CN115078532A - 混凝土梁板质量冲击回波检测装置及其检测方法 - Google Patents

混凝土梁板质量冲击回波检测装置及其检测方法 Download PDF

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武瑛
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Abstract

本发明公开了一种混凝土梁板质量冲击回波检测装置及其检测方法，检测装置包括冲击箱体，冲击箱体内部两侧沿高度方向间隔设置有多对抽拉挡片，位于两侧同一高度的抽拉挡片的一端与设置在冲击箱体外部的侧耳固定连接；同一高度的一对抽拉挡片之间具有横向间距，且同一高度的一对抽拉挡片之间搁置有冲击钢球，位于同一高度处的冲击钢球的直径大于抽拉挡片之间的横向间距；冲击箱体的下端设置有对准管，对准管的上端开口与最下层的抽拉挡片之间的横向间距对应。本发明的操作具有可再现性，与传统人工持钢锤敲击不同，本发明只需将对准管对正待激励位置释放同直径钢球就可以实现同等能量和位置的触发。

Description

混凝土梁板质量冲击回波检测装置及其检测方法
技术领域
本发明属于土木工程、结构工程、机械检测技术领域，具体涉及一种混凝土梁板质量冲击回波检测装置及其检测方法。
背景技术
装配式建筑作为一种经济、快捷的建筑形式，在工业民用建筑以及交通土建桥梁梁板等土木工程领域已得到广泛应用。其中混凝土材料由于可塑性较强、抗压性能高、经济实惠等诸多优点成为目前使用最广泛的建筑材料。但是由于装配式混凝土结构属于暴露在外界环境中的大型结构，在建造及运营阶段存在诸多难以避免的因素，使得混凝土产生裂缝、孔洞、磨损、蜂窝、脱空等质量问题。这些问题一旦出现会使混凝土构件本身出现抗压性、耐久性等性能的下降，严重时还会影响整个结构的正常使用。因此对于混凝土结构的质量健康状态进行检测及评估具有重大意义。
对于混凝土材料质量的检测方法可大致分为有损检测和无损检测两种。有损检测相对简单，但是会对结构本身造成一定损坏，因此有损检测方法一般不被采用。无损检测技术则是利用科技发展成果通过无损检测设备对目标内部进行检测，无损检测具有无破坏性、灵活性、便捷性等特点。目前使用较多的无损检测技术为超声波探伤法、冲击回波法、预埋传感器法。其中，超声波探伤法需要在待测目标的两面设置传感器，这一检测条件使得超声波探伤法难以广泛应用于工程实践中。因此在实际应用中最常用的检测方法是冲击回波法，即在待测目标表面施加冲击产生应力波，当应力波传播到混凝土结构中，遇到介质波阻抗不连续的界面时发生反射透射或绕射；当反射回波到达结构表面会再次被反射进入结构内部，这样多次的往复反射将激发结构的局部瞬态共振，从而使波形具有周期性特征；在信号的频谱中表现为对应于结构厚度或缺陷深度、模量、密度等信息的频率峰值，通过对测试得到的回波信号进行频谱分析便可辨识被测混凝土结构的开裂、密实度下降、孔洞、模量损失等内部质量状况。
目前冲击回波法制造激励的方法通常是人工手持钢制小锤敲击待测结构表面来激发应力波。但在实际检测过程中，上述这种检测方法存在以下技术问题：
(1)人工手持小锤敲击待测部位难以保证每次敲击力度和敲击点都能与接收仪器的距离相同；
(2)钢制小锤在经历多次敲击后易产生磨损、弯折等损坏，导致测量结果不稳定；
(3)钢锤重量较重，并不适合与冲击回波这类精密检测仪器构成检测系统，缺乏专业性；
(4)传统激励方式具有不可再现性，无法保证人工敲击的力度与位置完全相同；
