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1、土木工程测试技术土木工程测试技术课程综述课程综述一、 课程相关的学科及前期知识 学科的强交叉性学科的强交叉性 土木工程 机械工程 信息学科：自动化、电子工程、计算机技术、人工智能、电路与系统（信号处理)。七、 课程章节第一章 综述第二章 测试技术传感器基础第三章 结构混凝土强度的测试方法第四章 结构混凝土内部缺陷的超声脉冲探伤第五章 混凝土损伤程度的声发射诊断第六章 混凝土的弹性和非弹性性质参数测试第七章 结构损伤测试常用仪器设备规范第八章 超声波测试原理及智能超声仪开发技术第九章 结构损伤测试的高级数据处理方法第十章 结构损伤测试实例第一章第一章 综述综述 1.1 结构混凝土无损检测技术的形
2、成及发展 早在上世纪30年代，人们开始探索和研究混凝土无损检测技术，英国R.Jones于1949年成功运用超声脉冲技术来检测混凝土。 1.2 结构混凝土无损检测技术的工程应用1.2.1 测试体系：(1)宏观力学性能及其他宏观性能测试技术;(2)细观结构的观察和分析技术;(3)微观结构的观察和分析技术。1.2.2 适用范围：（1）结构混凝土强度的检测；混凝土强度的检测的基本定义：不严谨的概念，设计规范（2）结构混凝土缺陷的检测；混凝土缺陷的检测的基本定义：三个层次微观、细观和宏观（3）混凝土其他性能检测。1.3 结构混凝土无损检测方法的分类和特点1.3.1 强度的无损检测方法半破损、非破损和综合
3、法 1.3.2 缺陷的无损检测方法（1）超声脉冲法（2）脉冲回波法（3）雷达扫描法（4）红外热谱法（5）声发射技术1.3.3 针对其他性能的无损检测方法（1）共振法（2）敲击法（3）磁测法（4）电测法（5）微波吸收法（6）中子散射法1.4 结构混凝土无损检测的研究动向1.4.1 仪器：智能化1.4.2 传感器：多样化1.4.3 检测系统：专用化、小型化、一体化、集约化1.4.4 无损检测结果评定：（1）按国家标准GBJ107-87（试件、试块）；（2）以统计方法为基础的抽样评定法则。1.4.5 缺陷检测判断（1）概率法判据（2）PSD判据（斜率与差值乘积） 湖南大学吴慧敏教授提出（3）NFP判
4、据（多因素概率法）（4）多因素模糊综合判据1.5 1.5 神经网络在土木工程中应用神经网络在土木工程中应用1.5.1 神经网络在土木工程中应用的可行性神经网络的特点：神经网络的特点：（1）分布式存储信息：网络结构和连接权（2）自适应性：自学习、自组织、泛化和训练（3）并行性：每一神经元独立，各神经元并行 处理 （4）联想记忆功能（5）自动提取特征参数（6）鲁棒性（容错性）土木工程应用可行性分析：土木工程应用可行性分析：（1）专家系统成为工程设计工程设计中必不可少的工具,但专系统存在一些缺陷,神经网络的上述特点正好可阶级解决这些问题;（2）在损伤诊断中通过损伤模式匹配和特征参数的自动提取来成立复
5、杂的非线性、不确定性问题。1.5.2 神经网络应用领域（1）结构分析与初步设计；（2）结构优化设计；（3）结构损伤检测和诊断；（4）结构控制；（5）科学决策；（6）结构材料与本构关系；（7）回归分析。第二章第二章 测试技术传感器基础测试技术传感器基础第三章 结构混凝土强度的测试方法3.1 回弹法检测混凝土强度3.1.1 概述（1）回弹法基本原理 回弹值推定混凝土强度 回弹值Rm 重锤冲击过程中能量损失 推定：采用回归公式 一元回归 二元回归（2）回弹法应用概况 1948年瑞士施米特（E.Schmidt)发明回弹仪。各国制定了回弹仪标准。 我国标准：1950-1980年代初步制定阶段 1985J
