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利用雨水诱导的弹性波对恶化的RC桥面板进行有效损伤检测
作者：
Hidefumi Takamine a,d,uArr;, Kazuo Watabe a,d, Hirokazu Miyata b, Hisafumi Asaue c, Takahiro Nishida c,Tomoki Shiotani c
a Toshiba Corporation, Corporate Research amp; Development Center, Saiwai-ku, Kawasaki 212-8582, Japan
b West Nippon Expressway Company Limited, Kita-ku, Osaka 530-0003, Japan
c Kyoto University, Nishikyo-ku, Kyoto 615-8540, Japan
d NMEMS Technology Research Organization, Chiyoda-ku, Tokyo 101-0026, Japan
uArr; Corresponding author at: Toshiba Corporation, Corporate Research amp; Develop- ment Center, Saiwai-ku, Kawasaki 212-8582, Japan.
要点：
·通过短时间的测量有效地检测内部裂缝。
·雨诱导的信号通常被认为是噪声，用于检测裂缝。
·通过在使用的公路桥梁的检查，验证了我们方法的有效性。
·核心结果表明，我们使用雨诱导信号的分析结果是正确的。
文章信息：
文章时间线：
2017年9月15日收到
2018年1月16日收到订正表格
2018年1月19日接受
摘要：
为了维护大量的桥梁，需要有效的检查方法。 我们开发了一种新的有效的方法，通过声发射（AE）监测来检查钢筋混凝土桥面板。值得注意的是，我们使用在大雨期间获得的AE信号，这些信号在过去通常被认为是噪声。对雨水诱发的AE信号的分析揭示了甲板内部的严重裂缝，这通过传统的被动无损检测很难识别。我们的方法也非常有效，测量能够在很短的时间内完成。
关键词：声发射 无损检测 桥梁 混凝土 裂缝 检查 雨
- 引言
老龄化桥梁和社会基础设施的恶化是一个严重的社会问题。例如，在大约15年内，日本超过一半的桥梁建成后将超过50年[1]。这表明未来可能会增加严重事故的危险。为了保持所有这些桥梁并保持安全，有必要提高检查和维护系统的效率。从有效检查的角度来看，无损检测（NDT）技术提供的解决方案不需要拆除目标，这将是昂贵，耗时且有时不可能的。在各种有效的无损检测技术中，被动监测是其中之一，因为它在测量过程中不需要人工。然而，通过被动无损检测技术检测结构内部的某些损坏仍然很困难，例如桥面深处的水平裂缝。
我们一直在开发一种诊断方法，该方法使用声发射（AE）监测系统作为桥梁检测的有效且无效的无损检测技术。声发射是由材料破裂产生的弹性波。声发射通过材料传播并且可以通过声发射传感器检测，例如压电传感器。使用声发射信号分析的诊断技术已被广泛研究[2-8]。
Panel A
Panel B
600mm
700mm
700mm
700mm
图1.桥面板上的声发射传感器布置。
声发射的各种特征用于分析，包括声发射的活动，声发射源的位置，声发射波的分析，以及通过断层摄影技术的波速分析。我们开发了一种诊断方法，该方法使用声发射源的浓度和来自声发射断层摄影的波速结构的组合[9]。我们将这种方法应用于公路桥梁，并在使用中成功检测到RC桥面板内部的损坏。在这个实验中，由交通负荷引起的声发射活动的获取和精确分析需要大约1周，以得出桥面内的速度分布。这种精确而准确的诊断技术非常重要且有用。然而，可以粗略但快速地估计桥梁状况的更容易的诊断技术也是有价值的。 我们在本文中介绍另一种更容易的诊断方法。
在上述测量中获得的数据包括声发射活动的突然增加，这是与交通负荷无关的噪声信号。这种噪音似乎是由大雨引起的，应该已被删除以进行准确分析。然而，通过分析雨诱导信号，我们发现RC桥面深处的大水平裂缝是传统被动式无损检测技术难以识别的。在我们测量之后，我们对测量的桥面进行了破坏性测试并确认了我们的分析结果。
- 实验
我们在一个在役公路桥梁的RC甲板的下表面安装了声发射传感器。在约1周的时间内连续进行测量。目标桥梁建于大约40年前，由于环境恶劣，桥梁的一些桥面显示出严重恶化。由于这种恶化，桥面已被计划更换，实际上它们在我们实验后就被移除了。因此，我们能够对测量的桥面进行破坏性测试，以确认我们的分析结果。
图1显示了桥面板上的传感器布置。图的顶部显示了桥的顶视图，指示了两个被测量的面板。传感器以3times;5个配置连接到每个面板，总共30个传感器。相邻传感器之间的距离为600或700 mm。附有声发射传感器的实际桥面的照片显示在图1的底部。目视检查发现，面板A比面板B更加恶化，在面板A的下表面上发现漏水的迹象。虽然在两个面板的表面上发现了小裂缝，但没有看到严重的大裂缝。 测量参数详情如表1所示。目视检查发现，面板A比面板B更加恶化，在面板A的下表面上发现漏水的迹象。虽然在两个面板的表面上发现了小裂缝，但没有看到严重的大裂缝。 测量参数详情如表1所示。 表1测量参数
|
声发射传感器的频率范围 |
