基于超聲波技術(shù)的公路橋鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方法

作者簡(jiǎn)介：龍列飛（1978—），工程師，研究方向：路基路面，結(jié)構(gòu)，橋梁檢測(cè)。

摘要：文章提出基于超聲波技術(shù)的公路橋鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方法。通過(guò)建立超聲波傳播模型，明確超聲波面對(duì)固體介質(zhì)的聲波衰減系數(shù)；運(yùn)用小波分解算法處理實(shí)時(shí)采集的超聲檢測(cè)信號(hào)，得到降噪后的輸出信號(hào)；設(shè)計(jì)以超聲波技術(shù)為核心的缺陷識(shí)別方法，針對(duì)窗函數(shù)截取的超聲波信號(hào)區(qū)段，分別提取時(shí)域特征和頻域特征，根據(jù)特征參數(shù)完成常規(guī)缺陷和線性缺陷的識(shí)別；結(jié)合結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)要求確定質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，與結(jié)構(gòu)缺陷識(shí)別結(jié)果進(jìn)行匹配，輸出結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明：面對(duì)鋼混結(jié)構(gòu)裂紋缺陷，所提方法檢測(cè)的裂紋長(zhǎng)度與實(shí)際值相比，最大偏差值為1.2 mm，而裂紋寬度檢測(cè)結(jié)果的最大偏差值僅為0.05 mm，體現(xiàn)了所提檢測(cè)方法的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：超聲波技術(shù)；鋼混結(jié)構(gòu)；回波信號(hào)；無(wú)損檢測(cè)；小波包分解系數(shù)；特征參數(shù)

中圖分類號(hào)：U446.3

0 引言

鋼管混凝土組合具有更加優(yōu)越的受力性能，在當(dāng)前公路橋工程中得到了廣泛應(yīng)用^［1］。但是公路橋鋼混結(jié)構(gòu)的連接位置，極易出現(xiàn)缺陷問(wèn)題，從而影響公路橋結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量^［2］。為了避免引發(fā)嚴(yán)重的交通事故，需要在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)公路橋鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，明確結(jié)構(gòu)當(dāng)前質(zhì)量狀態(tài)，從而提出合理的應(yīng)對(duì)措施。因此，多種無(wú)損檢測(cè)方法開(kāi)始被提出。

文獻(xiàn)^［3］運(yùn)用結(jié)構(gòu)光傳感器，設(shè)計(jì)一種質(zhì)量檢測(cè)方案，通過(guò)傳感器采集結(jié)構(gòu)表面點(diǎn)云信息，進(jìn)行隨機(jī)采樣一致性計(jì)算，提取結(jié)構(gòu)缺陷點(diǎn)云，并在主成分分析算法和斜率分析算法的作用下，確定缺陷點(diǎn)云的主要分布方向，從而了解結(jié)構(gòu)缺陷輪廓，根據(jù)結(jié)構(gòu)缺陷狀態(tài)，輸出質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，但是該方法檢測(cè)效率較低。文獻(xiàn)^［4］采用脈沖激光原理，檢測(cè)出結(jié)構(gòu)的缺陷部分，并計(jì)算出缺陷參數(shù)，根據(jù)缺陷參數(shù)信息確定結(jié)構(gòu)當(dāng)前質(zhì)量情況，但是該方法檢測(cè)結(jié)果可靠性較差。文獻(xiàn)^［5］提出一種結(jié)構(gòu)分層檢測(cè)方法，先針對(duì)待檢測(cè)結(jié)構(gòu)建立有限元模型，通過(guò)APDL命令流，獲取結(jié)構(gòu)不同位置的電位響應(yīng)信息，建立結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)樣本庫(kù)，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，識(shí)別出損傷位置和損傷程度，但是該方法檢測(cè)結(jié)果誤差較大。

本文以公路橋鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)為研究目標(biāo)，為了解決上述檢測(cè)方法的不足之處，提出一種基于超聲波技術(shù)的檢測(cè)方法，而且從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，所提方法檢測(cè)結(jié)果可以更加準(zhǔn)確地顯示缺陷尺寸。

1 設(shè)計(jì)以超聲波技術(shù)為核心的公路橋鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方法

1.1 構(gòu)建超聲波傳輸模型

超聲波技術(shù)是以聲波傳播原理為核心的。在應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)之前，需要先了解超聲波傳輸模式^［6］（如圖1所示）。

