使用超声水平剪切水平波评估混凝土构件的裂缝深度

摘要：

      确定表面开口（可见）裂缝的深度对于评估混凝土构件的结构安全性至关重要。然而使用传统的无损检测方法准确测量裂缝深度具有挑战性。本研究开发了一种使用超声波剪切-水平波（SH）检测混凝土表面裂缝开裂深度的新方法，该方法基于超声波在裂缝底部边缘的衍射。现成的超声成像设备与干点接触换能器一起使用，该换能器具有一组发射和一组接收，一发一收的配置执行的接收器。SH波在数据解释方面优于其他波，因为SH波具有较高的信噪比，作为其发射器产生的**波类型，并且衍射后没有模式转换。因此在时域中准确识别衍射 SH 波的传播时间是非常可行的。裂缝深度可以通过 SH 波的双向传播时间、换能器之间的间距和 SH 波速度来计算。该方法通过有限元模型和来自两个案例研究的实验数据进行了验证。结果表明与超声波纵波法相比，该方法能显着提高表面开裂深度测定的精度。

介绍：

      混凝土构件遭受各种类型的劣化（例如钢筋腐蚀、分层和表面开裂）。表面开放裂缝（可见）是*有害的劣化之一，因为当它们渗透到钢筋时，它们会直接破坏混凝土构件的强度并加速钢筋腐蚀。腐蚀的发展会导致分层并*终导致混凝土剥落。这些单独和组合的劣化破坏了混凝土构件的适用性和安全性。因此裂缝深度的检测对于评估混凝土构件的结构安全性至关重要。已经开发了各种损伤检测方法，例如结构健康监测和无损评估。结构健康监测通常侧重于全尺度响应测量，以评估动态特性。通过创新性地使用 GPS和分析算法的开发来显着降低计算难度，已经完成了一些开创性工作来监测桥梁动态特性。然而表面开放裂缝通常太小，不会影响整个结构的动态特性。与结构健康监测相比，无损检测更适合检测局部缺陷（例如表面开裂）。

      本研究开发了一种新的时间差方法，采用超声波剪切水平波(SH)，具有高信噪比，衍射后无需模式转换称为 UPE -SH 方法。对 UPE-P 和 UPE-SH 方法进行了有限元模拟，以比较两种方法之间的波能量差异。进行 UPE-SH 测试的可用设备包括 EyeCon和 Pundit 200 PE。用于混凝土结构的超声成像，UPE-SH方法包括两个步骤，与传统的UPE-P方法相同。**步是通过测量样品底部反射的双向传播时间 (TWTT) 来确定无裂缝区域的剪切波速度。第二步测量衍射后的 SH 波的 TWTT（双向传播时间），测量是在信号发射源和接收器之间的裂缝处进行的。为了检验所提出方法的可行性，进行了两个案例研究，一个混凝土试件有 3 个人工裂缝，另一个试件在循环荷载作用下有几个实际裂缝。

超声脉冲回波检测P波和SH波的比较

      图1（a）和（b）分别显示了表面方向（垂直）冲击和表面剪切冲击（水平）时波与垂直裂缝相互作用的示意图。对于半无限固体，垂直冲击产生P波、剪切波（S）和瑞利波。对于板状结构，产生P波、S波和兰姆波（Lamb波）。当兰姆波的波长远小于结构的厚度时（例如200mm厚的混凝土中 50 kHz 波的波长约为 50 mm），基本的耦合运动反对称（A0）和对称（S0）的兰姆波模式成为准瑞利波波，以下称为表面波。与垂直冲击相比，水平冲击只产生SH波。在半无限固体中，垂直冲击的能量转化为P波、S波和表面波的比例分别为7%、26%和67%。波从裂缝的底部边缘衍射后，边缘成为圆柱形波源，到达裂缝底部边缘的**个P波的衍射产生P波和S波 [图1（a）, P_dP 和 P_dS ]，而SH波的衍射仅产生SH波[图1（b）, S_dS]。

图 1.  波与垂直裂缝相互作用的示意图：（a）来自 UPE-P 的垂直冲击（b）来自 UPE-SH 的水平影响

图 2 FEM模拟的波传播快照：（a）UPE-P 具有垂直影响的裂缝模型 (b) UPE-SH 水平冲击裂缝模型； (c) 对 UPE-P 有垂直影响的完整模型；（d）UPE-SH 具有水平冲击的完整模型。

