超声导波技术在螺纹钢锚杆检测中的应用研究

本文分析了高频纵向超声导波在埋置于水泥中的螺纹钢锚杆中的传播特性,提出了有效计算直径的概念,指出在频散曲线计算中,对于螺纹钢锚杆应按照有效计算直径进行计算。并且在实验室及现场检测中验证了这一观点,为螺纹钢锚杆导波检测的工程应用打下一定基础,可供类似工程借鉴。     

钢绞线中纵向模态衰减特性的试验研究

以研究自由钢绞线和埋入水泥介质的钢绞线中超声导波纵向模态的衰减特性为目的,首先理论分析了钢绞线中心和外围钢丝中纵向模态的频散和多模态特性,之后采用厚度振动型压电陶瓷片端部激励和自行研制的磁致伸缩式传感器接收的方法对公称直径17.80mm的7芯钢铰线进行了最低阶纵向模态导波L(0,1)的激励接收试验。研究结果表明,在自由钢绞线中频带110~160kHz内模态导波L(0,1)的衰减随频率的增加而减小;在埋置于水泥介质的钢绞线中,频带110~160kHz内模态导波L(0,1)幅度随水泥埋置长度的增加而减小。这些试验结果为分析纵向模态对钢绞线的检测能力提供了试验依据,为超声导波技术应用于钢绞线健康检测奠定了基础。     

基于超声导波埋地层状管道结构健康监测

本文以超声导波在层状管道结构传播规律研究为基础,对基于超声导波在埋地层状管道结构健康监测进行研究。首先,以Navier-Stokes方程为基础,结合势函数中和一个附加的位移场方程,引入具有渐进性的Hankel函数,联立边界条件,建立频散方程。研究频散方程的数值解,绘制频散曲线。根据频散曲线性质选择用于监测的导波模态和频率,建立试验系统。由于超声导波在埋地层状管道结构中传播是能量逐渐衰减的过程,采用能量法能够对结构中能量消散有更清晰的认识,以能量密度为参量,对理论和试验进行验证,结果表明,一定频段和模态的超声导波对浅层埋地层状管道结构健康监测能够清晰实现。     

液态金属快堆主管道中超声导波传播特性研究

讨论了钠冷快堆(Sodium-cooled Fast Reactor,SFR)主管道的整体温度和内部液态金属钠流动速度的变化对管道导波传播特性的影响。推导了充液管道中导波频散方程的一般形式,并给出了管道内液态金属钠处于流动状态下的导波频散方程。采用数值计算方法获得了管内液态金属钠处于不同温度和不同流速时的导波纵向模式频散曲线和导波时域波形。结果表明,温度变化对基阶纵向模式的影响较小,但对高阶纵向模式的影响较大;液态钠流速增大会使导波频散曲线向高频轻微移动,但在实际检测中可以忽路管内液体流动速度的影响。通过对时域接收波形的模拟计算,进一步考察了液态金属钠的温度及流动速度变化对导波传播的影响,并通过对比不同模态的激发特点和不同频段的导波时域波形特点,结合导波频散曲线,给出了适用于SFR管道超声无损检测的导波模态和声源激发频段选择方案。     

超声导波技术在埋地锚杆检测中的应用研究

分析了超声导波在埋地锚杆中传播的特性。在理论上,对于埋地锚杆,40～90kHz的L(0,1)模态的衰减值在所有模态中最小,传播距离最长;位移模式简单,易于激发;能量速度最大,容易与其他速度较慢模态区别。此段L(0,1)模态可用来对埋地锚杆进行检测。同时建立实验系统,对直径22mm、长2m的埋地锚杆进行检测,实验结果与理论分析相吻合。     

孔隙介质包裹的充液管道结构中导波传播特性

研究孔隙介质包裹的充液管道中纵向导波传播特性,分析孔隙介质参数对频散曲线的影响。建立了孔隙介质包裹充液管道的结构模型,利用孔隙介质弹性波动理论,建立对应的频散方程,数值模拟计算得到该模型的频散曲线和时域波形,并分析了孔隙介质参数以及管壁厚度对频散曲线的影响。结果表明孔隙介质的渗透率对于导波频散的影响较小,孔隙度的改变对时域波形的位移幅度影响较大。同时,导波存在衰减,且衰减随孔隙度增大而增大。所得结论为埋地管道无损检测方面提供一定理论参考。     