由圖1可知，傳播中的聲波在遇到介質(zhì)后會(huì)發(fā)生反射、散射、衰減等現(xiàn)象。依靠超聲波技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)，本質(zhì)上是根據(jù)聲波衰減程度^［7］，判斷超聲波面對(duì)介質(zhì)的損失程度，從而明確介質(zhì)上是否存在缺陷問(wèn)題。散射衰減是超聲波傳播過(guò)程中一種主要的衰減方式，具體衰減程度會(huì)受到激勵(lì)頻率和散射體直徑的影響。對(duì)于平面波聲壓、球面波聲壓和柱面波聲壓來(lái)說(shuō)，其與衰減系數(shù)之間的關(guān)系如式（1）～（3）所示：

式中：

P₁——平面波聲壓；

P₂——球面波聲壓；

P₃——柱面波聲壓；

θ——起始聲壓；

e——自然對(duì)數(shù)的底數(shù)；

α——衰減系數(shù)；

c——某點(diǎn)與聲源之間的距離。

從式（1）～（3）可以看出，衰減系數(shù)與聲壓之間存在指數(shù)關(guān)系。

考慮到不同介質(zhì)的衰減系數(shù)有所差異，本文針對(duì)的檢測(cè)對(duì)象是公路橋鋼混結(jié)構(gòu)，屬于固體介質(zhì)，因此只需要計(jì)算固體介質(zhì)的聲波衰減系數(shù)：

式中：

α₁——吸收衰減系數(shù)；

α₂——散射衰減系數(shù)；

L₁、L₂、L₃、L₄——常數(shù)；

f——激勵(lì)頻率；

H——各向異性系數(shù)；

r——受散射體的直徑;

?——波長(zhǎng)。

基于超聲波技術(shù)的公路橋鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方法/龍列飛

1.2 超聲檢測(cè)信號(hào)預(yù)處理

考慮到超聲檢測(cè)信號(hào)的工作環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致最終接收到的超聲檢測(cè)信號(hào)中存在大量噪聲信息^［8］，會(huì)影響最終檢測(cè)結(jié)果。因此，本文采用小波分解算法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到降噪后的信號(hào)。小波降噪處理流程如圖2所示。

正常情況下，超聲波技術(shù)檢測(cè)到的回波信號(hào)，可以通過(guò)式（7）表示：

F（t）=?exp-β（t-ρ）²cosw（t-ρ）+ψ""" （7）

式中：t——時(shí)間；

F——超聲檢測(cè)缺陷回波信號(hào)；

?——回波幅值；

ρ——回波返回時(shí)間；

ψ——回波返回相位；

β、w——帶寬因子和中心頻率。

超聲波檢測(cè)信號(hào)中存在的噪聲主要包括儀器噪聲和金屬噪聲兩部分，通常情況下，前者為白噪聲，雖然與缺陷回波信號(hào)沒(méi)有聯(lián)系，但依舊服從觀測(cè)時(shí)域的正態(tài)分布要求。本文運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)理念，定義一個(gè)Donoho軟閾值^［9］，實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)與噪聲信息的劃分。Donoho軟閾值計(jì)算公式可以表示為：

式中：

o——小波包節(jié)點(diǎn);

M——信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)量;

ζ——噪聲方差;

Y——Donoho軟閾值。

針對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行不斷分解，在每一次分解后，都可以結(jié)合Donoho軟閾值去除噪聲，主要表現(xiàn)為小波包分解系數(shù)不斷降低，對(duì)噪聲去除后的分解信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)處理，得到輸出降噪信號(hào)。

1.3 設(shè)計(jì)基于超聲波技術(shù)的缺陷識(shí)別方法

考慮到超聲波在面對(duì)不同缺陷問(wèn)題時(shí)回波信號(hào)會(huì)表現(xiàn)出不同的時(shí)域和頻域特點(diǎn)，前者可以描述回波信號(hào)隨時(shí)間的變化情況，后者則反映了不同頻率變化下信號(hào)幅值變化情況。結(jié)合這兩方面的特點(diǎn)，本文提出基于超聲波技術(shù)的缺陷識(shí)別方法。

在超聲檢測(cè)信號(hào)去噪處理完成后，提取時(shí)域頻域特征參數(shù)，作為公路橋鋼混結(jié)構(gòu)缺陷識(shí)別的基礎(chǔ)。超聲波面對(duì)不同缺陷類型時(shí)，會(huì)展現(xiàn)出不同的時(shí)域頻域信號(hào)，甚至面對(duì)同種缺陷，其缺陷形狀、缺陷面積的不同也會(huì)影響信號(hào)的幅值變化；同時(shí)信號(hào)幅值會(huì)隨著缺陷面積的增大而變高，這表現(xiàn)出二者之間存在線性關(guān)系。在特征提取時(shí)，可以選取最大程度表征缺陷類型的參數(shù)信息。文中選用信號(hào)波形的均值、信號(hào)波形的幅值、信號(hào)寬度、波形面積、衰減系數(shù)五項(xiàng)參數(shù)作為時(shí)域特征參數(shù)。