      使用 COMSOL Multiphysics（5.3 版）软件进行三维 (3D) 有限元模拟以模拟混凝土试样中的超声波脉冲回波。混凝土试件的横波速度为 2465 m/s，尺寸为 350×203×203 mm（长×宽×厚），中间有 100 mm 深的表面开放垂直裂缝（以下称为裂缝模型）。有限元模型 (FEM) 的四个边具有吸收边界材料，以*大限度地减少来自边的反射。为了模拟超声波设备的干点接触 (DPC) 换能器源，中心频率为 50 kHz的超声波脉冲垂直于表面发射，垂直冲击并平行于表面具有水平冲击力。垂直和水平冲击放置在裂缝右侧，距离裂缝 50 mm。有限元模型的*大时间离散化为 0.01μs，以确保稳定的时间增量，总持续时间为 200μs，以确保捕获来自裂缝**的相关波衍射和来自全厚度的反射波，*大单元为 4.8 mm (大约 1/10 *小波长）以确保模拟任何感兴趣波长的波。超声脉冲分别应用于UPE-P和UPE-SH情况下混凝土板垂直和水平方向的三维有限元模型。

      图 2（a 和 b）分别显示了在 UPE-P 和 UPE-SH 情况下从板的纵向中跨切片的波传播。与UPE-SH情况下的水平冲击相比，UPE-P情况下的垂直冲击产生的波传播更加复杂，*快波前的能量也要弱得多[图2 （a）和（b）]。在距离裂缝 50 mm 处裂缝右侧的节点处记录加速度响应，UPE-P 和 UPE-SH 案例的响应加速数据分别如图 3（a 和 b）。 每个信号都经过短时傅立叶变换 (STFT) 处理以生成显示能量强度分布的频谱图。UPE-P情况下的衍射P波变得非常弱[图 3(a)]，而在 UPE-SH 情况下，来自裂缝**的衍射 SH 波和来自试样底部的反射波都保持非常清晰 [图 3 (b)]。

图 3.  混凝土表面瞬态冲击有限元模拟的原始信号和 STFT 谱图：(a) 具有垂直冲击的裂缝模型； (b) 水平冲击裂缝模型； (c) 具有垂直冲击的完整模型； (d) 具有水平冲击的完整模型。

      开发了一个具有相同尺寸和材料特性但没有任何裂缝的附加有限元模型（以下称为完整模型）。UPE-P 和 UPE-SH 测试是使用完整模型进行模拟的 [图2（c 和 d）]。具有垂直和水平冲击的完整模型的加速度响应分别如[图3（c和d）]所示。在UPE-P的完整模型中，垂直撞击源产生了一个弱的直接P波和一个主导的表面波[图3(c)]。与 UPE-P 案例相比，UPE-SH 案例具有清晰的来自水平冲击源的直射和反射 SH 波 [图3(d)]。裂缝和完整模型中 P 波和 SH 波传播的比较表明 SH 波优于 P 波，因为 SH 波具有高信噪比，无需衍射后的模式转换。

基于剪切-水平波的超声脉冲回波方法

      新的 UPE-SH 方法需要具有一组 SH 波发射器和一组接收器的一发一收配置的测试设备。SH波脉冲从裂缝一侧的发射器发出，从裂缝**衍射后，波被裂缝另一侧的接收器接收[图4(a)]。新方法可用的现成设备包括 EyeCon和 Pundit 200 PE。本研究中使用的 Pundit 200 PE 具有三个作为发射器的通道和三个作为接收器的通道[图4(b 和 c)]，通道间隔 20 mm。每个通道具有三个 DPC 换能器，横向间距为 20 mm。来自九个接收器的信号的叠加可以显着提高A扫描信号的信噪比。来自分布式集料的不一致反射可以被抵消，而来自感兴趣对象的衍射和反射得到增强。

图 4.  新 UPE-SH 方法的超声波测试：（a）UPE-SH 方法在一发一收配置中的示意图； (b) Pundit 200 PE； (c) 使用 Pundit 200PE 进行超声波检测的示意图； (d) 完整和裂纹区域的超声波检测的 A 扫描。

