对多种无损检测（NDT）技术在检测金属夹芯板（MIC）剪力墙界面缺陷方面的综合评估

《ADVANCED ENGINEERING INFORMATICS》：A comprehensive evaluation of multi-method NDT techniques for detecting interface defects in MIC shear walls

　　

Jiang Wang|Va Kong|Haining Hu|Zhongqi Shi|Jiling Yan|Hongbing Chen

中国桂林理工大学广西绿色建筑材料与建筑工业化重点实验室，桂林541004

摘要

在模块化集成建筑（MIC）剪力墙中，预制墙壳与混凝土核心之间的界面脱粘缺陷被认为是可能影响结构完整性和安全性的潜在风险。由于各种无损检测（NDT）方法存在固有的技术局限性，因此全面准确地识别这些缺陷一直很困难。为了解决这一挑战，本研究提出了一种结合冲击回波和超声CT扫描检测的协同多方法评估策略。建立了一个基于多源传感和数据融合的集成识别框架。该系统结合了接触式和非接触式传感机制，其中冲击回波能够快速初步筛选和定位缺陷区域，而超声CT则提供了内部界面条件的高分辨率成像。因此，实现了对界面脱粘的系统性识别和可视化表征。实验结果证明了所构建的多源传感融合系统的优越性。与现有的商用集成设备相比，该系统能够在不同深度成功识别界面缺陷，并在检测一致性、成像质量和定位可靠性方面表现出更好的性能。本研究为MIC剪力墙界面质量的精确诊断提供了一种全面的多方法NDT解决方案，为这类预制结构的质量控制和安全评估提供了重要的理论指导和实际工程价值。

引言

模块化集成建筑（MIC）剪力墙已成为现代智能建筑的一种有前景的解决方案，在施工效率、设计灵活性和成本效益方面具有优势[1]，[2]。虽然MIC剪力墙的工厂化制造比传统的现场浇筑方法具有更高的精度和更快的进度，但潜在的质量缺陷仍然存在结构安全风险，需要严格的质量控制[3]。预制墙壳与混凝土核心之间的界面脱粘通常由制造缺陷、运输应力或安装错误引起，如果未被发现，会严重降低承载能力[4]，[5]。这些潜在缺陷凸显了迫切需要可靠的缺陷检测方法，以确保MIC结构的长期性能和安全性，这是其更广泛应用的先决条件。

无损检测（NDT）的最新进展使得多种技术能够检测工程结构中的隐藏缺陷，包括平行试样法[6]，[7]、声发射（AE）[8]，[9]、光纤传感[10]，[11]、红外热成像（IRT）[12]，[13]、X射线法[14]，[15]、冲击法[16]，[17]，[18]、超声技术[19]，[20]，[21]、雷达法[22]，[23]、阻抗法[24]，[25]以及多普勒激光振动测量[26]，[27]。平行试样法通过比较参考试样和现场结构在相同加载条件下的机械响应来识别缺陷，有效减少了材料异质性和环境噪声干扰。声发射能够实时监测裂纹，但在缺陷定位方面精度不足。光纤传感由于依赖应力传递，在检测隐藏的混凝土损伤时可能会受到影响，而这种传递可能不足或被非损伤相关的环境效应掩盖。红外热成像可以检测表面热异常，但由于材料限制难以检测深层缺陷。X射线提供高分辨率成像，但存在辐射风险和操作成本。冲击法在量化大缺陷（≥150毫米）方面表现优异，但在噪声条件下对小缺陷（<50毫米）的检测效果较差。超声技术能够提供详细的缺陷成像，但其灵敏度受激发能量的限制。雷达方法可以揭示内部异常，但受到材料异质性和深度量化不准确的阻碍。阻抗法通过结构响应检测早期损伤，但容易受到环境干扰的影响。多普勒激光振动测量仪能够实现高精度和非接触式测量，无需额外的质量或阻尼效应，但需要对环境条件和结构表面均匀性有严格控制。每种方法在分辨率、穿透能力和环境适应性方面都有其独特的评估指标、优势和局限性，如表1所示。Wang等人的研究采用了这种分析方法[4]，文中也相应引用了该研究。因此，整合多方法对于提高检测精度、克服单一方法的局限性以及确保MIC剪力墙的全面缺陷评估至关重要。

