚钄?shù)據(jù)反演路面結(jié)構(gòu)層模量是FWD應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。
路面結(jié)構(gòu)缺陷及隱患檢測(cè)技術(shù)
傳統(tǒng)的混凝土缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要是超聲法,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展一些新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)如紅外法、雷達(dá)法、沖擊回波法、聲發(fā)射法等也相繼應(yīng)用于混凝土缺陷的無(wú)損檢測(cè)。因各種檢測(cè)方法的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍存在差異,目前國(guó)內(nèi)外在路面結(jié)構(gòu)檢測(cè)中應(yīng)用最為廣泛的檢測(cè)技術(shù)為探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)和沖擊回波檢測(cè)技術(shù)。
探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)
雷達(dá)波屬于電磁波的一種,其主要原理是雷達(dá)波在混凝土中傳播時(shí),其傳播速度與介質(zhì)的介電常數(shù)相關(guān),當(dāng)遇到混凝土界面、內(nèi)部缺陷、鋼筋等介電常數(shù)變化較大的目標(biāo)時(shí)發(fā)生反射、散射等,通過反射信號(hào)的波形、傳播時(shí)間等參數(shù)判斷混凝土內(nèi)部狀況。
對(duì)于非磁性介質(zhì),電磁波的反射特性僅與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波在地層中傳播的過程中,遇到該反射界面就會(huì)產(chǎn)生反射波,從而探地雷達(dá)根據(jù)不同的反射波的振幅、相位及頻率特征進(jìn)行對(duì)比,確定路面的結(jié)構(gòu)層厚度及路基病害。
沖擊回波檢測(cè)技術(shù)
沖擊回波法的原理是由彈性沖擊產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)力波理論。由鋼球短促敲擊混凝土表面,產(chǎn)生低頻應(yīng)力波(70kHz以下),該應(yīng)力波進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部并在缺陷或其它界面處發(fā)生反射。由反射波引起的結(jié)構(gòu)表面位移被傳感器記錄下來(lái),產(chǎn)生電壓―時(shí)間信號(hào),即波形。該信號(hào)描述了由結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力波的多次反射引起的瞬時(shí)振動(dòng)。在這些振動(dòng)中占主導(dǎo)地位的頻率同來(lái)自結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同深度反射上來(lái)的應(yīng)力波有關(guān)。由于缺陷的存在,波的傳播方式以及在實(shí)心結(jié)構(gòu)中發(fā)生的發(fā)射均被改變。這些變化在沖擊回波測(cè)試中的波形及頻譜上均有反映。沖擊回波技術(shù)在路面檢測(cè)中主要用于路面厚度、裂縫等的檢測(cè)分析。
路面應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)
路面在使用過程中要不斷經(jīng)受荷載、溫度等的影響,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,這些因素均能引起路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷,從而影響到路面的整體使用性能。常見的主要有電阻式和振弦式等幾種,但是這些傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)由于受到工作原理和材料性質(zhì)所限,多為點(diǎn)傳感,采集的數(shù)據(jù)量有限,難以滿足目前土木工的監(jiān)測(cè)要求,而傳感器材耐久性差,不便于更換缺陷,更影響到了檢測(cè)結(jié)果和技術(shù)的推廣。
光纖傳感器由于光纖良好的物理化學(xué)特性以及杰出的傳導(dǎo)、傳感性能,使其在近年來(lái)得到迅猛發(fā)展??蓮V泛用于路面結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變和溫度檢測(cè)、結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)、裂縫檢測(cè)和結(jié)構(gòu)整體性估計(jì)等幾方面。光纖傳感器具有連續(xù)監(jiān)控、傳輸容量大、耐久性好、抗干擾能力強(qiáng)、輕細(xì)柔韌和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn),使其表現(xiàn)出卓越的工作性能以及良好的發(fā)展前景。
路面破損狀況檢測(cè)技術(shù)
路面破損檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)一直是路面管理領(lǐng)域的重要研究方向,目前以基于攝影/攝像和模式識(shí)別技術(shù)的圖像檢測(cè)方法應(yīng)用最為廣泛。交通部公路科學(xué)研究所開發(fā)了“路面圖像識(shí)別系統(tǒng)”CiAS (Cracking Image Analysis System)。CiAS系統(tǒng)能夠?qū)β访嫫茡p(裂縫、坑槽等)進(jìn)行自動(dòng)分析和處理,確定裂縫位置,計(jì)算裂縫長(zhǎng)度和寬度,并按照我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動(dòng)歸類,數(shù)據(jù)處理結(jié)果還可直接發(fā)送給路面管理系統(tǒng)(CPMS)?,F(xiàn)有的路面破損自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)均需采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、離線分離的工作方式,因具有圖象識(shí)別功能、識(shí)別精度較低、數(shù)據(jù)處理工作極大等缺點(diǎn),一定程度上限制其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。
病害的產(chǎn)生極大地降低了路面的使用性能,同時(shí)也帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,對(duì)路面結(jié)構(gòu)實(shí)行安全檢測(cè)顯得異常重要。目前越來(lái)越多的現(xiàn)代化高新技術(shù)融入到檢測(cè)技術(shù)中,使得路面結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)正向快速、準(zhǔn)確、便捷等方向發(fā)展。掌握適合我國(guó)高等級(jí)公路病害的合理檢測(cè)技術(shù)和手段,對(duì)路面早期病害的成因準(zhǔn)確地進(jìn)行分析和處治,具有重要的意義
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關(guān)鍵詞:損傷檢測(cè),土木工程,健康監(jiān)測(cè)
0 引言