      图 4(d) 显示了来自完整和裂缝区域的超声波检测的 A 扫描。完整区域的 A 扫描首先显示直达波的脉冲，然后是样品底部的反射。裂缝区域的 A 扫描没有显示直达波，而是显示了从底部的衍射。图 4（d）中的实线的初至延迟出现清楚地证明了裂缝的存在。两个区域中试样底部的反射显示出非常接近的 TWTT（双向传播时间），尽管裂缝区域的反射幅度远小于完整区域的反射幅度。

      由于 A 扫描仅给出双向传播时间，因此需要混凝土中的 SH 波速度来计算裂缝深度。SH波速度可以通过双向传播距离除以 TWTT（双向传播时间）来计算试样底部反射

      其中 d = 换能器与另一个换能器中间的间距（Pundit 200 脉冲回波为60mm）；h =试样厚度，可作为多次测量的平均值； T = TWTT双向传播时间。然后可以用波速和从裂纹底部衍射的初至 TWTT 计算裂纹深度。

案例研究

      从两个不同试样获得的超声数据被用来验证新方法的可行性。**个试样在三个不同深度（64、94 和 152 mm）处有三个人工垂直裂缝。第二个试样在实验室中在垂直载荷下产生了几个垂直裂纹，超声波方法测试了其中两个裂纹，在*大载荷下测得的深度分别为 70 和 125 mm。本研究中使用的传感器间距(d)为60mm的Pundit 200 PE和Surfer分别如图5(a和b)所示。

图 5.  超声波测试设备：(a) 使用 Pundit 200 PE 的 UPE-P 测试； (b) 使用Surfer进行 UPE-SH 测试。

案例 1：三个不同深度的三个人工垂直裂缝的试样

      **个试件在三个不同深度（64、94 和 152 mm）处有三个人工垂直裂缝，分别代表浅、中和深的表面张开裂缝（图 6）。 使用高64、94 和 152 mm、厚1 mm的塑料板模拟三种不同深度的垂直裂缝（图 6）。 使用金属丝和胶带将板固定到模具上，以确保它们在混凝土浇筑和振动操作期间保持在原位。完整区域的厚度为 203 mm，这是四次测量（205、204、201 和 201 mm）的平均值。

图6.  试件预埋前后3条人工裂缝（a、d）64mm；（b和e）) 94毫米；（c和f）152毫米。

      首先在完整区域进行超声波测试以评估试样的剪切波速度。完整区域中一次测试的 A 扫描及其包络分别如图 7（a 和 b）。包络是通过首先应用希尔伯特变换然后取**值来获得的。来自样品底部的直达波和反射可以在图 7 中清楚地识别出来。反射的 TWTT 为 152.8 μs（图 7，垂直虚线）。 将试样厚度和 TWTT 代入方程[公式 (1) ] 给出了 2,683 m=s 的横波速度。

图 7.  在完整区域使用 Pundit 200 脉冲回波进行的 UPE-SH 测试：(a) A 扫描； (b) 包络，虚线表示双向旅行时间的横坐标

      在估算混凝土试件中的 SH 波速度后，对三个裂缝进行了超声波测试。三个裂纹测试的 A 扫描及其包络线如图8-10所示。由图8和图10的虚线可以估计出浅层裂纹的行波时间为54.0 μs，中裂纹的 TWTT 为 75.3 μs，深裂纹的 TWTT 估计为 117.6 μs。将时间代入公式(2) 给出的浅裂纹深度估计为 66.0 mm，中裂纹为 96.5 mm，深裂纹为 154.2 mm。使用 Surfer 进行的 UPE-P 测试对每个裂缝进行了五次测量，得出的平均深度估计为浅裂缝 98.2 毫米、中裂缝 119.6 毫米和深裂缝 157 毫米，标准偏差在表 1括号中注明实际深度与估计深度的比较，可以看出UPE-SH 方法测试裂纹深度的误差远小于 UPE-P 方法。

图 8 .  浅裂纹 UPE-SH 测试：（a）A 扫描； (b) 包络 虚线表示双向旅行时间的横坐标

图 9.  中裂纹 UPE-SH 测试：(a) A-scan； (b) 包络，虚线表示双向旅行时间的横坐标。

图 10 . UPE-SH 测试一深裂纹：(a) A-scan； (b) 包络，虚线表示双向旅行时间的横坐标

案例 2：具有真实垂直裂缝的试样

      第二个试样在垂直方向加载后出现真正的垂直裂纹，测试了两个裂纹，裂纹 1 和裂纹 2（图 11）。 在*大载荷下裂纹 1 和裂纹 2 的测量深度分别为 70 和 125 毫米。 在UPE-SH测试时，垂直荷载降低，裂缝部分闭合。完整区域的厚度为 160 毫米，取四次测量（159、161、159 和 161 毫米）的平均值。首先对完整区域进行超声测试，以估算试样的 SH 波速度。图12(a和b)分别显示了一次测试对完好区域的a扫描及其包络线，来自样品底部的直接波和反射可以在图 12 中清楚地识别出来。反射的 TWTT 为 139.7 μs，将该样本的已知值代入方程 (1) 给出了 2,331 m/s 的 SH 波速度。