(5)目前的传统检测方法不存在对比验证，混凝土板结构维修养护往往是耗资较高成本巨大的，只依靠相同的激励获得的检测结果可信性不强，按照目前的检测方式经济性差。
发明内容
为解决冲击回波法目前存在的上述问题，本发明提出一种混凝土梁板质量冲击回波检测装置及其检测方法，本发明将信号接收器布置在混凝土表面，调节激励装置，将对准管对正到混凝土板预定位置将伸缩腿调节到适当高度，从下至上依次释放大小不同的冲击钢球，记录对应的应力波信息，通过对测试得到的回波信号进行频谱分析便可辨识被测混凝土结构的厚度、模量损失、开裂深度等内部质量状况，本发明的操作具有可再现性，与传统人工持钢锤敲击不同，本发明采用的激励方式只需要将对准管对正待激励位置释放同直径钢球就可以实现同等能量和位置的触发；可以用于比较不同激励源对冲击回波法检测效果的影响，也可用于比较相同激励源对于不同高度的检测结果，使最终的检测结果更具可信性。
为解决上述问题，本发明提供如下方案：
一种混凝土梁板质量冲击回波检测装置，其特征在于：包括下端开口的冲击箱体，所述冲击箱体内部两侧沿高度方向间隔设置有多对抽拉挡片，位于两侧同一高度的抽拉挡片的一端与设置在冲击箱体外部的侧耳固定连接；同一高度的一对所述抽拉挡片之间具有横向间距，且同一高度的一对所述抽拉挡片之间搁置有冲击钢球，位于同一高度处的所述冲击钢球的直径大于抽拉挡片之间的横向间距；所述冲击箱体的下端设置有对准管，所述的对准管的上端开口与最下层的抽拉挡片之间的横向间距对应。
进一步的，所述冲击箱体的下端安装有可调节高度的伸缩腿，所述对准管的上端固定连接在所述伸缩腿上，所述对准管为空心可收缩塑料管，所述对准管上端开口与最下层的抽拉挡片的纵向距离可通过所述伸缩腿调节。
进一步的，所述伸缩腿的伸长量为30mm～100mm之间；所述对准管长度为30mm～100mm。
进一步的，所述冲击箱内部填充有用于防止冲击钢球撞击箱体内壁的缓冲海绵。
进一步的，所述冲击钢球的直径自上而下是相同的。
进一步的，所述冲击钢球的直径自上而下是依次递减的。
采用上述所述的检测装置进行凝土梁板质量冲击回波的检测方法，其特征在于：所述检测方法包括如下步骤：
步骤一：将信号接收器布置在待测混凝土表面，调节检测装置，将所述对准管对正到混凝土板预定位置，并将所述伸缩腿调节至适当高度；
步骤二：拉动最下层的侧耳，释放位于该层的冲击钢球，根据信号接收器接收到的信息记录应力波信息；
步骤三：取出步骤二中落下的对准管内冲击钢球，放置好后拉动上一层的侧耳，使上一层的冲击钢球下落至最下层的抽拉挡片上，然后调节伸缩腿高度，对正对准管后拉动最下层的抽拉挡片释放冲击钢球，根据信号接收器接收到的信息记录应力波信息；
步骤四：拉动侧耳使位于上一层的冲击钢球下落至最下层的抽拉挡片上，重复上述步骤三，冲击箱内的冲击钢球依次下落，并根据信号接收器接收到的信息记录应力波信息；
步骤五：根据记录得到的应力波信息，混凝土缺陷和开裂深度以及脱空情况用以下公式(1)求解：
Figure BDA0003662999890000051
其中：H为混凝土板厚度，单位为m；B为结构形状系数,对于混凝土板B值取0.96；Vz为纵波在混凝土结构中的传播速度，单位为m/s；f为缺陷深度或混凝土结构厚度的频率，对应于频谱图中的峰值频率，单位为Hz。
步骤六：根据记录得到的应力波信息，混凝土模量状态用以下公式(2)反向求解出混凝土当前模量：
Figure BDA0003662999890000052
其中：R1为释放小球的直径，V0为已知小球与混凝土板接触时速度
Figure BDA0003662999890000053
h为下落高度，g为重力加速度，M为小球质量，TS为小球与混凝土接触时间，TS＝1.25/fs,fs为小球激励引起的振动频率，
