基于无损检测技术的钢结构建筑工程检测分析

基于无损检测技术的钢结构建筑工程检测分析

王伟明

武汉洪东方建设工程质量检测有限公司    湖北武汉      430205

摘 要：在现代建筑工程项目中，钢结构已然得到了广泛使用，保证其质量与安全已成为建筑工程项目的首要任务，因此，钢结构无损检测技术也就应运而生。本文以保障建筑结构安全及质量为目标，以无损检测技术为依托，对钢结构建筑工程检测展开分析，确保钢结构可以满足建筑工程的使用要求。

关键词：无损检测；钢结构建筑；Lamb 波

在现代建筑工程项目中，由于钢结构具有承载力强、工期短等优点，已逐渐被建筑单位所接受。但是，由于工程规模不断增大，设计越来越复杂，保证其施工质量与安全就成了业界的头等大事。在这样的大环境下，无损检测技术是一种新型的、非破坏性且操作简便的检测手段。在施工过程中，非破坏性检测是一种非常有代表性的检测方法。目前，我国已有大量的研究与实践，其中以模块化的钢结构为代表的新型装配式建筑结构，已成为世界各国普遍关注的热点问题。它的优点是效率高，环保，节省时间等优点。但是，各模块间的衔接问题是其核心问题，其施工的好坏对整体的安全起着至关重要的作用。所以，对结构构件中的节点进行非破坏试验，尤其是节点的紧实度测试就变得非常重要。因此，本文拟对无损检测在我国的建设项目中的具体实施进行深入的研究，以期为我国的建设项目提供一套完整而全面的无损检测方法，从而保障我国的建设安全与建设。

1.基于S0模态 Lamb波的钢结构无损检测技术

无损检测技术是一项高新科技，可以在不破坏建筑物结构的前提下，对建筑物进行深度探测。它可以保证被测物体没有受到外界较大的影响情况下，深入到建筑物的内部，对科研工作提供重要的科学依据。由于其良好的远距离检测功能，可极大地提升工作效率与安全性，降低工作强度。提升了测试工作的效率。为此，本项目以单层薄壳结构中的拉姆波（Lamb）为研究对象，以其在非破坏探测方面的潜在优势。均匀介质中，波浪分为两种：剪切波和纵波波形，剪切波沿着颗粒在介质中的移动，而纵向波动则与颗粒的移动方向垂直。在板的边界作用下，声波在到达平板边沿时将发生相应的反射。由于空间上的约束，这两种波型将发生交互作用，从而产生朗伯波。利用拉姆波的这个特点，我们可以根据拉姆波的不同的回波特点来评价建筑物的性能。Lamb波在介质中传输时，由于介质中的色散作用，其能够以各种模态和速率进行传输，在这个过程中，单独的波群按各自的自然速率进行运动，单个波在钢板中传播时，相同的波会相互重叠，从而引起所观察到的振幅改变。所以，在对具有同样幅值而具有不同频率的两个波进行研究，必须加以考虑，拉姆波在传输过程中表现出明显的频散现象，即任意一种媒质中的任意一种波，其各频段的波速都会发生变化，而拉姆波的这个特性与其所包含的多种模式类型密切相关。假设薄板在一定的频率下，其振动模式和振动频率有很大关系，且振动频率越高。当激振频率增大时，各阶振型的相速也随之降低。这个倾向会继续下去，直至激发的频率趋于无限。在这个时刻，朗姆波的相位速率会趋于恒定，即瑞利波的波速。该速率与流体性质密切相关，在许多实际问题中具有重要意义。

2.钢板裂缝无损检测技术性能测试

本文以钢结构为研究对象，结合钢材的厚度，确定其厚度800 mm*800 mm*4 mm。共安装9个传感器，每一个传感器的激发频率为147 kHz。因为是双边激发，因此，在钢板的后面同样布置了一个传感器。为了更好地模仿材料实际破坏情况，设计了两种类型的裂缝，其中，长裂缝80x5毫米，小裂缝40毫米，中间的传感器PZT5为起点。在对两种材料进行测试时，兰姆波的接收信号是一个非常复杂的问题。试验结果表明，当 Lamb波从激发点到接收点呈线性传输时，会出现通过两个破坏部位的反射以及通过两个破坏部位的反射。多个波形互相交叠，给分析数据带来了很大难度。与单一损伤相比，双重损伤模型中的数据更加复杂，这给结构的时域参数计算带来了更大的难度。为了便于计算，本文采用了S0模式的拉姆波去噪方法。实验中，选取了一套压电陶瓷作为激发与激发的元件，剩余的压电陶瓷作为接受讯号。结果显示，单个裂纹能够形成两种不同的损伤特征。因为采用了对称激发，我们得到了一个单模的拉姆波。拉姆波的传输应力图与采集到的单模式波形进行了比较。设定5x10-6秒的激发周期为2.5x10-5s-1.5x10-4s。建立PZT5-PZT8的钢板结构和由破坏模式采集的S0的单模 Lamb波。当激发时间改变时，仿真试件上 Lamb波的波形会发生改变：第一波从初始传感器开始向外传播，当与两侧裂纹相接触时产生弥散，应力场从圆到不规则方形，直至扩展至整体试件。实验结果表明，采用希尔伯特转换方法得到的波形图与原来的波形图比较，具有良好的清晰度。与完好的钢板相比，由破损的钢板的波型曲线可以清楚地看到，在普通的波型改变中，有一大一小两个峰值，并且这两个峰值之间有一段时间的间隔，并且受损的波包1的峰值高于受损的2。根据峰值可以清楚地识别出初始 Lamb波中各个波包的到来时间，从而实现对各个波包的准确识别，从而为后续基于椭圆定位理论的结构损伤准确定位及结构损伤图像提供依据。由于双缝的反射波包时距太接近，使得对其进行有效的辨识比较困难。压电陶瓷发射出的光，受到破坏后，会发生偏转和反弹。由接受感测器侦测到的讯号表明有损坏。应用该方法可以得到结构的特定路径，在此基础上，开展薄板 Lamb波在钢板内的传输测量，并对钢板内部结构的损伤图像分析；采用希尔伯特转换方法，获取钢板内部 Lamb波的传播历程，利用椭圆定位原则确定裂隙的方位；最终，利用幅度完全叠加技术实现对结构的无损检测，通过检测可知除双裂纹外，裂纹周边均出现环状图像，其原因在于布置传感器对试件表面的波纹频散产生了一定的作用。

结束语：

综上所述，建立一套适用于钢结构的拉姆波传播及裂纹位置的新方法。所获得的拉姆波具有较强的可辨识性，所得到的拉姆波信号具有较强的希尔伯特转换能力。根据峰值，可以清楚地判断出初始 Lamb波中各个波包的到来时间，从而可以清楚地确定裂纹的具体位置。通过对试样进行实测，证明该方法是可行的，可以满足工程应用的需要。然而，目前相关研究只针对钢材构件，为拓展其适用领域，本项目拟从钢材构件的全过程传递特性入手，对其进行论证。

参考文献

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