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空心圆柱结构及板型结构中的导波检测理论研究

杨永波  
【摘要】: 金属管道、管桩等空心圆柱结构及楼板、路面、防渗墙(或地下连续墙)等板型结构的质量好坏严重影响了其运行期间的安全。金属管道的传统无损检测常采用超声波方法,然而传统的超声检测是单点检测,在长距离、大面积检测时遇到了很大的困难。对管桩和混凝土板的传统无损检测方法则是基于一维波动理论的冲击回波方法,这种方法只能检测比较大的缺陷。采用基于三维导波理论的无损检测方法则可以解决金属管道的大面积普查及混凝土结构物细小缺陷的检测。 本文基于三维导波理论,采用理论分析、数值模拟和现场测试相结合的方法,对金属管道、管桩和混凝土板的无损检测技术中存在的一些问题进行了深入研究,主要包括在以下几个方面: (1)基于Matlab编写计算程序,对金属管道中的频散方程进行了数值求解,得到了频散关系曲线及位移曲线。通过对频散曲线和位移曲线的分析,详细分析了各种模态的特征,为对管道进行测试应该选择的导波模态和频率范围提供了理论指导。 (2)通过对导波检测系统的设计,开发了相应的检测仪器,并对模型管道进行了相应的实验研究和实验验证,为导波检测系统应用于实际提供了理论基础。 (3)管桩的无损检测常基于一维波动理论,通过对管桩的现场试验,分析了一维波动理论应用于管桩可能存在的问题,并对管桩进行了三维导波分析。 (4)基于Matlab编写计算程序,计算了管桩中的频散曲线,并分析了不同管径,不同壁厚,不同波速,不同泊松比等对频散曲线的影响,并将空心管桩与实心灌注桩进行了比较。 (5)推导了埋入土中的管桩在受到外力作用下的频散方程。并且分析了导波理论对传统桩基测试技术的指导作用。 (6)对混凝土板的检测常采用冲击回波方法,分析了目前常用的回波方法可能存在的问题,研究了基于Lamb波理论的无损检测方法。 (7)详细推导了混凝土板在两侧都没有土约束、一侧有土约束、两侧有土约束三种条件下的频率方程,并基于Maple软件对其进行了求解。 (8)对于有土约束的混凝土板,土的存在并不会影响到其频散曲线,而仅仅影响到其衰减曲线。通过对波数实部与虚部的分析,研究了周围土的作用对混凝土板测试的影响。 (9)分析了混凝土-土剪切模量比,混凝土-土密度比对频散曲线的影响,并分析了不同泊松比,不同板厚,不同土性约束条件下的频散关系。 (10)通过对导波传播模式的分析,结合冲击回波实例,分析了频谱曲线上多频率主峰产生的原因,并为冲击回波方法提供理论指导。


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