任何土木結(jié)構(gòu)都會(huì)由于材料本身老化、過度使用、環(huán)境侵蝕、缺乏維護(hù)等因素的影響而失效,對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效損傷檢測(cè)能夠地診斷出缺陷(裂紋,銹蝕等)的位置和程度,使結(jié)構(gòu)能得到及時(shí)的修復(fù)和加固,以確保結(jié)構(gòu)的可靠性。隨著結(jié)構(gòu)的老化及病害事例的增多,土木工程損傷檢測(cè)技術(shù)的重要性己逐漸被人們認(rèn)識(shí)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,土木工程結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)技術(shù)從方法簡(jiǎn)單的原始專家經(jīng)驗(yàn)方法過渡到依靠科學(xué)儀器檢測(cè)的規(guī)范方法。對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的可靠性評(píng)定,也已越來(lái)越依賴儀器進(jìn)行檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)了。傳統(tǒng)的損傷檢測(cè)方法主要包括外觀檢查、微破損檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn),以及在特殊情況下進(jìn)行抽樣破壞性試驗(yàn)等。一般來(lái)說,傳統(tǒng)檢查的方法對(duì)結(jié)構(gòu)具有一定的破壞性,且難以得到結(jié)構(gòu)的全面信息,尤其是結(jié)構(gòu)中的隱蔽部位。而且檢查結(jié)果的準(zhǔn)確程度往往依賴于檢查者的工程經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷,難以對(duì)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備及退化的途徑做出系統(tǒng)的評(píng)估。于是近十幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在尋找能更為方便快捷的檢測(cè)方法。目前普遍認(rèn)可的一種最有前途的方法就是結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別、振動(dòng)理論、動(dòng)測(cè)試技術(shù)、信號(hào)采集與分析、智能型傳感器等跨學(xué)科技術(shù)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法,這種方法在發(fā)達(dá)國(guó)家己被廣泛應(yīng)用于航空、航天、精密機(jī)床等領(lǐng)域的故障診斷、載識(shí)別和動(dòng)力修改等問題之中。
目前,這種基于現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的損傷檢測(cè)方法也應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域中。這種方法總體上可以分為兩類:即靜態(tài)檢測(cè)方法和動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。其中靜態(tài)檢測(cè)方法有射線檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法、雷達(dá)波檢測(cè)法、紅外檢測(cè)法等。而動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法主要是基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的損傷識(shí)別方法。
1 靜態(tài)檢測(cè)方法
(1)射線法:是利用 x 射線或 γ 射線以及中子射線易于穿透物體,且在穿透過程中
受到吸收和散射而衰減的性質(zhì),在感光材料中獲取與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷相對(duì)應(yīng)的透射相片,從而檢測(cè)出物體內(nèi)部的缺陷情況。這種方法的缺點(diǎn)是所需的設(shè)備笨重,且對(duì)建筑物有一定程度的破壞(如需要鉆孔放置底片等)。而且,由于建筑物對(duì) x 射線或 γ射線的吸收問題,使得穿透深度很小而得不到廣泛應(yīng)用。因此,這種方法對(duì)于大型建筑物或大型橫梁、橋墩、水庫(kù)堤壩的非破損檢測(cè)效果不理想。
(2)聲發(fā)射檢測(cè)法:是利用物體受到外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂,造成應(yīng)力松弛,儲(chǔ)存的部分能量以應(yīng)力波形式釋放出來(lái)的現(xiàn)象。聲發(fā)射應(yīng)力波的聲源是物體內(nèi)部的微裂紋、位錯(cuò)或內(nèi)部有微觀、宏觀變化的部位。因此,聲發(fā)射是從獲得的信號(hào)中探求聲源性質(zhì)的方法。該方法自1964年聲發(fā)射被首次證明可用于工程結(jié)構(gòu)以來(lái),有關(guān)聲發(fā)射的研究比較緩慢,主要原因是聲發(fā)射信號(hào)的復(fù)雜多變難以提取和易受外界干擾造成信息的失真。
(3)超聲波法:是一種應(yīng)用十分廣泛的無(wú)損檢測(cè)方法,其基本原理是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性,依據(jù)聲學(xué)規(guī)律,超聲波的聲學(xué)量,如超聲聲速、傳播時(shí)間、超聲衰減和頻譜等與物體的幾何、力學(xué)量相聯(lián)系,因此,通過分析超聲波波形特點(diǎn)和測(cè)量這些聲學(xué)量來(lái)確定物體或材料得幾何、力學(xué)特性及內(nèi)部缺陷的大小和方位。一般來(lái)說,它只適用于檢查幾何形狀比較簡(jiǎn)單的小型構(gòu)件。
(4)雷達(dá)波法:是利用發(fā)射天線將高頻電磁波(10-2000MHz)以寬頻帶短脈沖形式送入介質(zhì)內(nèi)部,經(jīng)目標(biāo)體反射后回到表面,回波信號(hào)由接收天線接收。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí),其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度及波形通過介質(zhì)的電性性質(zhì)及幾何形態(tài)變化,根據(jù)接收反射回波的雙程走時(shí),幅度和相位等信息,對(duì)介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷等進(jìn)行準(zhǔn)確定位。目前該方法主要用于檢測(cè)一些地下隱蔽設(shè)施和道路工程。
(5)紅外檢測(cè)理論基礎(chǔ):熱輻射定律和熱傳導(dǎo)微分方程。紅外輻射是由原子或分子的振動(dòng)引起的。自然界中的任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都能輻射紅外線,紅外輻射功率與物體表面溫度密切相關(guān),而其表面溫度場(chǎng)的分布直接反映了傳熱時(shí)材料的熱工性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表面狀況對(duì)熱分布的影響。因此,紅外檢測(cè)法是把來(lái)自目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)變成可見的熱圖像,通過直觀地分析物體表面的溫度分布,推定物體表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和缺陷,并以此判斷材料的性質(zhì)和受損情況的一種無(wú)損檢測(cè)方法。紅外法可定性定量地分析和診斷火災(zāi)混凝土的損傷情況,對(duì)火災(zāi)檢測(cè)是一大進(jìn)步。
上述局部無(wú)損檢測(cè)方法在應(yīng)用上有很多共同的局限:(1)是要求事先知道損傷的近似位置及損傷的結(jié)構(gòu)可以接近;(2)是結(jié)構(gòu)的一些部位難以到達(dá),對(duì)于一些大型結(jié)構(gòu)特別是比較復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)檢測(cè)其損傷是不可能的;(3)是這類方法是定期的人工檢測(cè)方法,要求結(jié)構(gòu)的一些功能在檢測(cè)期停止使用或工作,造成一定的經(jīng)濟(jì)損失;(4)是不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)間隔期內(nèi)的損傷;(5)是不能對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)的監(jiān)測(cè)。
