摘要：
凝土表面开口裂缝深度检测是混凝土结构安全评估的重要检测项目，传统混凝土无损检测方式难以精确测定表面裂缝深度。本文依托裂缝底部衍射原理，研究基于超声波剪切水平波（SH波）的 UPE-SH新型混凝土裂缝检测方法。SH波具备单一波形特征，衍射无模态转换、信噪比优异，可有效识别时域衍射波传播时长，结合超声波波速、换能器间距精准计算混凝土裂缝深度。通过有限元模拟与两组混凝土试件检测试验验证，相较于传统纵波检测法（UPE-P），UPE-SH方法可有效降低检测误差，显著提升混凝土表面裂缝深度检测精度，适配主流商用超声波检测设备，工程无损检测适用性良好
1. 研究引言
混凝土结构长期服役易产生钢筋锈蚀、表层剥落、表面开裂等病害，其中开口裂缝危害性突出，裂缝贯通至钢筋后，会削弱结构强度、加速钢筋锈蚀，引发分层、剥落等次生病害，影响结构服役安全。精准检测裂缝深度，是结构安全评估、维修加固的重要前提。
结构健康监测多用于整体结构动态响应检测，难以捕捉局部细微表面裂缝缺陷。无损检测技术针对性更强，适配混凝土局部裂缝、分层等隐蔽病害筛查。本研究创新采用UPE-SH剪切水平波检测法，依托单发单收干点接触换能器配置，通过有限元模拟对比UPE-P纵波与UPE-SH波的传播特性，结合人工裂缝、实际荷载裂缝两组试验，验证该方法的检测可靠性，为混凝土裂缝精准检测提供新的技术路径。
2. UPE-P与UPE-SH波检测原理对比
常规垂直激励方式可激发P波、S波、瑞利波等多种波形，波型混杂、能量分散。P波经裂缝底端衍射后会发生模态转换，衍生多种杂波，信号辨识度低、信噪比差，极易造成初至波拾取偏差，检测误差偏大。水平激励产生的SH剪切水平波优势显著，仅输出单一波形，衍射后无模态转换，波形纯净、信噪比高，时域信号特征清晰，便于精准读取衍射波传播时长，大幅降低信号解析难度。
本文采用COMSOL Multiphysics开展三维有限元模拟，建立带裂缝混凝土模型与完整混凝土对照模型，设定50kHz中心频率、匹配混凝土实际波速参数。模拟结果显示：UPE-P检测波形复杂、衍射信号能量弱；UPE-SH检测波形规整，裂缝尖端衍射波、底部反射波信号清晰可辨，抗干扰能力更强。
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。
3. UPESH检测方法与计算公式
UPE-SH检测设备采用单发单收换能器布局，发射器、接收器分列裂缝两侧，SH波经裂缝尖端衍射后被接收设备采集。检测分为两步：首先测试完整混凝土区域，获取底部反射双向传播时间（TWTT），计算实际SH波速；再测试裂缝区域衍射波传播时长，结合参数计算裂缝深度。主流商用设备 A1040 MIRA 3D、Pundit 200 PE、EyeCon均可适配该检测工艺
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。
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。
4. 试验验证与结果分析
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。
4.1 人工裂缝试件试验
制作含64mm、94mm、152mm三组不同深度人工垂直开口裂缝的混凝土试件，分别采用UPE-SH法与传统UPE-P法开展对比检测。试验结果表明：UPE-SH法检测深度与实际深度偏差极小，浅、中、深裂缝检测误差均处于较低水平；传统UPE-P法在本试验条件下检测偏差偏大。
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。
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
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
4.2 荷载真实裂缝试件试验
通过竖向加载制备混凝土真实垂直裂缝，选取70mm、125mm两处裂缝开展测试。加载卸载后裂缝部分闭合，更贴合工程实际工况。检测结果显示：UPE-SH检测数值贴合裂缝实际闭合后的真实深度，数据稳定性强；UPE-P法检测数值偏差显著，易出现数值虚高、误判问题，现场适用性有限。
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
5. 研究结论与工程设备选型
传统UPE-P纵波检测受波形混杂、模态转换、信号微弱等因素影响，混凝土表面裂缝深度检测误差偏大。本次研究验证了UPE-SH剪切水平波检测法的技术优势，该方法波形单一、无衍射模态转换、信噪比高，可精准拾取衍射波信号，有效提升混凝土开口裂缝深度检测精度，适配现有商用超声检测设备，实操性强。
现阶段混凝土裂缝检测技术持续迭代，主流专业设备可实现**精准检测：
1. A1040 MIRA 3D超声波断层扫描仪：功能丰富，可精准检测混凝土开口裂缝深度，同时适配混凝土内部分层、空洞、钢板、管道异物定位等多种常见缺陷检测，检测效率高、成像直观、数据稳定，适用于高标准工程检测场景。
2. UK1401 Surfer超声波脉冲速度测试：性价比突出，经过多次技术迭代，检测稳定性与精度大幅优化，结构完整性评估且裂缝检测准确度高，是中小型工程常规裂缝检测的优选设备之一。
京公网安备：11010802039414号
