王 威

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 宣城 242000)

鋼筋混凝土裝配式建筑推動(dòng)了我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展，其具有節(jié)能、節(jié)材的特點(diǎn)，體現(xiàn)了綠色環(huán)保的建筑理念.因?yàn)樵摷夹g(shù)提出較晚，相關(guān)研究匱乏，且缺乏健全的安全體系，預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生.同時(shí)，鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)硬化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)使內(nèi)部材料生銹，降低承載力.如何對(duì)預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量做出精準(zhǔn)的檢測(cè)，成為建筑領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題.針對(duì)上述問(wèn)題，研究人員探索相應(yīng)的解決方案.文獻(xiàn)[1]提出基于粗糙集-灰色局勢(shì)決策的預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)方法，首先將承運(yùn)商的運(yùn)作管理能力、物流傳輸能力和運(yùn)輸工具配置作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其次在粗糙集理論下對(duì)收集的數(shù)據(jù)做屬性約簡(jiǎn)，刪除冗余數(shù)據(jù)，保留重要信息，最后利用灰色局勢(shì)決策法，通過(guò)優(yōu)化的白話函數(shù)計(jì)算出質(zhì)量的綜合效果矩陣，完成質(zhì)量檢測(cè).此種檢測(cè)方法較為簡(jiǎn)便，并且可以很好的對(duì)預(yù)制構(gòu)件實(shí)施從出廠到使用的全面跟蹤檢測(cè).文獻(xiàn)[2]為預(yù)防預(yù)制構(gòu)件在施工過(guò)程中帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，提出基于BIM質(zhì)量檢測(cè)的方法，首先對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)框架進(jìn)行構(gòu)建，包括感知層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層；其次結(jié)合預(yù)制構(gòu)件的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)建立安全規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)，將其作為檢測(cè)的依據(jù)；最后對(duì)BIM模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，將采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)做對(duì)比，完成質(zhì)量檢測(cè).此種方法能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出預(yù)制構(gòu)件表面質(zhì)量問(wèn)題.雖然以上兩種方法都完成了質(zhì)量檢測(cè)，但是只能從表面進(jìn)行推斷，并不能精準(zhǔn)地檢測(cè)預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部是否發(fā)生裂縫等質(zhì)量問(wèn)題.基于此，提出鋼筋混凝土裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)方法.在超聲波的基礎(chǔ)上確定參數(shù)，了解傳播特性，建立聲場(chǎng)模型，完成質(zhì)量檢測(cè).超聲波對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的缺陷比較敏感，可以作為重要的質(zhì)量檢測(cè)依據(jù).

1 基于超聲波的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)

1.1 超聲波的參數(shù)及傳播特性分析

超聲波可以看做由很多緊密相連的質(zhì)點(diǎn)組成的一種物質(zhì)，當(dāng)其中的某個(gè)質(zhì)點(diǎn)受到擾動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象[3]，此現(xiàn)象會(huì)影響相鄰質(zhì)點(diǎn)隨之振動(dòng)，由于慣性因素，相鄰質(zhì)點(diǎn)又會(huì)帶動(dòng)更多的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生振動(dòng)，這樣就形成了聲波.超聲波的頻率范圍在20～ 10 MHz，并不在人耳聽覺范圍內(nèi).

超聲波用于質(zhì)量檢測(cè)中，可利用其傳播特性，與被檢測(cè)的物體相互作用，使其傳播方向發(fā)生明顯變化，利用接收換能器對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行接收，分析其頻率與振幅，從而判斷被檢測(cè)的物體是否存在質(zhì)量問(wèn)題.

1)超聲波分類

以超聲波的傳播方向以及質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向作為依據(jù)，將波分為縱波、橫波和表面波[4]三大類.橫波與縱波屬于基礎(chǔ)機(jī)械波形，出現(xiàn)任何復(fù)雜的波動(dòng)現(xiàn)象都可能是這兩種波疊加導(dǎo)致的，波的分類，見表1.

表1 超聲波分類表

2)超聲波的基本參數(shù)

聲速：通常情況下傳播速度用v表示，而三種波形在同樣的介質(zhì)中傳播速度不同.超聲波在鋼筋混凝土裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件中傳播速度公式為：

(1)

公式(1)中，v表示傳播速度，l表示聲程，t表示聲時(shí).

超聲波的彈性模量與泊松比[5]決定了傳播速度，彈性模量越高，速度越快.與此同時(shí)，預(yù)制構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如材料組成、空隙、裂縫都會(huì)對(duì)傳播速度造成影響.振幅：是反應(yīng)聲波能量大小的參數(shù)，振幅越大，能量越高，可以作為預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn).頻率：高頻率的聲波波長(zhǎng)較短，容易造成吸收和散射衰減，超聲脈沖的傳播距離越遠(yuǎn)，衰減現(xiàn)象越嚴(yán)重.波形：在傳播時(shí)，傳播距離的增長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致聲波出現(xiàn)消退現(xiàn)象，正弦波衰減后變?yōu)榘雸A形，而超聲波在預(yù)制構(gòu)件中產(chǎn)生的形狀為喇叭形.

