沖擊回波聲頻法在高速鐵路CRTSⅢ型軌道板脫空檢測中的應用

唐小冬, 羅技明, 陳宇朋

( 四川升拓檢測技術股份有限公司， 四川 自貢 643000)

引 言

CRTSⅢ型板式無砟軌道總體結(jié)構(gòu)方案為帶擋肩的新型單元板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，主要由鋼軌、扣件、預制軌道板、配筋的自密實混凝土(自流平混凝土調(diào)整層)、限位擋臺、中間隔離層(土工布)和鋼筋混凝土底座等部分組成[1]。

CRTSⅢ型板在施工過程中預制軌道板與調(diào)整層間的結(jié)合程度是施工中主要控制指標之一。然而，在施工過程中，自密實混凝土與上面的軌道板之間容易出現(xiàn)大氣泡、疏松等問題。而在運營過程中，由于溫度應力、施工不良等原因，自密實混凝土與軌道板之間則容易產(chǎn)生脫空等問題，導致列車高速運行時存在安全隱患[2]。因此，用一種可靠且高效的檢測手段檢測軌道板與調(diào)整層之間是否存在脫空是非常重要且必要的。

然而CRTSⅢ型軌道板應用是2010年底才正式定型，目前國內(nèi)軌道板脫空檢測相關研究為數(shù)不多。2011年，魏祥龍[3]等通過探地雷達選擇900 M天線檢測出了道床板與支承間脫空和道床板的混凝土缺陷。2015年，李軍[4]使用探地雷達法對無砟軌道支承層底部存在的缺陷進行了檢測，并在缺陷處理后對缺陷處理效果進行了檢測。2015年，楊鴻凱[5]等利用彈性波法，通過分析波形能量比、卓越頻譜比的變化，評價了預設軌道板與支承層、支承層與路基間的脫空病害。2015年，張春毅[6]等通過瞬態(tài)機械阻抗法，從導納頻譜曲線變化、平均導納值分析識別出軌道板底支撐情況，可以對脫空的存在進行檢測。2016年，廖紅建[7]等通過探地雷達正演模擬和現(xiàn)場驗證測試，很好的識別了CA砂漿填充狀態(tài)。2017年，楊勇[8]通過探地雷達檢測技術，建立了鋼筋下部空洞病害回波模型，討論了電磁波波速特征和目標回波方向性特征提取算法，提出了基于方向濾波器的CA砂漿層空洞病害檢測識別體系。2018年，武思思[9]通過分析沖擊荷載作用下的無砟軌道板振動響應特征，用支持向量機建立了脫空類別損傷檢測辨識模型，實現(xiàn)了脫空類別的辨識。

盡管高鐵軌道板病害相關研究開展了多年，但是還缺乏一種較成熟的Ⅲ型板脫空檢測技術。現(xiàn)有軌道板脫空檢測技術大多基于探地雷達技術，由于Ⅲ型板鋼筋分布密集，探地雷達測試信號受鋼筋影響大，信號分析難度大，在Ⅲ型板脫空檢測中應用少?；跊_擊彈性波的軌道板脫空檢測技術近年來應用相對較多，工程實踐也表明沖擊彈性波是一種針對Ⅲ型板脫空或離縫檢測較為理想的媒介[10]。

基于沖擊彈性波的軌道板脫空檢測方法沖擊回波法[11](IE)，該方法對材料的力學性能敏感，受混凝土內(nèi)鋼筋的影響較小，能準確的反映出出軌道板有無脫空以及脫空的位置。由于沖擊回波法是單點式采集數(shù)據(jù)且要求傳感器與被測結(jié)構(gòu)物良好接觸，因此其測試效率受到了限制。為了提高效率以及精確性，對信號采集端進行了研究，提出沖擊回波聲頻法(Impact Acoustic Echo method，IAE)這一新技術，彌補了沖擊回波法的不足，能有效提高軌道板脫空檢測的測試效率，通過前期實際應用和驗證，證明沖擊回波聲頻法在CRTSⅢ型軌道板脫空檢測中具有高效率和高可靠性。

1 沖擊回波聲頻法原理及測試方法

1.1 沖擊回波聲頻法原理

沖擊回波法以沖擊彈性波為媒介，利用彈性波在被測結(jié)構(gòu)物中多次反射特性，通過頻譜分析方法來確定被測結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、厚度及缺陷。

沖擊回波聲頻法是在彈性波沖擊回波法和打聲法[12]基礎上研發(fā)的，基于聲頻的非接觸、移動式的工程無損檢測方法。該方法是對被測結(jié)構(gòu)的測試部位激振并誘發(fā)振動以及聲響，通過廣頻域、高指向拾音裝置拾取該聲音信號，并通過差分處理計算空氣柱[13]的加速度。

空氣柱基本方程：

(1)

其中，ρ(x,t)、v(x,t)分別為該當位置、時間的密度和流速。

由于氣體的流速很小，可以表示為靜止氣體密度ρ0和變化量ρ′(x,t)之和：

ρ(x,t)=ρ0+ρ′(x,t)