2 動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法
動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法即基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的損傷識(shí)別方法。它是利用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)。其基本原理是:結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)(如固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼等)是結(jié)構(gòu)物理特性(如質(zhì)量、剛度和阻尼)的函數(shù),因而結(jié)構(gòu)物理特性的改變會(huì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的改變。這種損傷探測(cè)方法屬于整體檢測(cè)方法,相對(duì)于前述的局部無(wú)損檢測(cè)方法而言,它能夠檢測(cè)一些較大形體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件。目前該方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在航空、航天以及精密機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面。除了整體檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)外,對(duì)于石油平臺(tái)、大型橋梁等大型土木工程結(jié)構(gòu),可以利用環(huán)境激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè),從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),這是很吸引人的。
但是對(duì)于大型土木結(jié)構(gòu),該方法目前還存在一定的困難。進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用還有很多研究工作要做,主要體現(xiàn)在:
(1)土木結(jié)構(gòu)較多的不確定因素、復(fù)雜的工作環(huán)境以及大型性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性測(cè)量精度低,損傷識(shí)別困難;
(2)目前該方法對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別靈敏度過低,與早期發(fā)現(xiàn)損傷這一目標(biāo)差距較大;
(3) 有關(guān)方法往往要求提供結(jié)構(gòu)早期信息?;谡駝?dòng)的損傷識(shí)別方法是一種有著良好前景而又遠(yuǎn)未成熟的方法,必須進(jìn)行更深入的研究。
3 結(jié)語(yǔ)
從上述列舉的土木工程無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以看出,這些技術(shù)只是在某時(shí)刻對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行的檢測(cè)與評(píng)估。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu),僅僅依靠偶爾地檢測(cè)是不能夠獲得結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)信息的。實(shí)時(shí)了解結(jié)構(gòu)工作性能,對(duì)結(jié)構(gòu)安全性做出及時(shí)地評(píng)估才是該項(xiàng)技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展趨勢(shì)。因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的思想是在結(jié)構(gòu)上永久性安裝傳感器,對(duì)結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境下運(yùn)營(yíng)的物理與力學(xué)狀態(tài)以及附屬設(shè)施的工作狀態(tài)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性和工程結(jié)構(gòu)所處環(huán)境條件等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過現(xiàn)場(chǎng)安裝的監(jiān)測(cè)儀器和計(jì)算機(jī)輔助完成結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別,為結(jié)構(gòu)的維護(hù)、維修和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)具有眾多的優(yōu)勢(shì)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的缺陷:(1)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào),節(jié)約損傷探測(cè)與維護(hù)費(fèi)用;(2)客觀的歷史記錄數(shù)據(jù)減少了人為因素,從而減少了主觀誤差和停工時(shí)間;(3)自動(dòng)化測(cè)量,保障了測(cè)量的可靠性;(4)停工減少與可靠性增加,保障了工程結(jié)構(gòu)高的運(yùn)營(yíng)效率,大大降低了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。因此可以預(yù)見,結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)就是實(shí)現(xiàn)真正意義上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。
【關(guān)鍵詞】噴射混凝土強(qiáng)度;貫入法檢測(cè)
1.研究目的
在隧道工程中,噴射混凝土作為隧道初期支護(hù)的一個(gè)組成部分,對(duì)控制圍巖變形、防止圍巖坍塌起著重要作用。而早期強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)噴射混凝土性能的一個(gè)重要指標(biāo),在支護(hù)體系前期的質(zhì)量評(píng)定中起著重要作用。當(dāng)前,我國(guó)公路行業(yè)沒有進(jìn)行噴射混凝土的無(wú)損檢測(cè)強(qiáng)度評(píng)價(jià),只有依據(jù)驗(yàn)收規(guī)范對(duì)其進(jìn)行28天立方體抗壓強(qiáng)度檢測(cè),此方法存在時(shí)效性、真實(shí)性、便捷性等諸多問題,不能有效的控制噴射混凝土的施工質(zhì)量,因此,需要改進(jìn)檢查方法。
2.調(diào)查研究
