預應力壓漿波紋管密實度檢測研究

劉朝濤 李雙利

摘要：橋梁預應力壓漿波紋管密實度檢測是橋梁檢測中的一個熱門方向，其包括對波紋管密實度的定性和定位檢測。本文從超聲檢測方法，采集信號的處理，預應力壓漿波紋管密實度評判方法方面進行了探討研究，希望能為關注此話題的研究者提供參考意見。

Abstract： The compactness detection of prestressed grouting bellows is a popular direction in the bridge inspection， which includes the qualitative and positional detection of the compactness of bellows. In this paper， the ultrasonic detection method， signal acquisition processing and the compactness degree evaluation method of prestressing pulping bellows are discussed and studied， hoping to provide reference for researchers concerned with this topic.

關鍵詞：超聲檢測;信號處理;密實度

Key words： ultrasonic testing;signal processing;compactness

中圖分類號：U445.57? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0168-02

0? 引言

現(xiàn)代橋梁系統(tǒng)中普遍存在兩個問題，一個是預應力鋼絞線的張拉力[2]不足，另一個是包裹鋼絞線的波紋管密實度不夠;其中前一個問題可以通過規(guī)范的施工操作流程使鋼絞線達到合理的張拉力確保橋梁的受力，但問題更多出現(xiàn)在包裹鋼絞線的波紋管密實度不夠，由于波紋管的密實度不夠即使前期施工過程中鋼絞線的張拉合格，也會由于波紋管內存在的孔隙、缺陷導致鋼絞線的氧化銹蝕等，結果就會導致張拉力損失從而影響橋梁的受力，出現(xiàn)裂紋甚至嚴重到坍塌?；谶@個現(xiàn)狀，國內外很多學者投入到了預應力壓漿波紋管密實度的檢測研究當中。

目前全局評判波紋管密實度的依據(jù)是檢測得到的首波波速，該種評判方法單一且誤差較大，本文將介紹一種多因素的密實度評判方法。

1? 密實度的定性檢測

在預應力壓漿波紋管密實度定性檢測方面主要使用的檢測方法是超聲透射法，超聲透射法是一種基于全局密實度的檢測方法，它的操作過程是將超聲換能激發(fā)端或者是鐵制小圓錘等激發(fā)物貼合在待檢測波紋管的一端，將接受換能器貼合在波紋管的另一端，待需要檢測時由主機控制激發(fā)換能器發(fā)出激勵信號或者使用小圓錘敲擊激發(fā)端一側，然后接收端的換能器就能將接收到震動信號轉換成電信號傳給主機，對接受的信息進行一定的分析就能初步得到該波紋管全局密實度的情況。圖1是超聲透射法檢測示意圖。

超聲透射法檢測判斷全局密實度的依據(jù)主要是信號的首播波速，一般來說，當首播波速就越接近混凝土中傳播的波速時，所測波紋管密實度越高，當密實度較低時，首波波速就越接近鋼絞線中傳播的波速。但是這種依靠首波波速來判斷密實度的方法誤差較高，其中之一的原因就在于首波起點的選擇，人工選擇首波起點無疑會產生很大的偏差，而且本來信號中也存在著噪音干擾首波起點的選擇。當前解決這一問題用得比較多的方法選擇合適的濾波器過濾掉噪音，在判斷首波起點時引入一個閾值作為起點的判定，當某個點大于閾值時就將這點作為首波起點。

從圖2、圖3中可以看出濾波對于首波起點的選擇的重要性。在信號去噪方面，小波閾值[3]去噪效果比較好，它的基本原理是：實際中的信號是都摻雜著噪聲的，信號經(jīng)過小波變換之后，產生了一系列的小波系數(shù)，信號對應的小波系數(shù)的數(shù)目較少且幅值較大;而噪聲對應的小波系數(shù)的數(shù)目較多且幅值小。所以針對這一特性，可以參考前面首波去噪的方法，引入一個合適的閾值;大于閾值的小波系數(shù)就保留，小于就剔除。最后將保留的小波系數(shù)進行小波重構，恢復原始信號。

2? 缺陷的定位檢測

在預應力壓漿波紋管缺陷定位檢測方面主要使用的檢測方法是超聲回波法，超聲回波法是一種局部缺陷檢測的方法;它的操作過程與超聲透射法相似，也需要激勵激發(fā)端和接收端，只是回波法的激發(fā)端和接收端相同，他們可以安裝在相同位置或相鄰位置。