6、GJ/23-85回弹法评定混凝土抗压强度技术规程 1989 修订 评定-检测 JGJ/23-92 2000 JGJ/23-2001（3）回弹法检测混凝土强度误差范围3.1.2 回弹仪（1）回弹仪分类 L(小)、N（中）、M（大）、NR、P型（2）影响回检测性能的主要因素（3）回弹仪的操作、保养及校验（4）常见故障及排除方法 3.1.3 回弹仪检测混凝土强度的影响因素（1）原材料影响1）水泥影响 采用影响系数ky描述： 普通水泥ky=1 矿渣水泥ky=0.9。 炭化深度dm影响2）细骨料影响 对回弹法测强没有显著影响3）粗骨料影响4）外加剂影响（2）成型方法的影响 振动成型、手工插捣（3）养护方
7、法及湿度的影响常用养护方法：室内标准养护、空气自然养护和蒸汽养护4种湿度养护方法：自然、泡水、淋水和潮湿（4）炭化及龄期的影响（5）模板的影响 钢模：1，木模：0.8-0.9（6）其他 泵送混凝土、钢筋等3.1.4 回弹法测强曲线的建立统一曲线：全国、大量试验、误差15% 地区曲线：地区、较多试验、误差14% 专用曲线：大集团公司、一定数量、误差12% f=f(R) f=f(R,l) f=(R,l,d) f=(R,l,d,W)3.1.5 测强数据处理及计算（1）检测准备（2）检测方法确定（3）数据处理 每个测区取16个回弹值，去除3个最大和3个最小，其余10个数据按Rm=Ri/10（4）计算：
8、平均值和标准差。3.2 超声法检测混凝土强度3.2.1 概述（1）超声法测检混凝土强度的依据超声声速-混凝土弹性模量-力学强度数学关系，建立经验公式:f=Av2+Bv+c（2）超声法测检混凝土强度的技术途径（3）混凝土超声法测强的特点（4）混凝土超声法测强的技术稳定性3.2.2 超声仪检测混凝土强度的主要影响因素（1）横向尺寸效应（2）温度和湿度影响（3）混凝土中钢筋的影响与修正（4）粗骨料品种、粒径和含量的影响（5）水灰比及水泥用量的影响（6）混凝土龄期和养护方法的影响（7）混凝土缺陷与损伤对测强的影响3.2.3 各种影响因素的显著性分析 正交试验设计、试验结果的极差分析和方差分析3.2.4
9、 超声测强曲线的建立（1）曲线类型及适应范围1）校准曲线2）地区曲线3）统一曲线（2）试验设计与方法（3）试块的声速试验数据分析处理（4）拟合测强曲线与效果分析3.2.5 结构混凝土强度检测与推定（1）测区选择（2）结构混凝土强度推定3.3 超声回弹综合法检测混凝土强度3.3.1 概述（1）采用超声回弹综合法原则1）单一法的仪器性能、测试技术和测试误差应符合规定要求；2）在已查明单一法测强影响因素的基础上，应采取对测强影响较大且相反的单一法进行综合，以便抵消或减少特定因素的影响；3）综合法比单一法应具有较小的测试误差和较宽的适应范围；4）综合法适应于确定内部无缺陷部位的混凝土强度。（2）综合法
10、的特点1）减少龄期和含水率的影响2）弥补相互的不足3）提高测试精度3.3.2 综合法测强的影响因素（1）水泥品种及水泥用量的影响：不显著、不修正（2）细骨料品种及砂率的影响：不显著、不修正（3）粗骨料（石子）品、石子用量及粒径的影响： 显著、修正（4）外加剂的影响：不显著、不修正（5）炭化深度的影响：不显著、不修正（6）混凝土含水率的影响：有影响、尽可能干燥状态（7）测试面的影响：有影响、对V、R分别进行修正3.3.3 综合法测强曲线（1）测强曲线的分类1）统一测强曲线（全国曲线）2）地区（部门）测强曲线3）专用（率定）测强曲线（2）测强曲线的建立方法（3）地区（专用）测强曲线的制定方法（4）
11、测强曲线的验证3.3.4 综合法检测混凝土强度技术（1）检测准备（2）测试技术回弹值测量与计算超声声速测量与计算3.3.5 结构或构件混凝土强度推定3.3.6 综合法检测混凝土强度实际应用3.5 混凝土强度拔出法检测技术3.3.1 概述3.3.2 预埋拔出法3.3.3 后装拔出法3.3.4 测强曲线的建立3.3.5 工程检测要点3.3.6 拉剥试验3.4 钻芯法检测混凝土强度3.3.1 概述（1）钻芯法的发展过程及现状（2）钻芯法的应用特点（3）与其他无损检测方法的比较3.3.2 钻芯机及配套设备3.3.3 芯样钻取技术3.3.4 芯样加工及端面修整3.3.5 芯样含钢筋对抗压强度的影响3.3