結(jié)合頻率參數(shù)和周期函數(shù)，將原本的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)頻域特征的提取，基于時(shí)域信號(hào)變換公式為：

式中：n——頻率參數(shù)；

n——需要分析的時(shí)域信號(hào)；

χ——傅里葉變換后的時(shí)域信號(hào)；

W——周期函數(shù)。

時(shí)域信號(hào)變換結(jié)束后，將其輸入到一個(gè)傅里葉運(yùn)算子程序中進(jìn)行快速傅里葉變換，得到信號(hào)的復(fù)數(shù)，再將其導(dǎo)入極坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行變換處理，獲取頻域信號(hào)顯示圖;該圖顯示了不同缺陷信號(hào)在不同頻率情況下的賦值變化情況，從中選取具有代表性的信號(hào)，作為特征參數(shù)提取結(jié)果。

由于超聲波檢測(cè)信號(hào)中的缺陷信號(hào)屬于一種非穩(wěn)定信號(hào)，在時(shí)域特征參數(shù)和頻域特征參數(shù)提取過(guò)程中，需要采用加窗處理模式，將原始信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定信號(hào)，以保證頻率響應(yīng)效果最優(yōu)。針對(duì)矩形窗、漢寧窗等常規(guī)窗函數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)比不同窗函數(shù)的性能指標(biāo)，選取海明窗作為信號(hào)截取函數(shù)。為了保證截取信號(hào)的分辨率和寬度滿足后續(xù)計(jì)算要求，需要在加窗處理模式運(yùn)行之前，計(jì)算窗函數(shù)的寬度。根據(jù)信號(hào)長(zhǎng)度，將窗函數(shù)的寬度設(shè)置為：

式中：

η——窗函數(shù)寬度；

N——信號(hào)長(zhǎng)度。

窗函數(shù)截取模式如圖3所示。

按照?qǐng)D3所示的操作模式，完成信號(hào)截取后，重新進(jìn)行信號(hào)頻域特征和時(shí)域特征的采集，根據(jù)特征參數(shù)完成公路橋鋼混結(jié)構(gòu)缺陷識(shí)別，并根據(jù)特征參數(shù)的大小和缺陷回波時(shí)間的不同，進(jìn)一步確定缺陷面積和缺陷位置，完成基于超聲波技術(shù)缺陷識(shí)別。

1.4 實(shí)現(xiàn)公路橋鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)

公路橋鋼混結(jié)構(gòu)缺陷識(shí)別結(jié)束后，可以對(duì)比當(dāng)前缺陷程度和超聲波探傷結(jié)果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，明確結(jié)構(gòu)當(dāng)前質(zhì)量情況。為了保證檢測(cè)結(jié)果的可信度，文中應(yīng)用的超聲探傷行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的具有科學(xué)性和適用性的標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)研究、理論推算和破壞性試驗(yàn)，記錄公路橋鋼混結(jié)構(gòu)承載力，檢驗(yàn)與超聲波探傷結(jié)果分級(jí)之間是否存在一致性，如果不一致需要合理修正分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合公路橋結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)要求和鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定超聲波檢測(cè)結(jié)果顯示的缺陷長(zhǎng)度＜10 mm時(shí)，表明其質(zhì)量等級(jí)屬于1級(jí)；當(dāng)缺陷長(zhǎng)度在10～15 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量等級(jí)屬于2級(jí)；當(dāng)缺陷長(zhǎng)度取值范圍在15～25 mm時(shí)，鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量等級(jí)屬于3級(jí)；當(dāng)缺陷長(zhǎng)度＞25 mm，表明當(dāng)前鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量等級(jí)為4級(jí)。按照這種分級(jí)方式，對(duì)缺陷檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行深入分析，得到公路橋鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。

2 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證文中提出的無(wú)損檢測(cè)方法可以在公路橋鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中發(fā)揮良好的應(yīng)用效果，本次針對(duì)銀百高速公路某一區(qū)段進(jìn)行結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)。該公路是國(guó)內(nèi)重要交通要道，在區(qū)域高速公路網(wǎng)占據(jù)關(guān)鍵地位，本次試驗(yàn)針對(duì)樁號(hào)K73+400～ K101+730路段的鋼混結(jié)構(gòu)開(kāi)展。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