客運(yùn)專線作為目前我國(guó)設(shè)計(jì)行車時(shí)速最高的鐵路,對(duì)工程質(zhì)量提出了非常高的要求?!犊瓦\(yùn)專線鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)》針對(duì)噴射混凝土早期(1d)強(qiáng)度檢測(cè)提出了明確的要求:每一噴射循環(huán)施工單位、監(jiān)理單位須檢查一次,檢測(cè)方法為貫入法或拔出法。兩種方法相比,拔出法在工程中的應(yīng)用較為成熟,檢測(cè)誤差較貫入法小,但對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有損傷,現(xiàn)場(chǎng)操作不方便;而貫入法以其對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)破壞、受結(jié)構(gòu)物形狀和尺寸的限制小、設(shè)備輕便、操作容易、安全快捷等優(yōu)點(diǎn),更適合在現(xiàn)場(chǎng)使用。作為一種新的檢測(cè)方法,目前,貫入法在我國(guó)的應(yīng)用還不成熟,對(duì)貫入法的研究還非常少,還沒有形成明確的規(guī)范和試驗(yàn)檢測(cè)方法。
3.研究計(jì)劃
貫入法屬于無(wú)損檢測(cè)方法(檢測(cè)后僅表層產(chǎn)生不超過10mm的小坑),適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定噴射混凝土的強(qiáng)度。其工作原理是依據(jù)美國(guó)ASTM C803的標(biāo)準(zhǔn)貫入阻力原理,采用壓縮彈簧加載,把一鋼制測(cè)釘貫入混凝土中,因其貫入深度與混凝土的強(qiáng)度成反比,即可根據(jù)測(cè)釘?shù)呢炄肷疃葋?lái)推定噴射混凝土的強(qiáng)度。通過在試驗(yàn)室對(duì)大量噴射混凝土試件進(jìn)行實(shí)測(cè),取得大量數(shù)據(jù),并以此數(shù)據(jù)來(lái)建立噴射混凝土早期強(qiáng)度與貫入深度的關(guān)系曲線。
3.1 檢測(cè)設(shè)備
采用HQG-1000型測(cè)強(qiáng)儀(目前市場(chǎng)上HQG-1000型測(cè)強(qiáng)儀大致上有三個(gè)廠家,分別為上海,北京,無(wú)錫。該儀器在市場(chǎng)上參考價(jià)為上海:2300元,北京2100元,無(wú)錫1650元。),該設(shè)備主要由測(cè)試儀、測(cè)釘和測(cè)深表3部分組成(如圖1)。
⑹ 測(cè)釘系由高強(qiáng)度特殊鋼材特制而成。測(cè)深表系一特制百分表,通過初始測(cè)量值與貫入后測(cè)量值之差,計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的貫入深度值。
3.2 檢測(cè)方法
1)噴射混凝土施工完畢后,選擇測(cè)區(qū)。測(cè)區(qū)宜選擇在較平整處,且避開各種管線干擾之處。
2)每一噴射循環(huán)應(yīng)隨機(jī)選取10個(gè)測(cè)區(qū),每一測(cè)區(qū)的面積約500cm2。相鄰兩測(cè)區(qū)的間距不宜小于0.5m。
3)每個(gè)測(cè)區(qū)選取5個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)應(yīng)在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均布,相鄰測(cè)點(diǎn)之間的最小間距為5cm。選好測(cè)點(diǎn)后進(jìn)行標(biāo)識(shí)和編號(hào)。
4)使用測(cè)強(qiáng)儀對(duì)每一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行貫入檢測(cè)。
5)使用專用測(cè)深表(測(cè)量尺)對(duì)每一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行貫入后的讀數(shù)測(cè)量并記錄,測(cè)量值精確到0.01mm。測(cè)量前必須用橡膠吹風(fēng)器將孔內(nèi)吹干凈,否則會(huì)影響測(cè)量深度。
6)初讀數(shù)減去貫入后的讀數(shù)即為測(cè)點(diǎn)的貫入深度值。每個(gè)測(cè)區(qū)5個(gè)測(cè)點(diǎn)中,去除1個(gè)最大值和1個(gè)最小值,將剩下的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的貫入深度值進(jìn)行平均值計(jì)算,作為該測(cè)區(qū)的貫入深度值。
3.3 強(qiáng)度換算及推定
3.3.1 建立早期強(qiáng)度回歸曲線
將噴射混凝土噴入大板中,切割成100mm×100mm×100mm立方體試件(噴大板切割法),做足試件數(shù)量,此噴射混凝土試件用材料應(yīng)與施工過程中的完全一致,待混凝土齡期達(dá)到3天、5天、7天、10天、15天、20天、28天等等以后(強(qiáng)度太低,測(cè)釘射入后會(huì)把試件打破,無(wú)法測(cè)得貫入深度)時(shí)即可開始進(jìn)行率定,先對(duì)試件進(jìn)行貫入試驗(yàn)(宜在混凝土試件的四個(gè)側(cè)面上共選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)),測(cè)得貫入深度平均值,然后再對(duì)該試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),測(cè)得抗壓強(qiáng)度值,這樣即可得到一組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。如此反復(fù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的測(cè)定,對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)不得少于20個(gè)對(duì)比組,然后對(duì)所得數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行一元線性回歸分析,求得強(qiáng)度公式。
3.3.2 測(cè)區(qū)抗壓強(qiáng)度換算
3.4 驗(yàn)證
在施工現(xiàn)場(chǎng),先進(jìn)行貫入法檢測(cè),再用鑿方切割法,取出長(zhǎng)約35cm、寬約15cm的噴射混凝土塊加工成100mm×100mm×100mm立方體試件檢測(cè)抗壓強(qiáng)度或用取芯法,取出直徑為100mm噴射混凝土塊加工成φ100mm×100mm圓柱體試件檢測(cè)抗壓強(qiáng)度,進(jìn)行測(cè)強(qiáng)曲線可靠性驗(yàn)證。
4.新方法特點(diǎn)
⑴ 及時(shí)性:能夠在混凝土噴射后,在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)度的評(píng)價(jià),質(zhì)量控制及時(shí)有效;
⑵ 可靠性:現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),樣品多,直觀,可重復(fù),數(shù)據(jù)可驗(yàn)證,數(shù)據(jù)真實(shí)可靠;
⑶ 便捷性:方法簡(jiǎn)單,方便,勞動(dòng)強(qiáng)度低;
⑷ 貫入法檢測(cè)噴射混凝土強(qiáng)度的準(zhǔn)確性雖然受回歸方程的精度、噴射混凝土的骨料、所選測(cè)點(diǎn)的位置等因素的影響,但隨著對(duì)貫入法的不斷熟悉和了解,檢測(cè)誤差會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定,檢測(cè)速度會(huì)不斷提高。同時(shí),用貫入法來(lái)檢測(cè)噴射混凝土早期強(qiáng)度,具有操作性好、對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn),便于施工單位對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行自控。作為一種檢測(cè)手段,它的應(yīng)用前景將是非常廣闊的。
參考文獻(xiàn):
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[2]中鐵二局.鐵建設(shè)[2005]160號(hào)客運(yùn)專線鐵路隧道施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.