12、.6 芯样抗压强度试验及强度计算3.3.7 钻芯法实际应用第四章 结构混凝土内部缺陷的超声脉冲探伤4.1 概述4.1.1 混凝土缺陷超声检测技术的发展混凝土缺陷超声检测技术分2类：（1）机械波法：超声脉冲、冲击脉冲波和声发射等；（2）穿透辐射法：X射线、射线和中子流等。中国科学院水电研究所用超声脉冲检测混凝土裂纹1990：超声法检测混凝土缺陷技术规程1998-1999：修订 CECS21：20004.1.2 超声波检测混凝土缺陷的原理（1）检测依据：利用超声脉冲波在技术条件相同（原材料、配合比、龄期和测试距离一致）的混凝土中的传播时间、接收波的振幅和频率等声学参数的变化来判定混凝土的缺陷。快慢
13、与密实程度有关。（2）超声脉冲波遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，在缺陷的界面反射和散射，声能衰减，接收信号波幅降低，信号畸变。4.1.3 超声波检测混凝土缺陷的方法（1）平面测试：对测、斜测和单面平面法（2）钻孔或预埋管测试：孔中对测、孔中斜测、孔中平测（3）平面和钻孔混合测试4.1.4 超声波检测混凝土缺陷的主要影响因素（1）耦合状态影响（2）钢筋的影响（3）水分的影响4.2 混凝土裂缝深度的检测 混凝土出现裂缝十分普遍,许多钢筋混凝土结构的破坏都是从裂缝开始的。必须重视裂缝的检查、分析和处理。裂缝产生的原因：荷载作用、混凝土收缩和温度变形导致开裂以及地基不均匀沉降。根据性质、原因、尺寸及对结构
14、危害做相应处理。4.3 混凝土不密实区和空洞检测4.3.1 测试方法（1）平面对测（2）平面斜测（3）钻孔测法4.3.2 不密实区和空洞的判定（1）混凝土声学参数的统计计算基本思想：针对某一置信概率，确定一个相应的置信范围，凡超过此范围的观测值，认为是异常值。（2）异常值判别：拉依达法、肖维勒法、格拉布斯法和迪克逊法。（3）不密实混凝土和空洞范围的判定（4）混凝土内部空洞尺寸的估算4.3.3 测试实验4.4 两次浇注的混凝土之间结合质量的检测4.4.1 测试方法4.4.2 数据处理及判定4.4.3 实例4.5 表面损伤层的检测4.5.1 测试方法4.5.2 损伤层厚度判定4.5.3 实例4.6
15、 钢管混凝土缺陷的检测4.7 混凝土均匀性检测4.7.1 测试方法 4.7.2 计算和分析4.8 混凝土钻孔灌注桩的质量检测4.8.1 混凝土钻孔灌注桩无损检测技术概述 高层建筑和桥梁常用基桩形式。常用检测方法有：（1）钻芯检验法（2）振动检验法1）敲击法和锤击法2）稳态激励机械阻抗法3） 态激励机械阻抗法4）水电效应法（3）超声脉冲检验法（4）射线法4.8.2 钻孔灌注桩超声脉冲检测的基本原理和检测设备（1）检测方式1）双孔检测2）单孔检测3）桩外孔检测（2）判断内部缺陷的基本物理量1）声时值2）波幅衰减3）接收信号频率变化4）接收波形的畸变（3）检测的主要设备4.8.3 声测管的预埋（1）
16、 声测管的预置数量和布置方式（2）声测管的预埋方法1）声时值测2）波幅衰减3）接收信号频率变化4）接收波形的畸变（3）检测的主要设备4.8.3 声测管的预埋（1） 声测管的预置数量和布置方式（2）声测管的预埋方法4.8.4 检测结果的分析和判断方法（1）数值判据法:概率法:CECS21:2000；PSD判据（2）声场阴影重叠法4.8.5 桩内混凝土强度的测量（1）桩内混凝土总体平均强度的推算；（2）缺陷区强度的估算及桩纵剖面逐点强度估算（3）钻孔灌注桩混凝土质量水平的评价第五章 混凝土损伤程度的声发射诊断5.1 概述 1941-1942,Obert和Hodgson矿体岩石裂缝发展预测研究报告,