(2)

據(jù)此，式(1)可以簡化為：

(3)

由于氣體的密度變化會導致壓力P和體積V的變化，因此引入壓縮率κ來表述：

(4)

κ的倒數(shù)即為空氣的壓縮模量。同樣，壓力的變化也可以表示為靜止氣體壓力與變化量之和：

P(x,t)=P0+P′(x,t)

(5)

據(jù)此，可得：

ρ′(x,t)=κρ0P′(x,t)

(6)

忽略2次項后，空氣柱的加速度a由下式確定：

(7)

由于該加速度與被測結(jié)構(gòu)表面的加速度有密切的相關性，因此分析該加速度信號即可達到快速、準確了解測試結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況的目的。

1.2 沖擊回波聲頻法測試方法

沖擊回波聲頻法與沖擊回波法測試方法相同，均是利用軌道板、調(diào)整層本身材質(zhì)的特性以及機械阻抗的差異，用傳感器及激振裝置在軌道板表層進行信號的激發(fā)和接收。

圖1 軌道板脫空檢測示意圖

圖2 彈性波在介質(zhì)面的透過與反射

通過機械阻抗差異，可計算反射率R：

(8)

當軌道板與調(diào)整層間有脫空或泡沫層時，相當于存在一個空氣夾層，軌道板與空氣的阻抗差異較大，故大部分彈性波信號會在該脫空或泡沫層區(qū)域發(fā)生反射；當軌道板與調(diào)整層結(jié)合程度很好時，Ⅲ型軌道板為C60混凝土，彈性模量36 GPa，自密實混凝土為C40混凝土，彈性模量30 GPa左右，兩者阻抗差異較小，大部分信號將穿過調(diào)整層繼續(xù)沿底座板向下傳播，而少部分彈性波信號則在軌道板與調(diào)整層界面發(fā)生反射，但反射的彈性波信號成分較少。

將測試信號使用高分辨率頻譜處理方法MEM[14](最大熵值法)進行分析處理，提取出反射信號[15]，再通過信息成像技術根據(jù)反射信號的位置及強弱，輸出直觀的彩色平面結(jié)果圖，結(jié)果圖中的暖色調(diào)區(qū)域表示該區(qū)域軌道板存在脫空，冷色調(diào)區(qū)域表示軌道板無脫空。

圖3 軌道板脫空檢測結(jié)果示意圖

(9)

根據(jù)Li和分位點α，即作為脫空與否的參考判定基準。

跟沖擊回波法相比較，沖擊回波聲頻法不同之處在于采用音頻傳感器。沖擊回波法采用傳統(tǒng)的加速度傳感器，需要將傳感器固定在被測結(jié)構(gòu)物表面，測試時受測試表面的狀態(tài)(有浮漿、灰塵、砂礫等)影響，同時沖擊回波法是單點式采集，其效率相對較低。而沖擊回波聲頻法采用音頻傳感器，不必接觸被測結(jié)構(gòu)物表面，還可以移動式連續(xù)采集數(shù)據(jù)[16]。

2 沖擊回波聲頻法相比沖擊回波法優(yōu)勢理論分析

沖擊回波聲頻法檢測與沖擊回波法檢測的對象均遵循介質(zhì)中彈性波的傳播規(guī)律，測試的也是表面質(zhì)點的振動特性。不同之處在于傳感器耦合方式，以及系統(tǒng)的共振特性。

2.1 非接觸式耦合

沖擊回波法是通過拾振傳感器與被測結(jié)構(gòu)物直接接觸或者耦合劑耦合接觸等方式接收測試信號，不同的耦合方式對固有頻率[17]有明顯的影響。

圖4 不同耦合接觸方式對固有頻率的影響

圖5 聲頻拾取裝置示意圖

拾音器到結(jié)構(gòu)面這段空氣柱的第k階固有頻率fk計算如下：

(10)

式中ρ0為靜止氣體密度；L為氣柱長度；κ為壓縮率。

沖擊回波聲頻法不再沿用傳統(tǒng)的信號接收方式，改用非接觸式測試。因此其固有頻譜特性不會改變，這不僅避免了接觸式測試產(chǎn)生的誤差，而且可用于移動測試，有利于提高測試精度及效率。

2.2 無系統(tǒng)共振

常用的加速度傳感器如圖4所示，有明顯的固有頻率峰值，而拾音器的頻譜上一般沒有明顯的共振峰值(圖6)，這減少了傳感器固有頻率對數(shù)據(jù)處理頻譜分析時的干擾。

圖6 麥克風頻譜曲線

2.3 PPR材料測試對比試驗

對室內(nèi)PPR材料進行了對比測試，如圖7所示。本次測試分別采用S31SC傳感器及聲頻裝置進行測試，對其頻譜圖進行了對比。

圖7 PPR材料被測對象

分別采用傳統(tǒng)加速度傳感器與音頻傳感器對PPR材料進行了對比測試，結(jié)果見表1。從表1可以看出，聲頻測試方法對PPR測試頻譜分析時，傳感器固有頻率干擾小，且能較清晰識別底部反射信號；接觸式耦合的加速度傳感器測試頻譜分析時，傳感器固有頻率干擾很大，幾乎掩蓋了底部反射信號。