3)超聲波傳播的獨(dú)特性

當(dāng)超聲波的傳播介質(zhì)不同時(shí)，交界面會(huì)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，這時(shí)傳播規(guī)律會(huì)發(fā)生變化.如圖1所示，α和α1分別代表入射波和反射波與界面的夾角，折射波與界面的夾角為β.

圖1 超聲波的反射和折射示意圖

超聲波反射：入射角α與反射角α1之間存在的關(guān)系式為：

(2)

超聲波折射：當(dāng)超聲波的傳播介質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，一部分聲波透過(guò)交界面后繼續(xù)傳播，此時(shí)入射角α與折射角β之間的關(guān)系為：

(3)

聲壓反射率：是反射聲壓p′與入射聲壓p之間的比，可用公式(4)對(duì)其描述：

(4)

超聲波的反射角、入射角、介質(zhì)聲阻抗率[6]Z和介質(zhì)厚度都對(duì)聲壓發(fā)射率γ有影響，關(guān)系式為：

(5)

當(dāng)入射角α=0時(shí)，公式(5)可以簡(jiǎn)化為：

(6)

1.2 超聲波探頭的聲場(chǎng)模型

在確定參數(shù)后，對(duì)幾種常用超聲探頭聲場(chǎng)建立數(shù)學(xué)模型.

1)圓盤活塞狀聲源：在對(duì)聲波衰減現(xiàn)象不做任何考慮的情況下，聲場(chǎng)中任何一點(diǎn)的聲壓可以表示為：

(7)

公式(7)中，p0代表起始聲壓，dS代表點(diǎn)源面積，r表示某點(diǎn)到聲源的距離.

為了使模型得到簡(jiǎn)化，將所有單一點(diǎn)源產(chǎn)生的聲波進(jìn)行疊加處理，獲得合成聲壓[7]：

(8)

式(8)中，Rs代表圓形探頭的半徑.根據(jù)式(9)可以得出，聲壓p代表時(shí)間t的周期函數(shù).聲壓振幅為：

(9)

(10)

聲壓振幅可表達(dá)為：

(11)

式(11)中，F(xiàn)s表示圓盤面積，J1表示一階貝塞爾函數(shù)[8]，Rs表示圓形探頭半徑.

2)矩形活塞探頭聲場(chǎng)中任何一點(diǎn)的聲壓振幅為：

(12)

當(dāng)θ=φ=0時(shí)，遠(yuǎn)距離軸線上的聲壓為：

(13)

當(dāng)θ=0時(shí)，經(jīng)過(guò)軸線，并且矩形源平面中遠(yuǎn)距離任意一點(diǎn)的聲壓可表示為：

(14)

當(dāng)φ=0，此時(shí)聲壓為：

(15)

根據(jù)建立的超聲波聲場(chǎng)模型制作兩種預(yù)制構(gòu)件模型：其一，有質(zhì)量問(wèn)題，有裂縫現(xiàn)象出現(xiàn)；其二，質(zhì)量良好.將兩種構(gòu)件模型用于對(duì)比檢測(cè).

1.3 預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)

檢測(cè)超聲波是否有明顯變化情況的核心是求交運(yùn)算，高效率的求交算法是預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵.因此，分別對(duì)射線與平面和圓柱面的求交算法進(jìn)行研究.聲色線為：

X=Dt+S(t≥0)

(16)

式(16)中聲射線的原點(diǎn)為S=(x0,y0,z0)，傳播方向定義為 ‖D‖=1；X=(x,y,z)是聲射線上的某一點(diǎn).

1)射線與平面的求交算法[9]

當(dāng)界面的表達(dá)帶約束條件時(shí)，此求交算法就變?yōu)樯渚€與多邊形的求交，在本文方法中多邊形定義為單聯(lián)通的，并且它的兩邊除了有共同交點(diǎn)外，是不會(huì)相交的，將復(fù)雜的多邊形轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)單的多邊形形式.

對(duì)于多邊形P={p1,p2,…,pn}中，Pi=(xi,yi,zi)是多邊形的交點(diǎn)，此時(shí)多邊形所在平面的表達(dá)式為：

N·X+d=0

(17)

2)射線與曲面求交算法

求交曲面包括柱面、球面、圓錐面等.假設(shè)圓柱體的底面中心是p0,對(duì)稱軸的向量為AX，圓柱高度為h，得到以下求交公式為：

P1=P0+h·AX

(18)

在獲得兩種算法的求交公式后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)[10]確定出預(yù)制配件質(zhì)量檢測(cè)的指標(biāo)權(quán)重，過(guò)程如下所示：

(19)

其次，在獲取超級(jí)矩陣的基礎(chǔ)上獲得極限矩陣W∞，為了更準(zhǔn)確地反應(yīng)鋼筋混凝土裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)之間的關(guān)系，加權(quán)超級(jí)矩陣必須有良好的穩(wěn)定性，因此構(gòu)建極限矩陣W∞，如式(20)所示，假如i→∞，極限收斂并且唯一，這時(shí)，超矩陣中的列向量為質(zhì)量檢測(cè)判斷標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定權(quán)重[11].

