Page 39 - 无损检测2025年第四期

王 潇，等：

基于超声导波技术的 U 型钢筋锈蚀监测

由于混凝土结构内钢筋锈蚀前期无明显表征现 混凝土试块锈蚀的全过程实时监测。
象，当出现锈蚀迹象时结构可能已经受到损坏，此时
维护的费用较高，甚至承载力下降而带来安全隐患。 1 超声导波在钢筋中的频散特性
因此，对钢筋锈蚀过程进行监测以及早期损伤识别 超声导波在介质中的传播会受到其几何尺寸和
是很有必要的。 材料特性的影响，例如在钢筋中的传播与钢筋的直
目前，对钢筋混凝土结构内部钢筋锈蚀识别的 径和物理特性有关。因此超声导波在钢筋中的传播
方法，主要分为物理监测法、电化学监测法以及无损 速度会随着激励频率的改变而发生变化，这就是导
检测技术。DRAVNIEKS等 提出了电阻探针监测 波在钢筋中传播的频散现象，其强弱跟激励频率以
[1]
技术。JOHN等 提出利用交流阻抗谱法对混凝土 及激发的模态有关 [10] 。
[2]
结构内部损伤进行监测。钟志恒等 深入研究线性 导波在钢筋中传播的频散曲线与钢筋的直径以
[3]
极化法，对混凝土中钢筋的腐蚀机理与腐蚀速率控 及密度、弹性模量等物理参数有关。利用MATLAB
制进行了阐述。但其提出的方法在实用性上具有一 软件 [11] 绘制出导波在直径12 mm钢筋中传播的频散
定的局限性，通常作为人工短暂定期监测方法使用。 曲线，群速度频散曲线和相速度频散曲线分别如图
相对来说，最近兴起的超声导波检测技术较为 1，2所示，其可以反映出导波模态、频率以及群速度
全面。李幸钰等 通过对不同缺陷深度的钢筋进行 和相速度之间的关系 [12] 。绘制频散曲线所用到的钢
[4]
超声导波监测试验和数值模拟，利用小波分析对试 筋物理参数如表1所示。
验数据进行处理分析，试验结果和数值模拟得到的 6 000
结论基本一致，表明利用小波包能量分析能够对钢
筋混凝土锈蚀损伤进行识别。 5 000 L（0,1）
L（0,4）
SHARMA等 [5-6] 利用带痕损伤钢筋混凝土梁进 4 000 L（0,2） L（0,3）
行超声导波监测试验，发现L（0，1）模态导波的传 T（0,1）
播集中分布于钢筋表面，且会在带痕损伤区域发生 群速度/(m·s -1 ) 3 000 F（1,2）
散射、反射，对钢筋损伤变化反应敏感，同时发现低
2 000 F（1,1） F（1,7）
频模态导波在自钢筋表面向混凝土区域传播的过程 F（1,3） F（1,4） T（0,2） F（1,6）
L（0,5）
中位移减小，能量损失增大，验证了使用导波进行混 1 000 F（1,5）
T（0,3） F（1,8）
凝土内钢筋表面损伤监测的可行性。
FARHIDZADEH等 [7-9] 基于多尺寸圆柱体内导 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000
频率/kHz
波声速差异性，设计多组小尺寸不同直径钢筋锈蚀
图 1 钢筋中导波群速度频散曲线
超声检测试验，试验发现锈蚀初期点锈蚀较少，声速
8 000
变化较小，中期至后期锈蚀点数量、范围增大致使导 L（0,3） T（0,3）
T（0,2） L（0,4）
波发生散射，声速变化较大，验证了基于导波声速变 7 000 F（1,2） F（1,5）
L（0,2）
F（1,6）
化的钢筋锈蚀检测的可行性。相比传统方法，基于 6 000
L（0,1） F（1,3） F（1,4）
超声导波技术的监测方法更具有实用性，适用于钢 5 000
筋混凝土这种复杂结构的内部监测，且准确性高、整 相速度/(m·s -1 ) 4 000
体成本较低。 3 000 T（0,1）
利用超声导波技术对混凝土进行检测时存在以
2 000 F（1,1）
下问题：①信号处理复杂，使用小波变换等技术需要
大算力支持，增加了系统实现难度；②传感器信号易 1 000
受到干扰，监测时会产生许多干扰信号；③导波穿透
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000
复合材料时，信号会发生衰减。 频率/kHz
文章利用超声导波技术，采用压电材料设计了一 图 2 钢筋中导波相速度频散曲线
个适用于U型钢筋锈蚀监测的传感系统，可以对信号 表1 钢筋物理参数
干扰进行滤波处理，并能够消除环境干扰。最后搭建 密度/(kg · m ) 弹性模量/GPa 泊松比
−3
了钢筋混凝土试块加速锈蚀监测系统，实现了对钢筋 7 800 210 0.30
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2025 年 第 47 卷 第 4 期
无损检测