基于匹配追踪的L模态超声导波检测复合 绝缘子芯棒缺陷研究

传统的复合绝缘子缺陷检测方法主要集中在芯棒外部结构的缺陷上,并不能有效发现芯棒本身中的缺陷,为此提出了一种针对芯棒本身缺陷且能定量估计缺陷大小的检测方法:基于匹配追踪的L模态超声导波检测。通过建立芯棒模型分析了L模态超声导波在芯棒中的传播特性,确定了导波检测的频率范围。基于理论分析,以10周期40 k Hz的导波为激励信号,选取芯棒缺陷轴向长度为8 mm和2 mm,进行了有限元仿真和实验。仿真和实验结果表明:L模态超声导波能准确地检测出复合绝缘子芯棒中的缺陷,且通过Gabor原子构建波形字典,运用匹配追踪算法估计出芯棒缺陷轴向长度的相对误差分别为5. 4%和16. 35%。理论分析、有限元仿真和实验一起验证了该方法的可行性、有效性,为复合绝缘子芯棒缺陷的检测和定量分析提供了一种新的思路。     

端锚锚杆工作载荷的导波确定法

 使用纵向导波对端锚锚杆的工作载荷进行无损检测。首先分析端锚锚杆工作载荷在锚杆自由段及锚固段的不同分布特征,然后计算纵向导波在锚杆自由段(承受拉应力)中的传播速度。当锚杆变形在弹性范围内时,随着自由段承受拉应力的增大,同一频率纵向导波在锚杆中传播的群速度逐渐减小,并且群速度与拉应力大小呈线性递减关系;对纵向导波在端锚锚杆锚固段上界面的反射情况进行试验研究,结果表明,45～75 kHz频率范围纵向导波在锚固段上界面有明显的反射回波;提出使用纵向导波在锚固段上界面的反射回波及在锚杆自由段的传播时间来确定锚杆工作载荷的大小,由理论分析得到的工作载荷与导波传播时间的关系曲线与试验结果具有相同的趋势。     

基于导波传递分析的板肋钢桥面板振动特性研究

从弯曲波导波传递特性角度出发,结合振动试验和数值仿真开展钢桥板肋桥面板的动力特性和振动机理研究。首先开展板肋钢桥面板室内振动试验;继而运用模态叠加有限元法建立经试验验证的三维有限元动力模型,进行板件振动能量计算,并基于有限元模式分析法建立导波模型,对结构面外弯曲波频散特性和导波类型展开研究;最后对比顶板厚度、肋板厚度以及肋板间距三种设计参数对板件振动能量和弯曲波导波特性的影响。结果表明：经试验测试单边悬挂约束下顶板和肋板振动响应的优势频段出现在300Hz和400Hz,且肋板边缘测点的振动能量更大;边界固结约束下较薄的顶板具有较高振动能量峰值和较低的峰值频率;从导波传递角度来看,板肋桥面板弯曲波频散曲线均出现了通频带与衰减带间隔出现的现象,导波模态数随顶板和肋板厚度的增长而减小,顶板厚度对板件面外振动衰减带影响最大,其中带宽最大差值达110Hz,因此可通过顶板厚度对结构的面外弯曲波振动衰减带进行有效控制。     

超声导波在城市燃气管道泄漏定位的适用性

通过实验室测量、理论计算、MATLAB仿真和现场实验测试等方法,研究超声导波在城市燃气管道泄漏定位的适用性,得出:超声导波在不同类型防腐层钢管上传播时的群速度和相速度不同。超声导波在3PE防腐层钢管上传播时,可使用20～60 kHz超声导波检测频率;在环氧煤沥青防腐层或FBE防腐层钢管上传播时,可使用20～80 kHz超声导波检测频率。超声导波的检测精度较高,缺陷孔径最低可分辨直径为2 mm,轴向分辨率可达6 mm。     

Effects of frequency and grouted length on the behavior of guided ultrasonic waves in rock bolts

Experiments were conducted to study the behavior of guided waves in free and grouted rock bolts. Ultrasonic waves with frequencies from 25 to 100 kHz were used as excitation inputs. Tests were first conducted on free bolts to help understand the behavior of guided waves in non-grouted bolts. The effects of wave frequency and grouted length on the group velocity and attenuation of the guided ultrasonic waves were then evaluated. The test results indicated clear but different trends for the group velocity in the free and the grouted bolts. The attenuation in free bolts was not affected by bolt length and frequency. However, in grouted bolts it increased with frequency and grouted length. It was also found that the two main sources of attenuation are the setup energy loss, which has a fixed quantity for a specific type of test setup, and the dispersive and spreading energy loss which varies with frequency and bolt length.     