Figure BDA0003662999890000054
为小球与混凝土的泊松比均值，E1小球模量，以上参数均为已知量，将其带入公式(2)中则可反推出当前混凝土模量状态。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、操作具有可再现性，与传统人工持钢锤敲击不同，本发明采用的激励方式只需要将对准管对正待激励位置释放同直径钢球就可以实现同等能量和位置的触发；
2、本发明可采用多种规格的冲击钢球作为激励源，并设有可调节的伸缩腿，可以用于比较不同激励源对冲击回波法检测效果的影响，也可用于比较相同激励源对于不同高度的检测结果，使最终的检测结果更具可信性；
3、本发明所采用的激励触发的检测装置，操作简单轻巧便携，对操作人员要求不高，也无需人工频繁敲击，大大降低人力成本；
4、本发明设有对准管，冲击钢球回收方便，避免冲击钢球弹飞不宜寻找的状况，提升了检测效率。
附图说明
图1是本发明检测装置结构示意图；
图2是本发明直径是6mm的冲击钢球作用下的频谱示意图；
图3是本发明直径是8mm的冲击钢球作用下的频谱示意图；
图4是本发明直径是12mm的冲击钢球作用下的频谱示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。
本发明的一种混凝土梁板质量冲击回波检测装置，参考图1，包括下端开口的冲击箱体5，所述冲击箱体5内部两侧沿高度方向间隔设置有多对抽拉挡片7，位于两侧同一高度的抽拉挡片7的一端与设置在冲击箱体外部的侧耳3固定连接；同一高度的一对所述抽拉挡片7之间具有横向间距，且同一高度的一对所述抽拉挡片7之间搁置有冲击钢球6，位于同一高度处的所述冲击钢球6的直径大于抽拉挡片7之间的横向间距；所述冲击箱体3的下端设置有对准管4，所述对准管4的上端开口与最下层的抽拉挡片7之间的横向间距对应。
在一种实施例中，所述冲击箱体5的下端安装有可调节高度的伸缩腿8，所述对准管4的上端固定连接在所述伸缩腿8上，所述对准管4为空心可收缩塑料管，所述对准管上端开口与最下层的抽拉挡片的纵向距离可通过所述伸缩腿调节。
在一种实施例中，所述伸缩腿8的伸长量为30mm～100mm之间；所述对准管长度为30mm～100mm。
在一种实施例中，所述冲击箱体5内部填充有用于防止冲击钢球撞击箱体内壁的缓冲海绵2。
在一种实施例中，所述冲击钢球的直径自上而下是依次递减的。
采用上述所述的检测装置进行凝土梁板质量冲击回波的检测方法，所述检测方法包括如下步骤：
步骤一：将信号接收器布置在待测混凝土表面，调节检测装置，将所述对准管对正到混凝土板预定位置，并将所述伸缩腿调节至适当高度；
步骤二：拉动最下层的侧耳，释放位于该层的冲击钢球，根据信号接收器接收到的信息记录应力波信息；
步骤三：取出步骤二中落下的对准管内冲击钢球，放置好后拉动上一层的侧耳，使上一层的冲击钢球下落至最下层的抽拉挡片上，然后调节伸缩腿高度，对正对准管后拉动最下层的抽拉挡片释放冲击钢球，根据信号接收器接收到的信息记录应力波信息；
步骤四：拉动侧耳使位于上一层的冲击钢球下落至最下层的抽拉挡片上，重复上述步骤三，冲击箱内的冲击钢球依次下落，并根据信号接收器接收到的信息记录应力波信息；
步骤五：根据记录得到的应力波信息，混凝土厚度或缺陷深度用以下公式(1)求解：
Figure BDA0003662999890000081
其中：H为混凝土板厚度，单位为m；B为结构形状系数,对于混凝土板B值取0.96；Vz为纵波在混凝土结构中的传播速度，单位为m/s；f为缺陷深度或混凝土结构厚度的频率，对应于频谱图中的峰值频率，单位为Hz。
