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原文传递高速公路护栏立柱健康状况超声导波诊断技术研究

论文题名：	高速公路护栏立柱健康状况超声导波诊断技术研究
关键词：	高速公路;护栏立柱;健康状况;超声导波;轴对称模态;无损检测;衰减;土壤密度;传播特性;实验验证;长度;波传播;纵波波速;水泥;检测方法;横波波速;有限元模型;频散曲线;管结构;钢立柱
摘要：	护栏是公路交通的重要安全设施之一，护栏立柱的埋设质量决定了护栏的防撞能力。由于护栏立柱属于隐蔽工程，常规检测方法如拔出或开挖检测不仅破坏路基的完整性，影响工程质量，而且仅限于抽样检测，无法对立柱进行全面有效的检测。所以对于护栏立柱的长度及施工质量的新型无损检测方法越来越受到有关单位和研究人员的关注。　　超声导波技术是一种检测范围大、速度快、成本低的新型无损检测方法，近年来得到快速发展。采用这种方法，只需在立柱的上端部激励和接收超声导波信号，接收到的信号包含了立柱及立柱周围介质的整体信息。此外，导波具有频散和多模态特性，如果选择合适的导波模态和激励频率，就可以实现特定的检测目的。护栏立柱的长度处于导波检测的最佳长度范围内，因此利用导波技术对护栏立柱施工质量进行检测具有明显的技术优势。　　本文较为详细地研究了超声导波在自由立柱、中空二层管结构埋地立柱、三层结构埋地立柱、埋于水泥中的立柱等多种半埋立柱结构中的传播特性，并将其应用于实际工程现场检测。主要工作如下：　　 (1)构建了两套分别应用于实验室及现场检测的护栏立柱健康状况超声导波无损检测的实验装置。研究了不同激励方式对产生导波信号的影响。　　 (2)建立了自由立柱中导波传播的理论模型，并计算出空心圆柱体中导波传播的频散特性，同时建立了相应的有限元模型。研究了不同规格的自由立柱中两种纵向模态L(0,1)及L(0,2)模态的传播特性。通过实验求取了立柱L(0,2)模态的衰减规律，并通过实验验证，其在0-300kHz的范围内其传播速度最快、频散小、波结构简单、易于激发等优点。在60-100kHz的范围内，两种不同规格直径的立柱可以使用共同的检测频率。　　 (3)研究了基于ANSYS的管结构三维实体模型建模方法，分析了时间分辨率和空间分辨率对模拟导波传播过程的影响，并对其准确性做了验证。　　 (4)将部分埋地的中空立柱简化为部分埋入无限大介质中的二层管结构，数值计算了纵向轴对称模态的群速度及衰减频散曲线。利用有限元模型，分析了立柱不同入地长度对导波传播特性的影响，并通过实验验证。在频率较低的情况下，导波L(0,2)模态的衰减与立柱的入地长度呈正比关系，在立柱中的衰减可以视为立柱本身的衰减与能量泄漏衰减的代数和。其传播的速度不受立柱入地长度的影响。并通过实验验证了不同土壤密度对导波传播能力的影响。实验结果显示，立柱中L(0,2)模态的衰减随土壤密度的增加，呈非线性增大，未经压实土壤参数的变化对立柱中L(0,2)模态的衰减影响较小，而密实程度高的土壤参数变化会引起衰减较大变化。　　 (5)理论分析了轴对称模态在水泥钢立柱中的传播特性。当频率在50kHz以上时，L(0,2)模态在水泥钢立柱中的传播速度受周围水泥介质的影响很小，其衰减在可以接受的范围内，可以实现对水泥钢立柱长度的测量。实验研究了纵向模态在立柱与水泥界面上产生的界面反射的现象，结果显示L(0,1)模态可以作为长度检测的参考模态。　　 (6)将打入安装的护栏立柱简化为三层柱状结构，并求取其频散曲线。研究了土壤密度、横波波速、纵波波速等参数变化对导波衰减的影响。结果显示不同的导波模态对土壤的横波波速、纵波波速的变化敏感程度不同，而土壤密度的增加导致所有模态的衰减增加。理论分析及实验结果表明低频L(0,2)模态的衰减主要受土壤横波波速和土壤密度的影响，而对土壤纵波波速变化不敏感。可以利用低频段L(0,2)模态的衰减特性测量立柱周围土壤的力学性能。　　 (7)利用现场实地测量地结果，分析了护栏的附属构件：波形梁、防阻块、柱帽等以及护栏板安装孔、立柱材质和表面材料对检测的影响，实验结果表明除了护栏板的尺寸对探头的最佳安放位置有影响外，带有防锈涂层的立柱因为其耦合性能好，反而给测量带来益处。
作者：	王学浦
专业：	机械电子工程
导师：	何存富
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京工业大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文