17、提出了声发射的概念。 我国将声发射技术用于海洋石油钻井平台安全监测。5.2 基本原理5.2.1 声发射源5.2.2 声发射信号的特征参数（1）声发射事件、计数、计数率和总数（2）能量：声发射信号能量的大小反映声发射源释放能量强烈的程度。（3）幅度和幅度分布（4）频谱分析（5）声发射信号的时差5.2.3 声发射源的定位5.3 声发射仪简介5.4 混凝土的声发射特征5.4.1 普通混凝土轴向受压时的声发射的一般特征5.4.2 混凝土受压破坏过程的几个声发射特征值5.4.3 混凝土声发射的凯塞效应5.4.4 影响混凝土声发射特性的其他因素5.4.5 声发射在混凝土中的应用前景第六章 混凝土的弹性和非
18、弹性性质参数测试第七章 结构损伤测试常用仪器设备规范7.1 常用仪器设备（1）HT225W（MTC850日本）型回弹仪特性： 配微电脑，可把弹击次数、回弹值、修正值、弹击角度、回弹平均值、异常值剔除以及混凝土强度推算等自动记录和显示。（2）瑞士回弹仪系列型号（3）日本回弹仪系列型号 瑞士回弹仪系列型号型号 冲击能量/J 弹击方式 适应范围 N 2.25 直射式 一般混凝土NR 2.25 直射式 同N型，示值记录L 0.75 直射式 小型、低刚度和胶凝材料LR 0.75 直射式 同L 型，示值记录LB 0.75 直射式 烧土制品和陶管连续质量控制M 30 直射式 大体积、飞机跑道、高速路面P 0
19、.9 摆式 轻质材料(5-25MPa混凝土)PT 0.9 摆式 0.5-5MPa低强度胶凝制品 日本回弹仪系列型号型号 功能 ND-740 回弹值最小读数0.1度,数显式ND-750 同ND-740,能对回弹值记录和处理MTC-850 能自动记录和按程序处理回弹值及其平 均值、回弹修正值、弹击角度及指示强度WS-200N 数显式,能将水平和角度测试的回弹值记 录和打印,测试和记录部分分离,无线传输（4）国产数字式非金属超声仪型号 厂家 SCY-2 湘潭市无线电厂DS-1 湘潭自动化研究所 SC-2 天津建筑仪器厂HCS-4 天津建筑仪器厂研究所CTS-25 汕头超声电子仪器厂HQY-901 北
20、京计量科研所JC-2 北京无线电三厂共同特点：数显式，显示波形、游标手动判读声时，部分带单片机，以SCY-2和CTS-25市场占有率最大（5）国产数字式非金属超声仪型号 厂家 CTS-35 汕头超声电子仪器厂CTS-45 汕头超声电子仪器厂2000-A 煤炭科学研究院XY-A 扬州专用超声设备厂NM系列 北京市政工程研究院（康科瑞） 武汉岩海（6）国外厂家PUNDIT英国C.N.S；V-meter美国JAMES；58-E46/C意大利CONTROLS；TCP3芬兰FUGRO7.2 规程规范（1）回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 JGJ/T23-2001 或J115-2001（2）超声回弹综合法
21、检测混凝土强度技术规程 CECS02：88（3）钻芯法检测混凝土强度技术规程 CECS03：88（4）后装拔出法检测混凝土强度技术规程 CECS69：94（5）针贯入法检测混凝土强度技术规程 Q/JY23-2001（6）回弹法检测高强混凝土强度技术规程 Q/JY17-2000（7）超声法检测混凝土缺陷技术规程 CECS21：2000第八章 超声波测试原理及智能超声仪开发技术 8.1 超声波测试基本原理8.1.1 概述8.1.2 超声波基本概念及声学基础（1）波的概念机械波：水波、声波、机械振动在弹性介质中的波动。电磁波：电磁振荡产生变化在空间传播。无线电波、红外线、紫外线和可见光等。（2）声波
22、测试频率范围n 声波声波频率界限频率界限 声波频率界限声波频率界限（3）波的传播形式1）横波2）纵波3）表面波（4）波动方程 y0=Acost y= Acos(t-x/c)（5）超声场特征参数 声压、声强和声阻抗率0 xxpp e20 xxII e声压声压 声强声强 x：声波与声源之间距离；声波与声源之间距离； ：衰减系数衰减系数Np/mNp/m（奈培（奈培/ /米）；米）；: : 为为 X=0 X=0 处声压、声强；处声压、声强； 0P0IxPxI声波随声波随 X X 增加声能增加声能由于扩散吸收而减弱。由于扩散吸收而减弱。（6）超声波在界面上的现象发射和折射（7）超声波在传播中的衰减1）吸