[3]薛吉崗.鐵建設(shè)[2005]160號(hào)鐵路混凝土施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.
(一)課程內(nèi)容龐雜
土木工程測(cè)試課程所包含的教學(xué)內(nèi)容多而雜。包含電阻式、鋼弦式、電感式、電容式等多種傳感器,且每種傳感器的工作原理和使用方法各異;還包含電阻應(yīng)變片的構(gòu)造、工作原理及測(cè)量技術(shù)等內(nèi)容;又涉及到工程結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)和半破損檢測(cè)技術(shù);同時(shí)還融合了模擬信號(hào)、采集儀表和試驗(yàn)機(jī)等機(jī)械和電氣相關(guān)專業(yè)知識(shí);而針對(duì)房屋建筑、橋梁、隧道、道路和礦山等工程性質(zhì)的不同,所采用的測(cè)試元件和量測(cè)方案均不相同。這些教學(xué)內(nèi)容之間既相互聯(lián)系又有區(qū)別,因此,給學(xué)生的感覺是教學(xué)內(nèi)容太多、過于分散、重點(diǎn)不突出、難以理清頭緒,學(xué)生普遍反映該門課程難學(xué)。
(二)教學(xué)手段單一
目前在土木工程測(cè)試技術(shù)課程的教學(xué)過程中,要么完全采用滿堂灌、填鴨式的黑板板書教學(xué)手段,要么完全采用多媒體課件的授課方式。課程教學(xué)手段較為單一,從而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容難于理解和掌握。因土木工程測(cè)試技術(shù)課程所涉及的內(nèi)容多而雜,不同的授課內(nèi)容理應(yīng)運(yùn)用不同的教學(xué)手段,才能在一定程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性,進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。
(三)課程綜合性強(qiáng)
土木工程測(cè)試技術(shù)是一門綜合性較強(qiáng)的課程,其以土木工程中材料力學(xué)、巖土力學(xué)、彈性力學(xué)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等課程為理論基礎(chǔ),并以計(jì)算機(jī)工程、電氣工程等學(xué)科為技術(shù)支持,同時(shí)還融合了土木工程的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此,學(xué)好本門課程的前提是要求學(xué)生掌握過硬的土木工程專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和了解部分其他專業(yè)相關(guān)知識(shí),例如在聲波測(cè)試技術(shù)這一章里面,對(duì)于聲波速度的求解需要學(xué)生對(duì)彈性力學(xué)和數(shù)理方程有所熟悉;對(duì)于換能器的工作原理又要求學(xué)生了解晶體的壓電效應(yīng);對(duì)于聲波儀還需要學(xué)生掌握示波器、振蕩器和放大器等設(shè)備。又因?qū)W時(shí)有限,對(duì)于綜合性如此強(qiáng)的一門課程,如不采取重點(diǎn)突出、補(bǔ)差補(bǔ)短等教學(xué)手段,對(duì)于大部分學(xué)生而言,課程教學(xué)質(zhì)量必然很差。
(四)無(wú)綜合性教材
我校土木工程測(cè)試技術(shù)課程授課對(duì)象為土木工程、城市地下空間工程、工程管理三個(gè)專業(yè)的本科生,而土木工程專業(yè)下又設(shè)置了礦山建設(shè)工程、巖土與地下工程、工業(yè)與民用建筑和道路與橋梁工程四個(gè)方向。不同專業(yè)方向的學(xué)生畢業(yè)后將參與到隸屬于“大土木”范疇內(nèi)的不同性質(zhì)工程建設(shè)中,在施工現(xiàn)場(chǎng)所接觸到的一些土木測(cè)試儀器和方法也會(huì)有所不同。但現(xiàn)有的土木工程測(cè)試技術(shù)課程教材,要么是側(cè)重于巖土與地下工程、公路工程的測(cè)試,專業(yè)方向性很強(qiáng);要么是測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)講解較少,可參考的綜合性書籍又是以手冊(cè)的形式出現(xiàn),因其價(jià)格相對(duì)較貴,不適合作為本科生的教材。
二、課程教學(xué)改革內(nèi)容及方法
(一)課程開課時(shí)間的設(shè)置
要想使土木工程測(cè)試技術(shù)課程的教學(xué)效果得到最佳,前提是學(xué)生需掌握土木工程的力學(xué)概念和具體施工工法,就拿盾構(gòu)隧道檢測(cè)技術(shù)這一節(jié)內(nèi)容來(lái)說,如果學(xué)生對(duì)城市地鐵盾構(gòu)法施工工序全然不知,或?qū)Χ軜?gòu)機(jī)的構(gòu)造及工作原理不甚了解,則將導(dǎo)致學(xué)生對(duì)測(cè)試對(duì)象和測(cè)試方法難以理解,更嚴(yán)重的會(huì)使得學(xué)生喪失本門課的學(xué)習(xí)興趣,勢(shì)必造成極差的教學(xué)效果。因此,本課程的授課對(duì)象應(yīng)該是高年級(jí)本科生。據(jù)多年的教學(xué)效果對(duì)比來(lái)看,個(gè)人認(rèn)為其最佳的開課時(shí)間應(yīng)選在大學(xué)三年級(jí)下學(xué)期,在此時(shí)間段學(xué)生首先已掌握了一些土木工程最基本的施工方法,再則學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)不會(huì)受到求職、考研等客觀因素的影響。我校土木建筑學(xué)院自2008年以來(lái)將土木工程測(cè)試技術(shù)課程的開課時(shí)間從四年級(jí)上學(xué)期移至三年級(jí)下學(xué)期,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和課程的教學(xué)效果均得到大幅度提高。
