沖擊回波聲頻法在橋梁孔道壓漿密實(shí)度檢測(cè)中的應(yīng)用研究

邢厚俊 葛寧 賈其松 鄧立 馬永強(qiáng) 吳佳曄，4 馮源

1.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，北京100844；2.哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150060；3.四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，四川自貢643000；4.西南石油大學(xué)，成都610500

沖擊回波聲頻（Impact Acoustic Echo，IAE）法是一種用拾音器代替拾振傳感器拾取被測(cè)物體的振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行頻譜分析的檢測(cè)方法。IAE法在鐵路隧道襯砌檢測(cè)［1-2］、CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道脫空檢測(cè)中得到了較好的應(yīng)用。

為了研究IAE法在橋梁預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度檢測(cè)中的適用性和測(cè)試精度，本文首先對(duì)現(xiàn)行預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度無(wú)損檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，比較IAE法與沖擊回波（Impact Echo，IE）法的異同，然后通過(guò)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比IAE法與IE法的測(cè)試效率和精度。

1 現(xiàn)行孔道壓漿密實(shí)度檢測(cè)方法概述

1.1 現(xiàn)行無(wú)損檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

按檢測(cè)所采用的媒介來(lái)劃分，預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度無(wú)損檢測(cè)方法可分為基于電磁波的檢測(cè)方法（地質(zhì)雷達(dá)法）、基于放射線（X光、伽馬射線）的檢測(cè)方法、基于超聲波的檢測(cè)方法（陣列式超聲波脈沖回波法）和基于彈性波的檢測(cè)方法（IE法）［3-8］。各方法采用的物理媒介不同，其檢測(cè)效果也存在差異。

由于受金屬屏蔽，地質(zhì)雷達(dá)法不適合用于鐵皮波紋管和鋼筋密集區(qū)，尤其是鋼筋密集、壓漿又容易出現(xiàn)缺陷的梁端部位。基于放射線的檢測(cè)方法盡管檢測(cè)精度高、直觀性強(qiáng)，但由于具有放射性、檢測(cè)成本高，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用很少。陣列式超聲波脈沖回波法（Ultrasonic Pulse-Echo，UP-E）理論上也可以檢測(cè)壓漿缺陷，但同樣受鋼筋干擾大，實(shí)際應(yīng)用很少。IE法以沖擊彈性波為媒介，因其測(cè)試方便、適用范圍廣、精度較高，在橋梁預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度檢測(cè)中逐漸成為主要方法。

1.2 IE法存在的問(wèn)題

IE法需在靜止條件且傳感器與被測(cè)物體表面接觸后才能檢測(cè)，從而大大降低了測(cè)試效率，且無(wú)法連續(xù)測(cè)試。傳感器的固定方法（壓著式、緊固式、黏結(jié)式）和固定狀態(tài)對(duì)測(cè)試結(jié)果影響大。采集信號(hào)的加速度傳感器需要耦合在被測(cè)物體的表面。由于傳感系統(tǒng)本身的共振特性，接觸狀態(tài)不良或傳感器固定方式的差異都有可能引起測(cè)試誤差，從而導(dǎo)致誤判。為提高測(cè)試效率，實(shí)際檢測(cè)中常采用壓著式固定，但用力過(guò)大或者傳感器與測(cè)試物體表面接觸不良時(shí)，傳感系統(tǒng)的共振頻率會(huì)降低，測(cè)試結(jié)果會(huì)受到嚴(yán)重影響。

為了解決上述問(wèn)題，學(xué)者們做了大量改進(jìn)工作，但I(xiàn)E法的固有問(wèn)題未得到根本解決，對(duì)較厚梁體的孔道壓漿密實(shí)度測(cè)試難度依然較大。JGJ/T 411—2017《沖擊回波法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》中指出沖擊回波法適用于檢測(cè)厚度為20～60 cm的薄板，然而鐵路橋梁大部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的梁板厚度超過(guò)60 cm。

2 IAE法

2.1 IAE法信號(hào)采集原理

IAE法的優(yōu)點(diǎn)在于非接觸式拾取被測(cè)物體表面的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而避免由于接觸帶來(lái)的一系列問(wèn)題。非接觸式拾振設(shè)備中，最具代表性的激光多普勒測(cè)振儀成本高且體積龐大，在實(shí)際工程檢測(cè)中難以普及，因此以拾音器為傳感器的IAE法日益受到關(guān)注。