23、收衰减2）散射衰减3）扩散衰减8.2 超声换能器（1）何谓超声换能器？发射、吸收（2）压电效应（3）超声换能器的构造和性能专用型专用型b)直射式直射式 a）兼用型）兼用型c)c)反射式反射式目前市场销售的超声波传感器有两种形式： 专用型 、兼用型 通常标有谐振中心频率： 23KHz、40KHz、75KHz、200 KHz、400 KHz。 超声波传感器有发射、接收两部分 发射元件；利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转换为机械振动产生超声波； 接收元件；利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换为电信号。（4）超声换能器的选配（5）超声换能器与被测体的耦合8.3 超声测试仪器8.4 超声仪检测
24、混凝土强度8.5 超声仪检测混凝土缺陷8.6 智能超声检测仪开发第九章 结构损伤测试的高级数据处理方法9.1 误差及其分析和估计9.1.1 误差的来源与种类（1）什么是误差？ 误差=测量值-真实值 相对误差=误差/真实值100% 真实值=测量值+修正值（2）误差的来源1）设备误差：包括标准器误差、仪表误差和附件误差；2）环境误差：温度、湿度、磁场、振动等引起的误差；3）人员误差：观测人员读数引起的误差；4）方法误差：如经验公式的近似值等引起的误差；5）动态误差：测量对象变化引起的误差。（3）误差分类1）随机误差：多次测量同一参数时，其符号和绝对值均呈没有规律的随机变化。2）系统误差：多次测量同
25、一参数时，其符号和绝对值保持恒定，条件变化按一定规律变化。3）综合误差：随机误差和系统误差的合成。4）粗差：明显歪曲测量结果的过失误差，对于坏值和异常值。9.1.2 误差对测量结果的影响（1）随机误差对测量结果的影响 只影响测量的精密度，而对其他无大影响。（2）系统误差对测量结果的影响 直接影响测量结果的正确程度，也就是说测量结果的正确与否很大程度上取决于测量的系统误差的大小。（3）粗差影响 由于他明显明显歪曲测量结果，所以，含粗差的测量机构应剔除掉。（4）关于精密度、正确度和准确度之间的关系9.1.3 多次测量结果的误差估计（1）平均值1）算术平均值 mx=1/nxi2)均方根平均值 s=(
26、xi)2/n 3)加权平均值 m= xigi/ gi（2)误差计算（3）标准误差（4）或然误差（5）极差估计法 W=Xmax -Xmin（6）变异系数法 CV=s/mx 100%（7）正态分布和概率（8）可凝疑数据的舍弃9.1.4 数字修约规则 4 舍5入9.2 测试数据的回归分析9.3 用神经网络进行数据拟合9.3.1 函数链神经网络 nnniiiiiiuauauauauaaux44332210函数链神经网络 图32 函数链神经网络W3W2W0W11神经网络算法xiestixuiui2ui3计算公式 kWukxjjijesti30)(函数链神经网络的输出值为公式 ：估计误差为：)()(kxxkeestiii 权重调节式：jiiijjukekWkW)()() 1( 仿真结果 根据经验，本系统权重初始值取W0=10,W1=1，W2=0.1，W4=0.01,1。由于实验室没有标定加速度装置，故采用查表得到加速度的相应的电压值，代替实际的加速度值。下表是系统实际输入电压与标定值。实际加速度/g012345传感器输出加速度/g-0.0101.00252.0083.00754.00004.990校准后加速度/g-0.0011.00052.00033.00074.00014.9989.3.2 RBF神经网络9.3.3 进化神经网络第十章 结构损伤测试实例