(二)課程教學(xué)內(nèi)容的精選和更新
結(jié)合現(xiàn)有土木工程測(cè)試技術(shù)相關(guān)書籍精心選取教學(xué)內(nèi)容,確定本課程的教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容為測(cè)試技術(shù)的理論基礎(chǔ)、土木工程測(cè)試常用傳感器的構(gòu)造及工作原理(主要包括電阻式傳感器、振弦式傳感器和光纖傳感器等)、混凝土的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(主要包括混凝土強(qiáng)度的回彈法和超聲波法檢測(cè)、混凝土的超聲波法探傷技術(shù))、混凝土的半破損檢測(cè)技術(shù)(主要包括混凝土強(qiáng)度的鉆芯法、射釘法等檢測(cè)技術(shù))、測(cè)試技術(shù)的工程應(yīng)用(主要包括深基坑工程、路基路面、橋梁結(jié)構(gòu)、隧道工程和礦建工程等方面的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用實(shí)例)。隨著土木工程建設(shè)水平的不斷提高,土木工程中的新型測(cè)試儀器、設(shè)備和方法層出不窮。對(duì)于如此一門快速發(fā)展的學(xué)科和課程,其教學(xué)內(nèi)容要時(shí)刻把握測(cè)試技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài),使學(xué)生能接觸到土木工程測(cè)試技術(shù)最前沿的知識(shí)。這就要求教師教學(xué)的參考資料不能僅僅局限于教材,而目前僅有的土木工程測(cè)試課程教材編寫時(shí)間較早,沒有體現(xiàn)當(dāng)今一些土木工程測(cè)試的新技術(shù)、新儀器。教師應(yīng)利用互聯(lián)網(wǎng)資源,通過訪問Google學(xué)術(shù)搜索引擎、中國(guó)知網(wǎng)、中國(guó)傳感網(wǎng)等網(wǎng)站獲取有關(guān)信息,并及時(shí)將其加入課件中逐年更新豐富教學(xué)內(nèi)容。如現(xiàn)有土木工程測(cè)試技術(shù)相關(guān)教材中,對(duì)土木工程常用的傳感器介紹還是主要側(cè)重于電阻式和振弦式傳感器等,但如今,光纖式傳感器在土木工程領(lǐng)域得到了高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,筆者在傳感器這一章中對(duì)此類傳感器會(huì)專門做有關(guān)講解。另外在業(yè)余時(shí)間,應(yīng)盡可能教會(huì)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)資源獲取方法,像如何利用關(guān)鍵詞檢索相關(guān)論文等方面。必要時(shí),還須更換最新教材。
(三)針對(duì)不同專業(yè)方向突出教學(xué)重點(diǎn)
我校土木工程測(cè)試技術(shù)課程的授課對(duì)象為3個(gè)專業(yè)共計(jì)6個(gè)方向的本科生,該課程的教學(xué)由于課時(shí)的限制,應(yīng)根據(jù)不同專業(yè)方向,采取重點(diǎn)突出和難點(diǎn)分散的指導(dǎo)思想,才能取得良好的教學(xué)效果。這就要求教師在課堂教學(xué)中要把握課程最核心的內(nèi)容,并且做到有的放矢。如測(cè)試技術(shù)的理論基礎(chǔ)和傳感器這兩章對(duì)任何專業(yè)方向的學(xué)生都需做詳細(xì)講解。又因混凝土是土木工程中應(yīng)用最為廣泛的建筑材料,在房屋、道路、橋梁、隧道和礦山等工程領(lǐng)域中均能看到它的身影,所以混凝土的無(wú)損和半破損檢測(cè)技術(shù)也是任何專業(yè)方向?qū)W生掌握的核心內(nèi)容。在測(cè)試技術(shù)工程應(yīng)用方面,對(duì)于工民建方向可重點(diǎn)介紹深基坑工程檢測(cè)技術(shù),對(duì)于路橋方向重點(diǎn)介紹橋梁和路基路面檢測(cè)技術(shù),對(duì)于巖土與地下工程方向重點(diǎn)介紹深基坑工程檢測(cè)技術(shù)和隧道工程檢測(cè)技術(shù),而對(duì)于礦山建設(shè)工程方向則須重點(diǎn)介紹井巷工程的檢測(cè)技術(shù),進(jìn)而建立了土木工程測(cè)試技術(shù)課程的模塊化教學(xué)體系。尤其對(duì)巖土與地下工程、礦山建設(shè)工程方向的學(xué)生,要讓他們知道現(xiàn)階段隧道工程、地鐵工程、基礎(chǔ)工程和礦建工程等設(shè)計(jì)理論都很不成熟,主要采用工程類比法,現(xiàn)場(chǎng)施工必須借助于有關(guān)測(cè)試技術(shù),學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代的工程測(cè)試手段更顯重要。
(四)多種教學(xué)手段合理綜合運(yùn)用