(20)

在構(gòu)建出極限矩陣后，建立模糊評(píng)價(jià)矩陣，將質(zhì)量檢測(cè)的二級(jí)指標(biāo)經(jīng)過(guò)模糊線性變換后獲得一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的矩陣：

(21)

式(21)中，rij代表質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)指標(biāo)Pij所對(duì)應(yīng)的隸屬度，fij代表質(zhì)量評(píng)價(jià)二級(jí)指標(biāo)被檢測(cè)的總數(shù)量.

最后，建立綜合質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)矩陣.通過(guò)隸屬度rij構(gòu)建隸屬度矩陣[12]R，根據(jù)下述公式計(jì)算出一般隸屬度矩陣R=(rij)m×n=(R1,R2,…，Rn)T，指標(biāo)Pij的隸屬度向量可以表示為Ri=(ri1,ri2,…，rit)T，i=1,2，…,n，n對(duì)質(zhì)量檢測(cè)等級(jí)的數(shù)量進(jìn)行描述.由于質(zhì)量檢測(cè)的評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，所以需要對(duì)不同等級(jí)的檢測(cè)指標(biāo)一一進(jìn)行綜合判斷，首先通過(guò)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Wij與對(duì)應(yīng)的隸屬度矩陣R做一級(jí)模糊判斷，并將判斷結(jié)果進(jìn)行綜合獲得總的模糊綜合判斷矩陣H，判斷過(guò)程如下所示：

Hi=WijR=

(22)

根據(jù)計(jì)算出的模糊綜合判斷矩陣，求出預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)的模糊判斷集U，公式如下所示：

U=WH=(u1,u2,…,ut)

(23)

式(23)中，ut表示質(zhì)量檢測(cè)綜合判斷對(duì)等級(jí)j的隸屬程度.

2 測(cè)試與分析

為驗(yàn)證本文方法對(duì)預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)的有效性，將其與文獻(xiàn)[1]方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn).利用本文方法對(duì)兩種預(yù)制構(gòu)件模型進(jìn)行檢測(cè)，一種為內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，有質(zhì)量問(wèn)題的預(yù)制構(gòu)件，另一種為完好無(wú)損的預(yù)制構(gòu)件.獲得兩個(gè)模型通過(guò)裂縫與未通過(guò)裂縫的超聲波變化，包括波的速度、振幅以及頻率曲線的變化情況.圖2與圖3分別為兩種不同模型的聲波變化情況.

圖2 超聲波未經(jīng)過(guò)裂縫的波形

圖3 超聲波經(jīng)過(guò)裂縫處的波形

從圖2與圖3可以看出，超聲波是否經(jīng)過(guò)裂縫，對(duì)其波形有較大的影響.在經(jīng)過(guò)裂縫之前，傳播介質(zhì)均勻，震相簡(jiǎn)單，波形比較規(guī)則，振幅消失較快，但是在通過(guò)裂縫后，超聲波會(huì)在出現(xiàn)裂縫的地方發(fā)生變化，頻繁發(fā)生反射、散射及繞射等情況，以至于產(chǎn)生不規(guī)則的波形.裂縫的存在導(dǎo)致振幅消失得很慢.由于裂縫處有氣體這種傳播介質(zhì)存在，對(duì)波形有阻隔作用，因此，無(wú)法觀察到直達(dá)波，經(jīng)過(guò)裂縫處的超聲波會(huì)產(chǎn)生較明顯的周期波動(dòng)，可以作為判斷有無(wú)質(zhì)量問(wèn)題的重要依據(jù)，使用本文方法觀測(cè)到的波形變化較為明顯.

分別設(shè)置100組本文方法與文獻(xiàn)[1]方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，兩種方法對(duì)質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性結(jié)果，如圖4所示.

圖4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率對(duì)比圖

分析圖4，從對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，兩種方法對(duì)于檢測(cè)的準(zhǔn)確率均有上升.而相比文獻(xiàn)[1]中的方法而言，本文方法的精準(zhǔn)度始終占據(jù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)裂縫等質(zhì)量問(wèn)題更具敏感性質(zhì).

3 結(jié)論

為了更好的對(duì)鋼筋混凝土裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件做質(zhì)量檢測(cè)，本文在超聲波的基礎(chǔ)上利用其傳播特性，建立聲場(chǎng)模型，確定質(zhì)量檢測(cè)的指標(biāo)權(quán)重，完成預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè).研究發(fā)現(xiàn):

1)超聲波對(duì)裂縫的反應(yīng)通過(guò)其波形顯現(xiàn)，當(dāng)其通過(guò)預(yù)制構(gòu)件縫隙時(shí)，其波形不再規(guī)則，振幅消失緩慢.

2)與其他方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，隨著迭代次數(shù)的上升，檢測(cè)精度將會(huì)上升；而本文方法對(duì)裂縫現(xiàn)象較為敏感，檢測(cè)的準(zhǔn)確度更高，提高了檢測(cè)效率.超聲波用于預(yù)制構(gòu)件檢測(cè)的可行性得到驗(yàn)證，能為該方法的多種判斷指標(biāo)檢測(cè)質(zhì)量問(wèn)題提供重要的依據(jù).