超聲回波法判斷缺陷的原理是：檢測時激發(fā)端的激勵信號在預應力壓漿波紋管中傳導中在遇到大于超聲波長的缺陷時會在缺陷處發(fā)生波的反射;且根據(jù)混凝土與缺陷的波阻抗性的差異不同會發(fā)生不同程度的反射，反射回來的超聲信號就會被接受換能器捕捉，然后對所接受的數(shù)據(jù)進行一定的處理分析就能得到缺陷的一些相關信息。超聲回波法評判缺陷的方法首先需要將所測試的時域數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換成頻域數(shù)據(jù)，根據(jù)缺陷的大小和數(shù)量不同，會在頻域數(shù)據(jù)上表現(xiàn)出多個頻峰，如圖4。其中FT代表從底板返回的信號，F(xiàn)S代表從缺陷處返回的信號。

經(jīng)過下面公式就能大致的確認缺陷的位置。

其中fp代表缺陷信息頻率，？姿代表混凝土截面系數(shù)，vp代表混凝土中超聲傳播速度，h代表缺陷距檢測點的距離?？偟膩碚f隨著缺陷數(shù)量的增加，底板返回信號的主頻和缺陷返回信號的頻率都有所降低。

3? 密實度檢測中的信號處理方法

傳統(tǒng)的信號處理方法使用得最多的是，傅里葉變換[1]，但其只是在頻域特性上具有高分辨率，僅適應于一些比較平穩(wěn)的信號處理。但實際中最常見的是一些非平穩(wěn)的信號，這種信號含有的噪聲和干擾比較多，人們往往需要提取的是某些含有特征信息的時段和頻段，這時傅里葉變換就有點乏力了。于是隨之而生的短時傅里葉變換就被提出，短時傅里葉變換是在傳統(tǒng)傅里葉變換的基礎上加了一個時間窗，這樣就可以對需要分析的頻段信息進行分析;但是，一個固定的時間窗不能夠滿足分析要求。在短時傅里葉變換的發(fā)展基礎上，小波變換被提出來，它具有多時間窗分析信號的能力;十分符合實際中人們的分析需求。隨后，又有一種更優(yōu)秀的信號處理方法被提出，希爾伯特變換比起小波變換在處理非平穩(wěn)非線性信號上性能更優(yōu)越，而且希爾伯特變換不受海森堡測不準原理限制，能在時域分析和頻域分析上達到高精度，適用于突變信號。

4? 多因素評判方法

雖然首波波速作為評判全局波紋管密實度的方法具有一定的指導性，但是其測量密實度的精度不高，其評判標準往往是通過實驗得出來的經(jīng)驗曲線，如果換了另外的實驗條件，可能得出來波速-密實度曲線就有些不同了。而且單靠波速作為評判標準就舍棄了信號重要的頻率和幅值因素，但由于超聲信號在波紋管內傳遞十分的復雜，基本接受到的就是由噪聲包裹的一段連續(xù)頻率和具有畸變幅值的信號，這使得很多學者很少考慮將這兩種因素作為波紋管密實度的評判因素，這相關的研究也比較少。但是也有學者提出了一種多因素概率評判法[3]，該方法使用聲速V、頻率F、波幅A作為密實度的判斷因素，然后通過對整體的概率分析，獲得一個綜合判斷值NFP來判斷密實度的方法。NFP值按下式計算：

式中：

NFP（i）—第i個波紋管的判據(jù)值;

Vi，F(xiàn)i，Ai—第i個波紋管的聲速、頻率、幅值的相對值;

m—以上述三個參數(shù)相對值之積為樣本的標準差;

？滓—概率保證系數(shù);

當NFP值<1，表示該處有缺陷，其值越小，表示波紋管密實度越低。 NFP值>1，則無缺陷，其值越大，表示波紋管密實度越高。

5? 結語

相比單依靠波速作為全局密實度的評判依據(jù)，多因素概率法把三種參考因素考慮進預應力波紋管的密實度評判中，但沒有對三種因素做權重分析，如果引進一些權重算法復合多因素概率算法，一定能優(yōu)于單靠波速來評判密實度的方法，具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]岳振民，李雅娟，成超，王劍，崔貴云.基于沖擊回波理論的預應力管道壓漿密實度無損檢測研究[J].公路，2015，60（09）：236-240.

[2]齊廣志.PC箱梁橋豎向預應力張拉力與壓漿密實性無損檢測技術研究[D].山東大學，2015.

[3]林云飛.基于小波分析的超聲波透射法基樁檢測信號處理[D].長沙理工大學，2011.