步骤六：根据记录得到的应力波信息，混凝土模量状态用以下公式(2)反向求解出混凝土当前模量：
Figure BDA0003662999890000082
其中：R1为释放小球的直径，V0为已知小球与混凝土板接触时速度
Figure BDA0003662999890000083
h为下落高度，g为重力加速度，M为小球质量，TS为小球与混凝土接触时间，TS＝1.25/fs,fs为小球激励引起的振动频率，
Figure BDA0003662999890000084
为小球与混凝土的泊松比均值，E1小球模量，以上参数均为已知量，将其带入公式(2)中则可推出当前混凝土模量状态。
本发采用新型的检测装置代替传统冲击回波法中的钢制小锤，所述冲击箱体5具有圆形硬塑材质制成的顶盖1。
在一种实施例中，冲击钢球由直径为6mm、8mm、12mm的钢球组成；所述抽拉挡片由三对抽拉挡片和侧耳组成，抽拉挡片横向间距分别为4mm、6mm、10mm，纵向间距为20mm，与外部侧耳相连，最下层抽拉挡片与冲击箱体底部距离为10mm；所述冲击箱体为30mm×30mm×60mm的硬塑制长方体；所述伸缩腿最长伸长量可达100mm、最短回缩长度为30mm，用以适应冲击回波检测过程中的撞击要求；所述对准管用于精确激励点位置并且利于回收冲击钢球，其材质为空心可收缩塑料管，长度与伸缩腿配套为30mm-100mm，直径13mm；所述缓冲海绵为聚氨酯海绵作为冲击箱填充物，海绵间隙为2mm，在冲击箱体内填充缓冲海绵以防止冲击钢球滚动与冲击箱内壁碰撞，破坏其精密性。
具体的，上述实施例的检测方法按如下步骤进行：
将信号接收器布置在待测混凝土表面，调节检测装置，将对准管对正到混凝土板预定位置，根据检测需求将伸缩腿调节到适当高度，满足检测要求；拉动最下层的侧耳释放6mm冲击钢球，记录应力波信息；取出对准管内6mm冲击钢球，重新放置好后拉动中层的侧耳使8mm冲击钢球下落至下层抽拉挡片上，调节伸缩腿的高度，对正对准管后拉动下层抽拉挡片释放8mm冲击钢球，记录信息；取出对准管内8mm冲击钢球，重新放置好后拉动上层的侧耳使12mm冲击钢球下落至中层抽拉挡片上，再拉动中层的侧耳使12mm冲击钢球下落至下层抽拉挡片上，调节伸缩腿的高度，对正对准管后拉动下层抽拉挡片释放12mm冲击钢球，记录信息。
待测混凝土板尺寸为0.5m×1m×0.2m，混凝土参数见表1。分别释放6mm、8mm、12mm冲击钢球进行激励，以比较不同冲击源作用下的检测效果。将安装在混凝土板表面附近的信号接收器采集到的信息进行处理得到冲击回波信号的频谱图。图2-图4为伸缩腿长度为80mm时6mm、8mm、12mm冲击钢球作用下的信号频谱图。根据频谱信息给出关于混凝土厚度、以及模量的质量检测数据，计算结果如下表2所示。
表1混凝土参数表
Figure BDA0003662999890000101
表2不同冲击钢球作用下厚度检测结果表
Figure BDA0003662999890000102
表3不同冲击钢球作用下模量检测结果表
Figure BDA0003662999890000103