最近的研究越来越强调多方法NDT的整合，以克服单一方法的局限性。Kruschwitz等人[28]通过结合超声检测、阻抗方法和X射线成像，系统地评估了钢纤维增强混凝土中纤维的方向和含量分布。Heideklang等人[29]证明，单一NDT技术不足以准确评估复杂材料的完整性。通过结合涡流检测和热成像，他们实现了金属缺陷的多模态表征，显著提高了检测的稳健性。在混凝土性能评估方面，Abdallah等人[30]建立了将超声波速度、电阻率和介电常数与孔隙率联系起来的物理映射模型。这种方法减少了多频率测量的需求，为高效的混凝土质量评估提供了一种新的范式。Xiong等人[31]开发了一种结合磁通量泄漏和超声检测的混合系统。该系统通过同时分析泄漏场异常和超声衰减信号，实现了对钢轨表面和地下层的全面缺陷表征。Oh等人[32]进一步结合了阻抗检测、冲击回波方法和红外热成像，用于混凝土桥面检测，提高了微裂纹和分层缺陷的检测率。最近，Schumacher等人[33]创新性地融合了地面穿透雷达、超声检测和电阻率层析成像。通过将数据融合算法应用于多模态图像，他们生成了高可信度的诊断结果[34]，[35]。此外，机器学习模型越来越多地被用于自动化和优化多源NDT数据的融合，进一步提高了缺陷表征[36]，[37]。总体而言，这些研究表明，多方法NDT的整合不仅减轻了单一技术的固有局限性，还通过跨模态数据互补性提高了检测精度和效率。这些进展为使用多方法NDT技术检测MIC剪力墙中的缺陷提供了重要的见解。

尽管多方法NDT整合已在复合材料和结构工程中得到应用，但由于缺乏系统的多源融合框架，其在MIC剪力墙界面缺陷检测中的应用受到了阻碍。本研究引入了一种结合冲击回波和超声CT扫描的策略，实现了集成多源传感和数据融合框架的开发。该方法实现了从快速定位到高分辨率内部成像的界面脱粘缺陷识别和可视化。通过结合接触式和非接触式传感，有效缓解了单一方法应用在分辨率、深度检测和环境适应性方面的局限性。因此，所提出的框架为MIC剪力墙的界面质量评估提供了一种系统的NDT解决方案，具有重要的理论和实际意义。

章节摘录

单点冲击回波检测技术

使用冲击方法检测MIC剪力墙中的界面脱粘缺陷是基于应力波传播的动态响应分析。通过力锤对预制墙壳表面施加受控机械脉冲来生成瞬态应力波。当应力波在结构介质中传播时，遇到界面脱粘缺陷时，其路径和能量分布会发生显著变化。

测试组件的制造和缺陷布置

评估不同NDT技术检测MIC剪力墙界面脱粘性能的实验程序涉及故意引入尺寸为150毫米×150毫米的模拟矩形缺陷。以试样的左上角为坐标原点，这四个缺陷的中心点的平面坐标分别为（275毫米，225毫米）、（675毫米，225毫米）、（300毫米，775毫米）和（700毫米，775毫米）。需要注意的是

多源数据融合识别

本实验研究使用冲击回波方法对MIC剪力墙组件进行了NDT检测。测试系统配置如图9所示。系统由计算机工作站、多通道数据采集单元和手动冲击锤组成。为了建立多传感器感知框架以提高测量精度，在信号采集过程中同时使用了加速度计和低频及高频麦克风。

多方法NDT的全面比较

本研究专注于检测MIC剪力墙中的界面缺陷，并对两种代表性的基于应力波的方法（包括冲击回波方法和超声方法）的性能进行了比较分析。尽管这两种方法都基于结构内应力波的传播机制，但它们在激发模式、传感策略和信号解释原理上存在根本差异。

结论

提出了一种结合冲击回波和超声CT扫描的多方法NDT框架，并对其进行了系统验证，用于检测MIC剪力墙中的界面脱粘缺陷。通过建立结合接触式和非接触式测量原理的多源传感和数据融合系统，开发了一种互补的缺陷识别策略，实现了快速初步筛选和界面高分辨率内部成像。

CRediT作者贡献声明

Jiang Wang：撰写——原始草稿、方法论、资金获取、概念化。Va Kong：验证、软件、数据管理。Haining Hu：可视化、调查。Zhongqi Shi：监督、资源协调。Jiling Yan：形式分析。Hongbing Chen：撰写——审稿与编辑、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢中国国家重点研发计划（编号2021YFF0501002）、广西科技计划（编号AD25069101）和国家自然科学基金（编号52508328）的支持。