超声波检测混凝土内部缺陷的定量化研究

论文摘要

混凝土是目前最为普遍的建筑材料,超声波无损检测技术能够快捷、方便的诊断混凝土结构的质量。所以近年来国内外对非均匀介质中波的传播理论及其反演方法的进行了较多的探讨。弹性波在穿过受损混凝土介质后,其声速、波形、振幅、相位、偏振及频谱结构等声学参数的变化,都包含着极为丰富的信息。如何充分利用这些信息、定量的判断混凝土损伤状况,极大可能地减少工程实测中的误判或漏判,都是当今混凝土超声波检测技术中急待解决的课题。本文首先简述了目前土木工程检测技术中评判混凝土结构质量的原理以及主要判据和方法,并且介绍了超声波检测在工程中一具体应用,然后介绍了瞬态波在非均匀介质中波传播的一般理论,根据脉冲波的特点,分析不同介质分界面上的反射和透射系数,将连续的非均匀的损伤介质区域进行分层处理,计算层间传递系数并利用傅里叶变换工具,求出稳态波对应的响应,最后再由傅里叶反变换到时域中求解瞬态解;在入射波以及正演所求得的接收波响应的基础上,对损伤介质的性质进行反演:首先用Newton迭代法把复杂的非线性问题变换成线性方程求解,然后用Tikhonov正则化的方法解决该问题的不适定性,最后结合L_curve准则选取合适的正则化参数,得到了方程的有效解,并给出了较好的反演算例结果;最后对传统的PSD判据进行改进提出了改进的K’判据,并结合声速对混凝土内部缺陷进行综合评判。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本题研究的目的与意义
• 1.2 超声波检测技术研究与应用的进展
• 1.2.1 国内、外无损技术的发展
• 1.2.2 超声检测应用的发展
• 1.2.3 超声检测仪器的发展
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 混凝土结构超声波无损检测
• 2.1 混凝土结构的主要损伤形式
• 2.2 超声波检测的工作原理
• 2.3 声时、波幅、波形与混凝土结构质量的关系
• 2.3.1 声波波速与混凝土强度的关系
• 2.3.2 混凝土内部缺陷对声波波速的影响
• 2.3.3 接收声波波幅与混凝土质量的关系
• 2.3.4 接收波的波形变化与混凝土质量的关系
• 2.3.5 接收波频率的变化与混凝土质量的关系
• 2.4 混凝土内部缺陷质量判断
• 2.4.1 用声速判断缺陷的概率法判据
• 2.4.2 用声速判断缺陷的 PSD 判据
• 2.4.3 声幅判据
• 2.4.4 主频判据
• 2.4.5 实测声波波形
• 2.5 混凝土灌注桩超声波现场实测
• 2.5.1 钻孔灌注桩超声波检测方法
• 2.5.2 声测管的埋设及要求
• 2.6 工程实例
• 2.7 本章小结
• 第三章 瞬态波在非均匀介质中的传播理论
• 3.1 非均匀损伤介质波传播的一般理论
• 3.1.1 声波的分类
• 3.1.2 无限弹性介质中声波的波动方程
• 3.1.3 声波的衰减
• 3.1.4 声波的反射与折射
• 3.1.5 声波在两种介质面上的传播规律
• 3.2 混凝土超声波透射法检测中的声波
• 3.2.1 脉冲波的特点及其描述
• 3.2.2 脉冲波在介质中的传播特征
• 3.2.3 快速傅里叶变换
• 3.2.4 非周期连续时间信号的频谱分析
• 3.2.5 层间波幅系数的转换关系
• 3.2.6 瞬态波动输入的分解
• 3.3 正演计算步骤
• 3.4 算例
• 3.4.1 考虑损伤位置对接收波的影响
• 3.4.2 考虑检测管间距对接收波的影响
• 3.4.3 损伤度大小对接收波的影响
• 3.4.4 损伤模型对接收波的影响
• 3.4.5 结论
• 3.5 本章小结
• 第四章 瞬态波在非均匀介质中的反演理论
• 4.1 波动方程的反问题
• 4.1.1 非线性方程的 Newton 迭代法
• 4.1.2 反演方程的不适定性分析
• 4.1.3 不适定问题的正则化方法
• 4.1.4 L 曲线准则
• 4.2 反演的计算步骤
• 4.3 算例
• 4.3.1 损伤度呈线性变化
• 4.3.2 损伤度呈非线性变化
• 4.4 改进的PSD 判据
• 4.4.1 K’值判据
• 4.4.2 算例结果分析
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录