本課程內(nèi)容豐富,要求學(xué)生掌握的信息量大,要想在有限的時(shí)間內(nèi)完成較多的教學(xué)內(nèi)容,而且同時(shí)保證教學(xué)效果,采用傳統(tǒng)或單一的教學(xué)手段難度極大。因此,應(yīng)針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容合理運(yùn)用不同的教學(xué)手段。如在測(cè)試技術(shù)理論基礎(chǔ)的教學(xué)中,采用黑板板書和課后參觀相結(jié)合的教學(xué)手段,測(cè)試系統(tǒng)的誤差處理和傳遞特性利用黑板板書進(jìn)行講授,課后參考實(shí)驗(yàn)室測(cè)試儀器,可使得學(xué)生對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的組成有更深刻的認(rèn)識(shí);在傳感器的教學(xué)中,主要運(yùn)用多媒體教學(xué)手段,現(xiàn)有教材一般只給出傳感器的簡(jiǎn)圖,通過拍攝實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有傳感器照片、互聯(lián)網(wǎng)搜尋相關(guān)廠家的傳感器實(shí)物圖片等,來(lái)改進(jìn)制作多媒體課件,這樣可使得學(xué)生對(duì)土木工程常用傳感器有著更為直觀的認(rèn)識(shí);在混凝土檢測(cè)技術(shù)的教學(xué)中,則運(yùn)用黑板板書和多媒體的綜合教學(xué)手段,通過板書講授檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法,通過多媒體講授混凝土回彈儀、超聲波儀和鉆芯機(jī)等檢測(cè)設(shè)備。另外,結(jié)合“提問式”教學(xué)方法,讓學(xué)生自行思考,達(dá)到引入的目的,進(jìn)一步提高教學(xué)效果。
(五)課堂教學(xué)結(jié)合工程實(shí)踐
在土木工程測(cè)試技術(shù)課堂教學(xué)中,教師如果能將自身所參與的工程測(cè)試案例,整理、提煉制成適合教學(xué)需要的素材并用于輔助教學(xué),可切實(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。筆者曾在混凝土無(wú)損及半破損檢測(cè)這一章講授過程中,引用了自身參與的淮南望風(fēng)崗礦副井混凝土井壁的回彈法和鉆芯法檢測(cè)工程實(shí)例,向?qū)W生演示了整個(gè)項(xiàng)目的檢測(cè)方法及步驟,并配以現(xiàn)場(chǎng)拍攝的工程測(cè)試照片,然后讓學(xué)生對(duì)測(cè)試原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用所學(xué)知識(shí)來(lái)綜合判定該井壁混凝土的強(qiáng)度。這樣不僅提高了學(xué)生的分析問題能力,而且培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。對(duì)比以往參照教材上的實(shí)例講解來(lái)看,該堂課學(xué)生滿意度較好,在很大程度上提高了教學(xué)效果。
(六)實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生動(dòng)手操作
我院土木工程測(cè)試技術(shù)課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)共有8個(gè)學(xué)時(shí),主要內(nèi)容為電阻和振弦式傳感器的標(biāo)定、混凝土強(qiáng)度回彈法檢測(cè)、混凝土強(qiáng)度聲波法檢測(cè)和混凝土內(nèi)部缺陷的超聲波探傷等。以前由于學(xué)時(shí)數(shù)限制、實(shí)驗(yàn)設(shè)備欠缺等多方面的原因,主要由教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)教學(xué),通常1f2個(gè)班級(jí)的學(xué)生在旁邊觀看,學(xué)生不能親自動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,這樣勢(shì)必影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣以及對(duì)所學(xué)內(nèi)容的掌握。如今新購(gòu)入一些實(shí)驗(yàn)儀器后,基本可達(dá)到讓學(xué)生動(dòng)手操作的要求,能夠使學(xué)生更好地了解監(jiān)測(cè)的目的和要求,系統(tǒng)而直觀地向?qū)W生介紹各種測(cè)試儀器的工作原理和測(cè)試方法,使學(xué)生更能有針對(duì)性地進(jìn)行監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì),有利于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力,拓寬學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)。
(七)考核形式
該課程考試采用開卷考試的形式,考題主要以工程實(shí)例的監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)為主,考核學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力,而且內(nèi)容包括基坑測(cè)試、橋梁道路測(cè)試和隧道工程測(cè)試等多方面內(nèi)容,可供考生根據(jù)自身的專業(yè)方向和興趣來(lái)選做。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫也能夠考查學(xué)生處理測(cè)試數(shù)據(jù)的能力,故土木工程測(cè)試技術(shù)課程的學(xué)生成績(jī)由卷面成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)兩個(gè)方面來(lái)綜合判定。
三、課程教學(xué)實(shí)踐效果及體會(huì)
關(guān)鍵詞:小波理論;閥值;信噪比
1 引言
