空心圆柱结构、板型结构之导波检测理论概述

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1、空心圆柱结构、板型结构之导波检测理论概述-->第一章绪论1.1本课题的研究背景超声导波技术目前在金属行业已经得到了很好的应用，有些甚至已经研发了比较成熟的产品用于实际工程中，而在非金属领域，导波的研究在国内还非常落后，如何将金属领域的研究成果应用于非金属领域，也将是一个值得研究的课题。在非金属领域，桩的研究是一个古老的课题。伴随着我们建筑、高速公路、高速铁路的大量开工建设，桩基础已经成为了一种很重要的基础形式。桩基工程除因受岩土工程条件、基础与结构设计、桩土体系相互作用、施工以及专业技术水平和经验等关联因素的影响而具有复杂性外

2、，桩的施工还具有高度的隐蔽性，发现质量问题难，事故处理更难。随着混凝土研究水平的提高，高标号的混凝土不断出现，从而也带动了各种各样的新桩型的出现，高强度的离心管桩便是其中之一。由于预应力离心管桩具有如下特点:桩体强度高，耐打性和抗裂性较好，能承受较高的锤击力;可根据需要，制作成不同规格，不同长度的桩段;成桩质量比较好控制，施工速度快。因此目前离心管桩已经大规模地在沿海沿江地区使用。但是由于预应力管桩强度很高，容易产生脆性破坏，而且管桩的沉桩是一种挤土施工，遇到坚硬地层或者孤石，容易在桩身产生裂纹或者裂缝。因此必须对管桩施工后进

3、行质量检测。目前的管桩桩身质量检测中，主要采用的还是以一维应力波理论为基础的应力波反射法。采用一维弹性杆件纵波理论需要满足两方面的要求:(l)入射波的波长必须足够大。一般要求其与桩直径的比值大于10，此时可以忽略桩的同一横截面上不同质点之间运动状态的差异，而认为各质点的运动状态完全一致，这就是通常所说的平截面假定。(2)波长与桩长的比值又必须足够小，否则桩身的运动状态更接近刚体，波动性状不明显，不利于较浅部缺陷的定位。显然桩的横向、纵向尺寸和激励脉冲波长的关系本身就是矛盾，这种尺寸效应在实际侧试中对不同桩的影响还需要研究。然而

4、，将管桩作为一种弹性杆件是否合适，如何从理论上对其进行合理解释，便是摆在大家面前的一个课题。因此考虑将金属管道中比较成熟的理论应用于管桩的研究中，也是一个值得研究的方向。......1.2国内外的研究历史与现状1.2.1国外的研究历史与现状JOSephL·Rose和ZhaoXiaoliang(2001)[”]利用“弯曲模态调节技术，对管道弯头处进行了检测。通常激励弯曲模态可以采取局部加载的方法(HyeonJaeShin和JosephL.Rose(1999))，另外任何非一致的或非同相的加载都可以激励出F模态。对金属管道的检测，

5、在国外已经形成了一套比较完整和适用的理论系统。在非金属领域，非金属管型物的研究目前还很少见到有报道。(2)板中的导波研究状况AT)探测薄板中的兰姆波，并将接收到的信号用于晶相分析实验，而得出结论:低阶的兰姆波模态AO和S0模态可用于检测并扫描成像薄铝板中反常的区域。C.younh。和J.L.R。Se(1996)研究了兰姆波在介质边界反射时的模态转换并用边界元法进行了数值模拟。同样地，利用板波技术对金属板进行检测也形成了很成熟的理论和方法。而在非金属领域的研究却比较少。AleXanderH.Gibson采用了基于导波理论的冲击回

6、波方法对混凝上路面厚度进行了探索性研究。He1Sinb频散关系和混凝土桩中弯曲波的频散特性，并且研究了不同模态的波的位移场分布情况。Jung，Young一chullzZ对混凝土板中的Lamb传播机理及实际测试进行了比较系统的研究。近年来，也有不少学者利用混凝土梁中的Lamb传播技术和冲击回波方法对缺陷判断进行了比较详细的研究[2s，26]。.........第二章导波的基础理论2.1基本概念....................2.2空心圆柱结构中的导波波在空心圆柱体中的传播规律的推导最初是由GaziS首先论述的[4，5，4

7、6]。为了更好的理解波在中空圆柱结构中的传播规律，我们首先必须了解中空圆柱结构中的频散方程及频散曲线。下面我们在GaziS的基础上，推导出频散方程。对于一个如图2一13所示的各向同性圆柱结构，假设其在z方向无限大，则其运动方程可以表示为:为了对以上方程进行进一步的简化，首先，我们将位移矢量反通过Helmholtz分解表示为一个标量中的梯度和一个矢量H的旋度之和。即.........2.3板型结构中的导波2.3.1板中的统一方程假设板型结构是均匀和各向同性的，板在x方向和z方向上无限大，在y方向的厚度为2b。建立直角坐标系，如图

8、2一16所示，x一z平面与板的中性面保持一致。板的物理参数如图所示。在没有外加力的情况下，各向同性弹性介质中运动位移方程可以用Navier-Stokes方程来表示如下:其中反表示质点在x，y和z方向上的位移矢量，刀和兄为Lame常数。依据Helmholtz分解，任何一个位移矢