Page 50 - 《应用声学》2021年第3期

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本文提出了一种超声检测单向受力混凝土构
0 引言
件永存应力的方法，该方法采用测试结构受载后
永存应力是指由结构自重及其他恒载效应产 的第一波速 V 1 (传播方向与应力 σ 方向垂直，质点
振动方向与应力 σ 方向平行的横波波速) 和第二
生的结构内部持续稳定的应力，应力超限会导致结
构破坏并影响结构安全，因此对结构永存应力的检 波速 V 2 (传播方向及质点振动方向均与应力 σ 方
向垂直的横波波速)，以 V 1 、V 2 构建组合声学参数
测十分必要。目前检测混凝土构件永存应力的方法
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分为有损检测和无损检测两类，其中超声检测是无 “(V − V )/K (K 为材料常数) 来检测单向混凝
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土受力构件的永存应力 σ。该声学参数用于检测混
损检测中最主要的方法之一，其理论基础为声弹性
理论，利用声波在构件中传播的波速、波频、振幅 凝土单向受压构件永存应力的效果与使用单一声
等声学参数与应力的相关性来检测结构永存应力。 速参数相比，对应力的敏感性有所提高，受混凝土黏
虽然早在 1953 年 Hughes 和 Kelly 就已经提出了声 滞性及材质离散性的影响更小，并且测试结果基本
弹性理论 [1] ，但直到现在应用声弹性理论检测混凝 不受温度和湿度变化的影响，以下对该方法的原理
土构件永存应力的研究仍处于探索阶段。1998 年， 及实验验证情况进行详尽阐述。
朱金颖等 [2] 通过实验得出波速对混凝土构件中的
1 方法原理
应力变化敏感度较低, 在 70% 的极限应力范围内,
波速基本保持稳定。2005 年，陈立新等 [3] 通过实验 根据声弹性理论 [9] ，各向同性固体介质在单向
得出声学参数与混凝土应力较为敏感时的骨料粒 应力 σ 作用下，介质中声速变化情况不仅与介质应
径、骨料种类(卵石)、水灰比和砂率等因素之间的关 力大小和方向有关，还与声波传播方向、声波质点
系。同年，林军志等 [4] 研究混凝土应力与超声波波 振动方向有关。对于横波来说，声波传播方向垂直
速、首波振幅、最大振幅等声学参数的相关性。2007
于介质应力 σ 方向、质点振动方向平行于应力方向
年，雷正伟等 [5] 通过实验得出温度对声速的影响量 的横波波速 V 1 及声波传播方向和质点振动方向都
级与应力的影响量级接近，进行应力定量计算需考
垂直于介质应力方向的横波波速 V 2 与介质应力 σ
虑温差因素。2010 年，Lillamand 等 [6] 研究混凝土 的关系式为
材料在轴向压力作用下的声弹性效应，得出与应力 σ [ λn ]
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水平敏感性最大的是沿加载方向偏振的纵波和横 ρ 0 V = µ + 3λ + 2µ 4µ + λ + 2µ + m , (1)
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波的结论，并成功得到混凝土试件的声弹性系数。 σ [ λ + µ ]
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ρ 0 V = µ + m − n − 2λ , (2)
2012 年，刘新建等 [7] 基于模型实验，详细分析不同 2 3λ + 2µ 2µ
种声学参数与应力的相关性，并通过实验着重研究 其中：ρ 0 为零应力下介质材料的密度；σ 为介质应
超声波信号加权瞬时振幅峰值、加权边际谱面积、 力；λ、µ分别为介质材料 Lame 常数；m、n 分别为介
加权瞬时能量谱面积随应力的变化情况。2017 年， 质材料的Murnagham三阶弹性常数。
刘宏翔等 [8] 通过实验测试不同龄期不同应力状态 从式 (1)、式(2) 可以看出：在应力σ = 0的情况
下混凝土试块的声速值，分析了超声波波速随混凝 下，横波声速V 1 、V 2 均为 √ µ/ρ 0 ；在应力 σ ̸= 0 的情
土龄期的变化规律，并建立了超声波波速与应力之 况下，不同传播方向及不同偏正方向的声速表现出
间的回归曲线。 不同程度的差异。由公式(1)∼(2)可以得到：
纵观该领域的研究现状，目前对超声检测混凝 [ (n/4µ)(3λ + 2µ) + 3λ + 2µ ]
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土构件永存应力的研究主要集中在各种单项声学 V − V = ρ 0 (3λ + µ) σ. (3)
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参数 (声速、振幅、直达波频率等) 与应力相关性上。
令：
但在实际应用中这些声学参数对应力的变化不够 [ ]
(n/4µ)(3λ + 2µ) + 3λ + 2µ
敏感，检测结果容易受到诸多外界因素(温度、湿度、 K = ρ 0 (3λ + µ) , (4)
混凝土的配比等) 的干扰，这些因素引起的声学参
则：
数的变化常常远大于结构应力所引起的变化，“应
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力效应”常被“噪声效应”所淹没。因此目前以单项 σ = (V − V )/K. (5)
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声学参数检测混凝土结构永存应力的方法仅为理 因 K 为与材质特性有关的常数，依据式 (5)，
论的可能性，远未达到实用的程度。 通过测量波速 V 1 、V 2 ，即可算出应力 σ。设 t 1 、t 2