缺陷損傷信號(hào)摻雜了股波信號(hào)、斷絲缺陷信號(hào)以及噪聲信號(hào)。除卻斷絲缺陷信號(hào),其他信號(hào)都對(duì)整個(gè)檢測(cè)結(jié)果造成了干擾,導(dǎo)致了不能精確缺陷損傷量值,所以,若想檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確,必定將探傷信號(hào)進(jìn)行分離去噪。而小波理論在信噪分離與提取弱信號(hào)方面具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),具有在時(shí)頻兩域表達(dá)信號(hào)局部特征的能力。很適合探測(cè)正常信號(hào)中夾帶的瞬態(tài)反常信號(hào)。
2 小波消噪算法
3 小波去噪的基本步驟
(1)對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,并進(jìn)行小波分解。選擇小波確定分解的層數(shù)N,然后對(duì)信號(hào)S進(jìn)行N層分解。
(2)小波分解的高頻系數(shù)的閾值量化。對(duì)第一層到第N層高頻系數(shù),選擇軟閾值或硬閾值量化處理。
(3)一維小波重構(gòu)。根據(jù)小波分解的第N層低頻系數(shù)和第一層到第N層的高頻系數(shù),進(jìn)行一維重構(gòu)。
在小波降噪的步驟中,如何選取閾值和如何將閾值量化兩項(xiàng)內(nèi)容是最為重要的,它直接影響信號(hào)降噪的質(zhì)量。
3.1閾值函數(shù)
(2)軟閾值(soft thresholding)
當(dāng)小波系數(shù)的絕對(duì)值大于等于給定的閾值時(shí),令其值為減去閾值;而小于時(shí),令其為0.即:
(3-2)
軟閾值法去噪在實(shí)際應(yīng)用中已取得了不錯(cuò)的效果,但也存在著如硬閾值在閾值點(diǎn)不連續(xù),重構(gòu)可能產(chǎn)生震蕩等一些潛在的缺點(diǎn);軟閾值連續(xù),但估計(jì)的小波系數(shù)和分解的小波系數(shù)有恒定的偏差,直接影響重構(gòu)信號(hào)對(duì)真實(shí)信號(hào)的逼近程度。
3.2閾值的選取
閾值的選取在去噪過程中起著決定性的作用,是小波去噪過程中最關(guān)鍵的一步,閥值選取過大,則去除了有用信號(hào)部分,導(dǎo)致信號(hào)失真;如果閥值選取過小,小波系數(shù)又會(huì)包含大量的噪聲,沒有達(dá)到去噪效果。
(1)固定閾值
(3-3)
(2)Stein無(wú)偏似然估計(jì)閾值
對(duì)于給定一個(gè)閾值t,得到它的似然估計(jì),再將非似然的t最小化,就得到了所選的閾值。
(3)啟發(fā)式閾值
它是前兩種閾值的綜合,是最優(yōu)預(yù)測(cè)變量閾值選擇,如果信噪比很小時(shí),無(wú)偏似然估計(jì)的誤差交大,此時(shí),采用固定閾值。令:
(3-4)
進(jìn)行比較,如果 時(shí),將采用固定閾值,如果 時(shí),將采用無(wú)偏似然估計(jì)。
圖3-2 降噪前后對(duì)比
Figure 3-2 Noise before and after comparison
去噪效果的評(píng)價(jià)
(3-6)
(3-7)
式中標(biāo)準(zhǔn)初始信號(hào)為 ,去噪處理后的估計(jì)信號(hào)為 。其中,SNR越大越好, MSE越小越好。
4 多分辨率分析在鋼絲繩漏磁信號(hào)分析中的應(yīng)用
由于多分辨率分析能夠?qū)⑿盘?hào)展開在不同頻帶上,因而能夠?qū)⑿盘?hào)按不同的頻帶進(jìn)行分離,這一特性對(duì)于分析多頻率振動(dòng)信號(hào)是十分有用的。
如圖4-1所示,為被測(cè)鋼絲在進(jìn)行基于霍爾原理的漏磁檢測(cè)時(shí),會(huì)生成一組原始波形,在檢測(cè)曲線的兩個(gè)端部附近有一變化緩慢的趨勢(shì)項(xiàng),即所謂的“端部效應(yīng)”。原始波形中,存在著非斷絲原因造成的干擾,將這些信號(hào)用Matlab法進(jìn)行編制,并采用‘db4’小波對(duì)圖4-2的原始波形實(shí)施5層多分辨率分析,結(jié)果變成如圖4-3顯現(xiàn)的狀態(tài)。從圖中我們可以看出在檢測(cè)信號(hào)初始圖中所分辨不出的斷絲信號(hào),而在初始圖中一些非斷絲雜質(zhì)信號(hào)也被去掉,信噪比有很大提高。
圖4-1鋼絲繩的初始信號(hào)圖
Figure 4-1 of the initial signal diagram of the wire rope
圖4-2 鋼絲繩漏磁信號(hào)多分辨率分解圖
Figure 4-2wire rope magnetic flux leakage signal multi-resolution decomposition map
圖4-3 鋼絲繩漏磁信號(hào)重構(gòu)圖
Figure 4-3 wire rope magnetic flux leakage signal reconstruction maps
5小結(jié)
本文引入了小波變換的基本理論思想及基礎(chǔ),另外也介紹了小波消噪、小波多分辨率分析等,并以這些理論為基礎(chǔ),詳細(xì)介紹了小波消噪算法,并對(duì)漏磁通漏磁信號(hào)圖進(jìn)行多分辨率分析,小波分析后的結(jié)果較之前相比信噪比明顯的提高。
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Wavelet Analysis of Steel Rope Fault Signal.
Zhang Yong yan,Wang Zhe
(Institute of Automation,School of Information Engineering,Huangshan University,Huangshan 245021,China)
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