文中提出的無(wú)損檢測(cè)方法以超聲波技術(shù)為核心。本次試驗(yàn)過(guò)程中，選用瑞士生產(chǎn)的Pundit Lab超聲波檢測(cè)儀作為主要試驗(yàn)儀器，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)裂紋深度測(cè)量和脈沖速度測(cè)量，目前在檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該儀器的主要參數(shù)如表1所示。

為了保證質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)開(kāi)始之前，先針對(duì)Pundit Lab超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行標(biāo)定。儀器標(biāo)定的主要工具是圖4（a）所示的校準(zhǔn)棒，在購(gòu)買儀器時(shí)會(huì)自帶。在校準(zhǔn)棒兩端、探頭傳感器分別涂抹耦合劑，再緊緊按壓到一起，如圖4（b）所示。上述操作完成后，打開(kāi)超聲波檢測(cè)儀器，觀察儀器發(fā)射、接收頻率是否正常^［10］。

按照上述標(biāo)定方法對(duì)檢測(cè)儀器進(jìn)行校正后，將其作為主要工具，進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)。

2.2 信號(hào)處理

在目標(biāo)公路區(qū)段隨機(jī)選取一段鋼混結(jié)構(gòu)，應(yīng)用標(biāo)定后的Pundit Lab超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，得到圖5（a）所示的檢測(cè)信號(hào)波形圖。從圖5（a）中可以看出，信號(hào)檢測(cè)結(jié)果中存在大量噪聲，會(huì)影響后續(xù)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，采用文中提出的預(yù)處理方法進(jìn)行消噪，得到圖5（b）所示的去噪后超聲波檢測(cè)信號(hào)波形圖。

對(duì)比去噪前后的超聲波檢測(cè)信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)，去噪處理后波動(dòng)信號(hào)的變化更加清晰，有利于缺陷特征的提取。同時(shí)，從檢測(cè)結(jié)果中也可以看出，在初始超聲波和回波之間，存在一個(gè)缺陷波，表明該結(jié)構(gòu)存在缺陷問(wèn)題，需要進(jìn)一步檢測(cè)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)目標(biāo)區(qū)段的所有鋼混結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方面質(zhì)量檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段存在7處裂紋缺陷，每一處裂紋缺陷的檢測(cè)長(zhǎng)度和實(shí)際長(zhǎng)度對(duì)比結(jié)果如圖6所示。同時(shí)，為了加強(qiáng)試驗(yàn)的真實(shí)性，采用基于X射線的檢測(cè)方法和基于滲透檢測(cè)的方法，對(duì)同樣的結(jié)構(gòu)區(qū)段進(jìn)行質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)，這兩種傳統(tǒng)方法檢測(cè)的結(jié)構(gòu)裂紋長(zhǎng)度也體現(xiàn)在圖6中。

從圖6可以看出，所提方法的結(jié)構(gòu)裂紋長(zhǎng)度檢測(cè)結(jié)果基本上與實(shí)際裂紋長(zhǎng)度保持一致，最大檢測(cè)偏差值僅為1.2 mm，而其他兩種檢測(cè)方法得到的結(jié)構(gòu)裂紋長(zhǎng)度與實(shí)際值相比出入較大，最大偏差值分別為4.9 mm、7.5 mm。

對(duì)比不同方法的結(jié)構(gòu)裂紋寬度檢測(cè)結(jié)果，得到圖7。

從圖7可以看出，所提方法的結(jié)構(gòu)裂紋寬度檢測(cè)最大偏差值為0.05 mm，而其他兩種方法檢測(cè)出的裂紋寬度值與實(shí)際寬度相比有偏差，最大偏差值分別為0.17 mm、0.13 mm。

綜上所述，運(yùn)用文中所提方法進(jìn)行鋼混結(jié)構(gòu)檢測(cè)，可以更加準(zhǔn)確地得到缺陷尺寸，并以此為基礎(chǔ)完成高水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

公路橋梁是我國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的核心組成部分，其鋼混結(jié)構(gòu)的質(zhì)量狀態(tài)，直接影響了道路行駛安全。文中針對(duì)公路橋鋼混結(jié)構(gòu)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行研究，提出一種以超聲波技術(shù)為核心的檢測(cè)方法，通過(guò)分析回波信號(hào)，識(shí)別并定位結(jié)構(gòu)缺陷，得到精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果。

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收稿日期：2023-04-18