拾音器采集的是空氣振動(dòng)信號(hào)。對(duì)被測(cè)物體激振后，物體表面的振動(dòng)會(huì)壓縮（拉伸）附近空氣并誘發(fā)空氣振動(dòng)，產(chǎn)生聲音信號(hào)。它能反映測(cè)試點(diǎn)混凝土的振動(dòng)特性［1］，通過(guò)廣頻域、高指向拾音器拾取。

2.2 IAE法與IE法的對(duì)比

IE法所用的加速度傳感器與IAE法拾音器所采集的信號(hào)及采集方式有一定的差異。具體體現(xiàn)在：

1）物理量不同

被測(cè)物體振動(dòng)體現(xiàn)在質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度。而拾音器無(wú)論是動(dòng)圈式還是電容式，得到的物理量均為空氣壓強(qiáng)差。以一維x方向?yàn)槔?，氣體的運(yùn)動(dòng)方程為

式中：ρ0為空氣初始靜止時(shí)的密度；t為空氣振動(dòng)過(guò)程中某一時(shí)刻；P′(x，t)、v(x，t)分別為空氣壓強(qiáng)差和空氣流速。

由式（1）可見，空氣壓強(qiáng)差對(duì)位移的微分與其速度對(duì)時(shí)間的微分（即加速度）呈線性關(guān)系。因此，可差分處理計(jì)算空氣柱的加速度。當(dāng)拾音器與被測(cè)物體足夠近時(shí)，考慮到空氣質(zhì)點(diǎn)與物體表面同步運(yùn)動(dòng)，可近似地認(rèn)為空氣的加速度與物體表面的加速度一致。

2）測(cè)試區(qū)域不同

采用加速度傳感器、激光測(cè)振儀測(cè)試的只是被測(cè)物體上某一點(diǎn)，其他部位的振動(dòng)狀況并不會(huì)反映在測(cè)試信號(hào)中。由于空氣具有流動(dòng)性，拾音器采集的信號(hào)范圍要大得多。為了使其適用于IE法檢測(cè)，需要對(duì)拾音器進(jìn)行隔音設(shè)計(jì)。

3）傳感器頻率范圍不同

加速度傳感器的共振頻率會(huì)隨傳感器與被測(cè)物體的耦合狀況發(fā)生變化，進(jìn)而帶來(lái)測(cè)試誤差。拾音器則不存在明顯的共振頻率，信號(hào)采集的穩(wěn)定性更好，受被測(cè)物體表面狀態(tài)的影響小。這也使得IAE法測(cè)試效率較IE法有所提高。

值得注意的是，空氣層對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)中的微弱成分有削弱作用，因此IAE法信號(hào)靈敏度會(huì)低于IE法。這就要求在分析方法的選擇上應(yīng)更加注意。

3 模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證IAE法在預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度檢測(cè)中的可行性，分別進(jìn)行了模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3.1 模型試驗(yàn)

混凝土模型梁厚度從20 cm漸變到40 cm，孔道居中，塑料波紋管直徑10 cm，灌漿密實(shí)無(wú)缺陷。分別采用IE法與IAE法進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試數(shù)據(jù)的頻譜等值線見圖1?？梢姡篒E法梁底反射信號(hào)離散，而IAE法梁底反射信號(hào)集中且連續(xù)，信號(hào)變化趨勢(shì)同梁實(shí)際厚度相符。

圖1 模型梁頻譜等值線

3.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

3.2.1 厚度漸變T梁

對(duì)一梁場(chǎng)厚度漸變T梁進(jìn)行檢測(cè)，距梁端0～0.8 m厚度70 cm，距梁端0.8～4.0 m厚度從70 cm漸變到35 cm。分別采用IAE法和IE法沿同一測(cè)線進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見圖2?？梢姡篒E法頻譜等值線在梁厚度超過(guò)0.5 m時(shí)變得雜亂，難以進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，而IAE法頻譜等值線在梁體漸變段信號(hào)非常清晰、連續(xù)，并在測(cè)線0～0.7 m存在頻譜信號(hào)提前、滯后現(xiàn)象，此為典型缺陷信號(hào)特征。經(jīng)開孔驗(yàn)證，該處孔道壓漿不密實(shí)。