图 11.  案例 2 的试件：(a) 荷载框架下的混凝土试件  (b) 裂纹 1  (c) 裂纹 2

图 12.  在完整区域使用 Pundit 200 脉冲回波进行的 UPE-SH 测试：(a) A 扫描； (b) 包络，虚线表示双向旅行时间的横坐标

图 13.  Pundit 200 脉冲回波沿浅裂纹的 UPE-SH 测试：（a）A 扫描； (b) 包络，虚线表示双向旅行时间的横坐标

图 14.  使用 Pundit 200 脉冲回波沿深裂纹进行的 UPE-SH 测试：（a）A 扫描； (b) 包络，虚线表示双向旅行时间的横坐标

      A 扫描及其包络线如图13 和图14所示，分别为浅裂纹和深裂纹。由虚线标记的 TWTT 估算为浅裂纹的 51.4 μs 和深裂纹的 91 μs。将时间代入方程 (2) 得出估算值为浅裂纹 51.9 毫米和深裂纹 101.7 毫米的深度。使用 Surfer 进行的 UPE-P 测试给出了浅裂纹为99.4 毫米和深裂纹的 177.6 毫米的深度。先前测量的深度与表 2 中的估计深度的比较表明，UPE-SH 方法估计裂纹深度的误差比 UPE-P 方法小得多。 UPE-SH 方法的估算值小于先前在*大载荷下测量的深度。UPE-SH 试验中裂纹深度的减小是合理的，因为在降低载荷后裂纹部分闭合，然而，UPE-P方法的估计值比之前测量的深度大得多，这可能是由于 UPE-P 方法在选择弱衍射 P 波的初至时存在很大的不确定性。

结论

      传统的UPE-P方法由于难以在衍射后挑选出弱P波的初至，在估计混凝土结构表面开裂深度时存在较大误差。 这项研究开发了一种新方法 (UPE-SH)，它使用来自水平源的超声波 SH 波，衍射后没有模式转换。 使用这种 SH 波可以提高裂纹深度估计的准确性。 当前的超声成像设备（例如，Pundit 200 脉冲回波）可以执行所提出的 UPE-SH 方法的测试，其中一组换能器作为源，另一组作为一发一收配置的接收器。

SH 波的优势通过使用垂直和水平冲击的 UPE 有限元模拟得到证明。新的 UPE-SH 方法用来自两个试样的实验数据进行了检验。结果表明新方法可以准确估计混凝土结构中开裂的深度。本研究中提出的新方法需要测量SH波速度，可以通过测试已知厚度的完整区域来准确估计。 SH 波速度的准确性对于准确估计裂纹深度至关重要。本研究中开发的 UPE-SH 方法极大地扩展了超声波 SH 波测试的实用性，并使当前的超声成像设备能够用于表面的无损评估 - 混凝土结构中的裂缝。 使用 UPE-SH 方法可检测的深度仅限于开放裂纹的**。需要进一步研究来估计闭合裂缝的深度。

      此论文为较早的研究，目前开口裂缝的检测技术已经有了较大的发展，在设备A1040 MIRA 3D超声波断层扫描仪中已经有了此项功能，在实际检测过程中检测精度高、效率快，可直接得出开口裂缝的深度，此仪器主要应用是混凝土结构的缺陷检测以及异物（管道、钢板等）的定位，开口裂缝检测只是他的一小部分功能，设备较贵。如考虑性价比，可参考“UK1401 Surfer超声波脉冲速度测试仪”，对裂缝测试的准确度已远高于国产的裂缝测深仪，此设备也是文中提到的，此设备经过多次升级性能以及准确度已大幅提升。

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A1040 MIRA 3D超声波断层扫描仪                                                       UK1401 Surfer超声波脉冲速度测试