锚杆锚固质量无损检测中的激发波研究

采用数值模拟和实验模拟的方法对锚杆-锚固体系中的波动特征进行研究。数值模拟和实验模拟都表明在一般测试激发波的频率范围内锚杆以及锚固体系中传播的波是导波，在不同频率时波的传播速度、波的衰减特性都不同。在锚固锚杆中存在最佳激发波，它能使波传播衰减最小传播距离最长。通过数值模拟的方式找到了对于实验室的锚固锚杆模型能使底端反射清晰可见的最佳激发波。据此定制了实验装置及传感器，实验结果与数值模拟取得了很好的一致性。实验和数值模拟都证明采用最佳激发波可以大人增加锚杆锚嘲质量检测中的测试深度。     

Non-destructive testing of rock bolts using guided ultrasonic waves

The research outlined in this paper is aimed at the development of a portable non-destructive testing instrument for evaluating the condition of rock bolts. In applications such as coal mine roof reinforcement, the opportunities for rock bolt inspection are currently limited to destructive techniques such as the pull-out test. It is proposed that guided ultrasonic waves can be used to solve this inspection problem, using a pulse-echo test carried out from the free end of the bolt. Suitable test frequencies have been identified through the use of modelling software, and successful laboratory and site trials have been undertaken. The research has shown that the proposed approach is capable of determining the bolt length, and of identifying major defects such as necking, deformation, and loss of resin encapsulation.     

Lamb Waves for Detecting Delamination between Steel Bars and Concrete

The feasibility of detecting interface degradation and separation of steel bars in concrete beams using Lamb waves is investigated in this paper. The Lamb wave can propagate a long distance along the reinforcing steel bars embedded in concrete as the guided wave and is sensitive to the interface bonding condition between the steel bar and the concrete. The traditional ultrasonic methods for inspecting defects in concrete use reflection, transmission, and scattering of longitudinal waves by internal defects. These methods are good for detecting large voids in concrete, but they are not very efficient for detecting delamination at the interface between concrete and steel bars. In this study, a special coupler between the steel bar and ultrasonic transducers has been used to launch nonaxisymmetric guided waves in the steel bar. This investigation shows that the Lamb wave inspection technique is an efficient and effective tool for health monitoring of reinforced concrete structures.     

锚杆低应变动测的数值研究

岩石声波测试技术应用于锚固工程的无损检测中，其基本原理是采用动力瞬态激振，使锚杆引起弹性振动，通过测定锚杆的振动响应来估计和推断锚杆中的缺陷。该方法在力学上表现为给定扰动源信息及边界、初始条件，建立描述介质运动的支配方程，并由此求解其动力响应，通常归结为双曲型或双曲-扩散型方程的初值或初值-边值问题．波动方程的有限元数值解表明，在锚杆灌浆体内部缺陷的探测中，可用声速、幅值、波形等声参数作为判断的依据，若再加上在缺陷处的频谱畸变参数，则可使判断更为可靠。     

Experimental study on shear behavior of bolt connectors in steel-concrete composite beams

为研究螺栓抗剪连接件在钢-混凝土组合梁中的受剪性能,对24个采用螺栓连接件的钢-混凝土组合试件进行了推出试验,分析了螺栓直径、螺栓强度、螺栓埋置长细比和混凝土强度等参数对螺栓连接件的破坏模式、荷载-滑移特性和受剪承载力的影响。研究结果表明：螺栓抗剪连接件的破坏模式主要为螺栓周围混凝土受压破坏和螺栓栓杆的剪断破坏;当发生混凝土受压破坏时,增大混凝土强度、螺栓直径、螺栓埋置长细比可以提高螺栓连接件的受剪承载力;当发生螺栓的栓杆剪断破坏时,提高螺栓强度可以提高螺栓连接件的受剪承载力。在试验研究的基础上,给出了不同破坏模式下钢-混凝土组合梁螺栓连接件的受剪承载力的计算方法,建议公式的计算结果与试验结果吻合较好。