圖2 厚度漸變T梁頻譜等值線

3.2.2 厚75 cm現(xiàn)澆梁

采用IAE法對(duì)一橋梁中厚75 cm現(xiàn)澆梁W03Y—W06Y四個(gè)孔道壓漿密實(shí)度進(jìn)行了檢測(cè)?？椎繵03Y、W06Y檢測(cè)結(jié)果見圖3?？梢姡捍嬖诜瓷湫盘?hào)明顯滯后現(xiàn)象，將其判定為壓漿缺陷。經(jīng)開孔驗(yàn)證該處有空洞。

圖3 厚75 cm現(xiàn)澆梁孔道IAE頻譜等值線

3.2.3 厚度小于0.25 m箱梁

采用IAE法分別對(duì)預(yù)制梁場(chǎng)厚度小于0.25 m的箱梁上壓漿密實(shí)孔道進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見圖4。可見，頻譜信號(hào)出現(xiàn)明顯雙頻現(xiàn)象，無(wú)法對(duì)梁體厚度及壓漿密實(shí)情況進(jìn)行分析。原因主要為IAE法信號(hào)與IE法信號(hào)均由激振錘敲擊產(chǎn)生，梁板較薄時(shí)敲擊易引起梁體彎曲振動(dòng)，該振動(dòng)信號(hào)也會(huì)被拾音器所采集，從而對(duì)有效信號(hào)造成干擾。為解決這一問(wèn)題，引入經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）法［9］進(jìn)行濾波分析。

圖4 厚度小于25 cm箱梁孔道IAE頻譜等值線

4 基于EMD的濾波算法

EMD法將采集的數(shù)據(jù)分解為各階分量數(shù)據(jù)，即本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF）分量。為了將IAE法采集的數(shù)據(jù)中存在的梁板彎曲振動(dòng)信號(hào)濾除，采用基于EMD的濾波算法進(jìn)行處理。步驟如下：①對(duì)IAE數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解，提取各階IMF分量；②對(duì)IAE數(shù)據(jù)和各階IMF分量的相關(guān)性進(jìn)行分析；③刪除相關(guān)系數(shù)小于0.2的IMF分量后重構(gòu)信號(hào)；④對(duì)重構(gòu)的IAE數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。

采用EMD法對(duì)3.2.3節(jié)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，計(jì)算IAE數(shù)據(jù)與各階IMF分量的相關(guān)性r，結(jié)果如圖5所示。

圖5 EMD分解圖

刪除相關(guān)系數(shù)小于0.2的IMF1—IMF3階數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，對(duì)重構(gòu)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析得到頻譜等值線，見圖6。薄板數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波處理后反射信號(hào)位置與梁體設(shè)計(jì)厚度線相符，雙頻現(xiàn)象消失，可判斷該孔道壓漿無(wú)缺陷，證實(shí)基于EMD的濾波算法可有效濾除IAE數(shù)據(jù)中存在的薄板彎曲振動(dòng)信號(hào)。

圖6 厚度小于25 cm箱梁IAE數(shù)據(jù)經(jīng)EMD濾波后頻譜等值線

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，IAE法能對(duì)橋梁孔道壓漿密實(shí)度進(jìn)行有效測(cè)試?；贓MD法的濾波算法能有效濾除IAE法測(cè)試薄板結(jié)構(gòu)（厚度小于25 cm）時(shí)產(chǎn)生的彎曲振動(dòng)信號(hào)。IAE法在測(cè)試效率、測(cè)試穩(wěn)定性、適用范圍（厚度）等方面均比IE法顯著提高，為鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁孔道壓漿密實(shí)度檢測(cè)提供了新的無(wú)損檢測(cè)方法。

IAE法盡管提出時(shí)間不長(zhǎng)，但已在隧道襯砌的厚度和缺陷、無(wú)砟軌道脫空、預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度檢測(cè)等方面體現(xiàn)出了優(yōu)越性。經(jīng)過(guò)不斷試驗(yàn)、改進(jìn)和應(yīng)用，IAE法會(huì)進(jìn)一步得到完善和發(fā)展。