可見，在此條件下，IAE法的分析品質(zhì)優(yōu)于IE法。

表1PPR材料測試頻譜分析結(jié)果對比表

3 沖擊回波聲頻法在Ⅲ型軌道板脫空檢測中的應用研究

3.1 現(xiàn)場檢測對象

本次測試對象是在建的鄭阜高鐵CRTSⅢ型板，如圖8所示。軌道板和調(diào)整層已施工完成但還未鋪軌，板的尺寸為4.96(或者5.60) m×2.5 m×0.2 m(長×寬×高)。在不同的里程段共隨機測試了274塊板，主要測試自密實混凝土與軌道板的結(jié)合情況，并對測試結(jié)果中部分脫空占比較高的板進行了揭板驗證。

圖8 測試對象照片

圖9 測點布置示意圖

3.2 兩種方法檢測效率對比

現(xiàn)場對兩種方法進行了對比，聲頻檢測裝置有輪式和支撐式，本次測試采用支撐式。測點布置及檢測裝置分別如圖9、10所示。

圖10 兩種IAE檢測裝置示意圖

表2 檢測效率對比結(jié)果

同一組檢測人員檢測相同數(shù)量的測點，使用沖擊回波法檢測耗時大概20分鐘，采用沖擊回波聲頻法檢測耗時大概10分鐘，后者由于音頻傳感器是非接觸式耦合，不受測點表面平整度影響，可連續(xù)采集，因此更省時間，測試效率更高。

3.3 兩種方法檢測結(jié)果可靠性對比及揭板驗證

檢測結(jié)果的平面成像及現(xiàn)場揭板驗證如圖11～14所示：

圖11 203#-右4板沖擊回波法測試結(jié)果圖

圖12 203#-右4板沖擊回波聲頻法測試結(jié)果圖

從圖12中可以看出，相同閾值參數(shù)下，沖擊回波聲頻法對軌道板脫空區(qū)域反射的能量更強，顏色更暖，表明對軌道板脫空更加敏感。

平面結(jié)果圖11～13中黑色標記框內(nèi)為鑿開區(qū)域，紅色標記圈內(nèi)為驗證區(qū)域。

圖13 203#-右4板測試結(jié)果缺陷區(qū)域圖

圖14 203#-右4板揭板驗證照片

3.4 檢測結(jié)果分析

在檢測結(jié)果分析時，根據(jù)已建立的判定基準來判斷被測對象是否存在脫空。此次共檢測了274塊板，其中明顯脫空面積占整板面積比例在2%以下(小于2%)的174塊板，2%～5%的有67塊板，5%～10%的有23塊板，10%以上(大于等于10%)的有10塊板，如圖15所示。

圖15 檢測結(jié)果統(tǒng)計柱狀圖

對部分脫空面積超過2%的板進行了揭板驗證。揭板結(jié)果表明，自密實混凝土與軌道板結(jié)合面上，和圖13中對應的地方，紅色區(qū)域因存在離縫脫空，沖擊彈性波絕大部分在分界面反射回來而呈現(xiàn)紅色；藍色區(qū)域?qū)娱g結(jié)合較好無脫空，只有部分工藝性小氣孔，沖擊彈性波絕大部分在分界面透射過去而呈現(xiàn)藍色；綠色(淺黃色)區(qū)域存在泡沫層或氣孔較多，沖擊彈性波大部分在分界面透射過去，少部分反射回來而呈現(xiàn)綠色(淺黃色)。

通過兩種方法測試對比及揭板驗證，沖擊回波聲頻法提高了檢測效率，同時檢測結(jié)果更趨于實際，可靠性也有相應提升。

4 結(jié) 論

(1)軌道板脫空是無砟軌道CRTSⅢ型板目前普遍存在的一種病害，嚴重時危及行車安全。而基于沖擊回波聲頻法的軌道板脫空無損檢測技術，該方法能直觀、高效、準確地檢測出軌道板與調(diào)整層之間的有無脫空以及脫空位置。

(2)沖擊回波聲頻法在Ⅲ型板脫空檢測中應用時，用拾音器替換了加速度傳感器，采用非接觸式耦合方式，與已有的沖擊回波法相比較，不但避免了傳感器固有頻率對測試結(jié)果頻譜分析時的干擾，對脫空也更加敏感，在測試精度和測試效率上都有提高。

(3)通過現(xiàn)場的應用及驗證表明，沖擊回波聲頻法有利于CRTSⅢ型軌道板與調(diào)整層間結(jié)合質(zhì)量的提高，保障行車安全，同時，也有利于推進高速鐵路中Ⅲ型板脫空無損檢測技術的發(fā)展以及相關質(zhì)量控制標準的完善。