高速公路護欄立柱健康狀況超聲導(dǎo)波診斷技術(shù)研究.pdf

1、護欄是公路交通的重要安全設(shè)施之一，護欄立柱的埋設(shè)質(zhì)量決定了護欄的防撞能力。由于護欄立柱屬于隱蔽工程，常規(guī)檢測方法如拔出或開挖檢測不僅破壞路基的完整性，影響工程質(zhì)量，而且僅限于抽樣檢測，無法對立柱進行全面有效的檢測。所以對于護欄立柱的長度及施工質(zhì)量的新型無損檢測方法越來越受到有關(guān)單位和研究人員的關(guān)注。
　　 超聲導(dǎo)波技術(shù)是一種檢測范圍大、速度快、成本低的新型無損檢測方法，近年來得到快速發(fā)展。采用這種方法，只需在立柱的上端部激勵和接

2、收超聲導(dǎo)波信號，接收到的信號包含了立柱及立柱周圍介質(zhì)的整體信息。此外，導(dǎo)波具有頻散和多模態(tài)特性，如果選擇合適的導(dǎo)波模態(tài)和激勵頻率，就可以實現(xiàn)特定的檢測目的。護欄立柱的長度處于導(dǎo)波檢測的最佳長度范圍內(nèi)，因此利用導(dǎo)波技術(shù)對護欄立柱施工質(zhì)量進行檢測具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。
　　 本文較為詳細地研究了超聲導(dǎo)波在自由立柱、中空二層管結(jié)構(gòu)埋地立柱、三層結(jié)構(gòu)埋地立柱、埋于水泥中的立柱等多種半埋立柱結(jié)構(gòu)中的傳播特性，并將其應(yīng)用于實際工程現(xiàn)場檢測。主

3、要工作如下：
　　 (1)構(gòu)建了兩套分別應(yīng)用于實驗室及現(xiàn)場檢測的護欄立柱健康狀況超聲導(dǎo)波無損檢測的實驗裝置。研究了不同激勵方式對產(chǎn)生導(dǎo)波信號的影響。
　　 (2)建立了自由立柱中導(dǎo)波傳播的理論模型，并計算出空心圓柱體中導(dǎo)波傳播的頻散特性，同時建立了相應(yīng)的有限元模型。研究了不同規(guī)格的自由立柱中兩種縱向模態(tài)L(0,1)及L(0,2)模態(tài)的傳播特性。通過實驗求取了立柱L(0,2)模態(tài)的衰減規(guī)律，并通過實驗驗證，其在0-300k

4、Hz的范圍內(nèi)其傳播速度最快、頻散小、波結(jié)構(gòu)簡單、易于激發(fā)等優(yōu)點。在60-100kHz的范圍內(nèi)，兩種不同規(guī)格直徑的立柱可以使用共同的檢測頻率。
　　 (3)研究了基于ANSYS的管結(jié)構(gòu)三維實體模型建模方法，分析了時間分辨率和空間分辨率對模擬導(dǎo)波傳播過程的影響，并對其準確性做了驗證。
　　 (4)將部分埋地的中空立柱簡化為部分埋入無限大介質(zhì)中的二層管結(jié)構(gòu)，數(shù)值計算了縱向軸對稱模態(tài)的群速度及衰減頻散曲線。利用有限元模型，分析了

5、立柱不同入地長度對導(dǎo)波傳播特性的影響，并通過實驗驗證。在頻率較低的情況下，導(dǎo)波L(0,2)模態(tài)的衰減與立柱的入地長度呈正比關(guān)系，在立柱中的衰減可以視為立柱本身的衰減與能量泄漏衰減的代數(shù)和。其傳播的速度不受立柱入地長度的影響。并通過實驗驗證了不同土壤密度對導(dǎo)波傳播能力的影響。實驗結(jié)果顯示，立柱中L(0,2)模態(tài)的衰減隨土壤密度的增加，呈非線性增大，未經(jīng)壓實土壤參數(shù)的變化對立柱中L(0,2)模態(tài)的衰減影響較小，而密實程度高的土壤參數(shù)變化會引

6、起衰減較大變化。
　　 (5)理論分析了軸對稱模態(tài)在水泥鋼立柱中的傳播特性。當頻率在50kHz以上時，L(0,2)模態(tài)在水泥鋼立柱中的傳播速度受周圍水泥介質(zhì)的影響很小，其衰減在可以接受的范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)對水泥鋼立柱長度的測量。實驗研究了縱向模態(tài)在立柱與水泥界面上產(chǎn)生的界面反射的現(xiàn)象，結(jié)果顯示L(0,1)模態(tài)可以作為長度檢測的參考模態(tài)。
　　 (6)將打入安裝的護欄立柱簡化為三層柱狀結(jié)構(gòu)，并求取其頻散曲線。研究了土壤密度、

7、橫波波速、縱波波速等參數(shù)變化對導(dǎo)波衰減的影響。結(jié)果顯示不同的導(dǎo)波模態(tài)對土壤的橫波波速、縱波波速的變化敏感程度不同，而土壤密度的增加導(dǎo)致所有模態(tài)的衰減增加。理論分析及實驗結(jié)果表明低頻L(0,2)模態(tài)的衰減主要受土壤橫波波速和土壤密度的影響，而對土壤縱波波速變化不敏感?？梢岳玫皖l段L(0,2)模態(tài)的衰減特性測量立柱周圍土壤的力學(xué)性能。
　　 (7)利用現(xiàn)場實地測量地結(jié)果，分析了護欄的附屬構(gòu)件：波形梁、防阻塊、柱帽等以及護欄板安裝孔