25 kHz–80 kHz |
|
采样率 |
10 MHz |
|
临界等级 |
53 dB |
|
放大器增益 |
46 dB |
|
重新准备时间 |
0.2ms |
三．方法
图2（a）显示了测量期间的AE命中数。在120小时左右可以看到极高的峰值。还测量了桥上的相对湿度，如图2（b）所示。在120点左右，湿度也上升到100％，天气记录表明在那个时期降水和风。因此认为声发射活动的高峰是由强降雨引起的。这表明雨滴对路面的影响产生弹性波，并且传播波到达附着在甲板下表面的传感器。雨诱发的弹性波的频率低于约30 kHz【10】。由于我们在此测量中使用的传感器在30 kHz附近具有高灵敏度，因此它们检测到大量的雨诱导弹性波。声发射活动的这种浓度与交通负荷无关，并且不会从裂缝中排出。因此，信号不会被认为反映了桥面的恶化，应该被视为噪音。然而，我们发现雨诱发的噪声信号可用于检查桥面板。
rain
图3. 声发射传感器
图2.测量期间的声发射活动和相对湿度
图3示出了内部严重损坏的桥面中弹性波的行为示意图。当雨滴撞击道路时，在路面上产生弹性波并穿过甲板。然后由连接到甲板下表面的声发射传感器检测。如果安装了三个以上的传感器，则可以估计雨滴撞击路面的位置。由于雨滴产生的所有弹性波源都在路面的平面上，这意味着厚度距离是恒定的，因此可以很容易地估算出源位置。假设雨滴均匀地落在整个路面上。因此，在甲板是声音的情况下，弹性波源位置应该显示均匀分布。但是，如果甲板内部存在大的水平裂缝等严重损坏，如图所示，在路面产生的弹性波被裂缝反射，衍射或散射。结果，弹性波不直接到达下表面上的传感器。我们可以简单地假设弹性波穿过裂缝的透射率。如图4所示，正常入射弹性波的透射率表示为：
透射率=
其中Z代表每种材料的阻抗，k代表材料中的波长，l代表裂缝的宽度。Z和k由计算;其中rho;、c和f分别代表材料的密度，材料中的弹性波速度和波的频率【11】。30 kHz波的计算结果也显示在图4中。通过薄层空气的透射率几乎为零，这表明弹性波的大部分能量不会通过裂缝传播。然而，在大雨过后，裂缝可能会充满水。充水裂缝的计算结果也显示在图表中。这表明弹性波是由充满水的裂缝传递的。然而，这些结果是针对纵波的情况，由于雨滴引起的信号幅度低，几乎没有检测到纵波。横波比纵波携带更多能量，但不通过气体或液体传播。因此，裂缝中的水对雨诱导弹性波的检测结果几乎没有影响。
因此，直接在裂缝下方的声发射传感器接收较少的弹性波或不接收雨水引起的弹性波。预计这会使破裂区域的源分布稀疏或空置。因此，通过计算弹性波源位置，弹性波源的密度有望揭示桥面板内部裂缝的存在。此外，由于大雨会在短时间内在道路上产生大量撞击，因此可提供高效的检查效率。
混凝土 裂缝 透射率为30 kHz的弹性波
|
rho;（ton/m3） |
c(m/s) |
|
|
混凝土 |
2.4 |
4025 |
|
空气 |
1.20E-03 |
342 |
|
水 |
1.0 |
1480 |
计算中的参数
图4.通过裂缝估计弹性波的透射率
x [mm] x [mm]
y [mm]
y [mm]
面板 B
面板 A
图5.弹性波源位置分析的结果
四．结果与讨论
4.1信号分析
我们在雨峰期间提取了700秒的数据并分析了源位置。图5显示了两个测量面板的结果。已被过滤掉被认为具有低可靠性的源位置。尽管提取的数据涵盖的时间非常短，但确定的弹性波源数量足以进行分析。由于时间段很短，测量过程中由交通引起的声发射数量低得多，与雨诱导信号的数量相比无法忽略。在图中，在每个面板上可以看到由虚线包围的相对低密度区域。如第三节所述，这些低密度区域被怀疑严重恶化。
与面板B相比，面板A显示出更少的弹性波源。我们认为这表明面板A比面板B更恶化，与面板的外观一致。
4.2通过取芯确认
测量后切割并去除甲板，并通过取芯保留测量的甲板部分。图6显示了取芯位置。 图中用数字标记的圆圈对应于取芯点。图中的斜线对应于切割线，并且检查每个面板中两条线之间的区域。我们从每个小组中取出了9个核心样本。核心直径为100毫米。取芯后面板的照片也显示在图6中。桥面板的下表面显示，照片中的面板是倒置的。
表2显示了核心检查的结果。该表显示了每个核心的健全性以及每个核心周围的弹性波源密度。通过每个核心的视觉检查来判断健全性。源密度是每单位面积核心周围的弹性波源的数量。面板A中的密度值较小，这反映出与面板B相比，面板A中的弹性波源较少。
由于取芯，我们发现上部钢筋部分被腐蚀，腐蚀的钢筋周围出现了大的水平裂缝，如照片所示。水平裂缝位于距甲板下表面150毫米或更深的位置，并且难以通过简单的检查识别。钢筋以约100mm的间隔排列，并且预期其中一些桥接裂缝面并帮助波传播通过裂缝。然而，由于腐蚀的钢筋周围的混凝土受到严重破坏，预计会直接将裂缝波传播通过裂缝，因此仍难以检测到雨水信号。
图6.取心位置
面板 A
y [mm]
面板 B
y [mm]
C1
C4
C5
C10
C12
C6
C13
C7
C11
C16
C2
C8
C14
C3
C9
C15
C17
C18
x [mm]
x [mm]
在结果中，核心的健全性大致对应于源密度。大多数裂纹核心具有相对低的弹性波源密度，并且大多数声音核心具有高密度。例外的是C1，C10和C18，它们具有低密度，没有可见的裂缝，而C9具有高密度而没有裂缝。C1，C10和
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