本发明冲击钢球被释放后冲击混凝土表面，激发应力波，当应力波传播到混凝土结构中，遇到介质波阻抗不连续的界面时发生反射透射或绕射；当反射回波到达结构表面会再次被反射进入结构内部，这样多次的往复反射将激发结构的局部瞬态共振，从而使波形具有周期性特征；在信号的频谱中表现为对应于结构厚度或缺陷深度、模量、密度等信息的频率峰值，通过对测试得到的回波信号进行频谱分析便可辨识被测被测混凝土结构的开裂、密实度下降、孔洞、模量损失等内部质量状况。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种混凝土梁板质量冲击回波检测装置，其特征在于：包括下端开口的冲击箱体，所述冲击箱体内部两侧沿高度方向间隔设置有多对抽拉挡片，位于两侧同一高度的抽拉挡片的一端与设置在冲击箱体外部的侧耳固定连接；同一高度的一对所述抽拉挡片之间具有横向间距，且同一高度的一对所述抽拉挡片之间搁置有冲击钢球，位于同一高度处的所述冲击钢球的直径大于抽拉挡片之间的横向间距；所述冲击箱体的下端设置有对准管，所述的对准管的上端开口与最下层的抽拉挡片之间的横向间距对应。
2.如权利要求1所述的一种混凝土梁板质量冲击回波检测装置，其特征在于：所述冲击箱体的下端安装有可调节高度的伸缩腿，所述对准管的上端固定连接在所述伸缩腿上，所述对准管为空心可收缩塑料管，所述对准管上端开口与最下层的抽拉挡片的纵向距离可通过所述伸缩腿调节。
3.如权利要求2所述的一种混凝土梁板质量冲击回波检测装置，其特征在于：所述伸缩腿的伸长量为30mm～100mm之间；所述对准管长度为30mm～100mm。
4.如权利要求3所述的一种混凝土梁板质量冲击回波检测装置，其特征在于：所述冲击箱体内部填充有用于防止冲击钢球撞击箱体内壁的缓冲海绵。
5.如权利要求4所述的一种混凝土梁板质量冲击回波检测装置，其特征在于：所述冲击钢球的直径自上而下是相同的。
6.如权利要求4所述的一种混凝土梁板质量冲击回波检测装置，其特征在于：所述冲击钢球的直径自上而下是依次递减的。
7.采用如权利要求1～6之一所述的检测装置进行凝土梁板质量冲击回波的检测方法，其特征在于：所述检测方法包括如下步骤：
步骤一：将信号接收器布置在待测混凝土表面，调节检测装置，将所述对准管对正到混凝土板预定位置，并将所述伸缩腿调节至适当高度；
步骤二：拉动最下层的侧耳，释放位于该层的冲击钢球，根据信号接收器接收到的信息记录应力波信息；
步骤三：取出步骤二中落下的对准管内冲击钢球，放置好后拉动上一层的侧耳，使上一层的冲击钢球下落至最下层的抽拉挡片上，然后调节伸缩腿高度，对正对准管后拉动最下层的抽拉挡片释放冲击钢球，根据信号接收器接收到的信息记录应力波信息；
步骤四：拉动侧耳使位于上一层的冲击钢球下落至最下层的抽拉挡片上，重复上述步骤三，冲击箱内的冲击钢球依次下落，并根据信号接收器接收到的信息记录应力波信息；
步骤五：根据记录得到的应力波信息，混凝土厚度或缺陷深度用以下公式(1)求解：
Figure FDA0003662999880000021
其中：H为混凝土板厚度，单位为m；B为结构形状系数,对于混凝土板B值取0.96；Vz为纵波在混凝土结构中的传播速度，单位为m/s；f为缺陷深度或混凝土结构厚度的频率，对应于频谱图中的峰值频率，单位为Hz；
步骤六：根据记录得到的应力波信息，混凝土模量状态用以下公式(2)反向求解出混凝土当前模量：
Figure FDA0003662999880000031
其中：R1为释放小球的直径，V0为已知小球与混凝土板接触时速度
Figure FDA0003662999880000032
h为下落高度，g为重力加速度，M为小球质量，TS为小球与混凝土接触时间，TS＝1.25/fs,fs为小球激励引起的振动频率，
Figure FDA0003662999880000033
为小球与混凝土的泊松比均值，E1小球模量，以上参数均为已知量，将其带入公式(2)中则可反推出当前混凝土模量状态。
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