預(yù)應(yīng)力壓漿波紋管密實(shí)度檢測研究

劉朝濤 李雙利

摘要：橋梁預(yù)應(yīng)力壓漿波紋管密實(shí)度檢測是橋梁檢測中的一個(gè)熱門方向，其包括對(duì)波紋管密實(shí)度的定性和定位檢測。本文從超聲檢測方法，采集信號(hào)的處理，預(yù)應(yīng)力壓漿波紋管密實(shí)度評(píng)判方法方面進(jìn)行了探討研究，希望能為關(guān)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(guān)鍵詞：超聲檢測;信號(hào)處理;密實(shí)度

Key words： ultrasonic testing;signal processing;compactness

中圖分類號(hào)：U445.57? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）31-0168-02

0? 引言

現(xiàn)代橋梁系統(tǒng)中普遍存在兩個(gè)問題，一個(gè)是預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉力[2]不足，另一個(gè)是包裹鋼絞線的波紋管密實(shí)度不夠;其中前一個(gè)問題可以通過規(guī)范的施工操作流程使鋼絞線達(dá)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(shí)度不夠，由于波紋管的密實(shí)度不夠即使前期施工過程中鋼絞線的張拉合格，也會(huì)由于波紋管內(nèi)存在的孔隙、缺陷導(dǎo)致鋼絞線的氧化銹蝕等，結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致張拉力損失從而影響橋梁的受力，出現(xiàn)裂紋甚至嚴(yán)重到坍塌。基于這個(gè)現(xiàn)狀，國內(nèi)外很多學(xué)者投入到了預(yù)應(yīng)力壓漿波紋管密實(shí)度的檢測研究當(dāng)中。

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

1? 密實(shí)度的定性檢測

在預(yù)應(yīng)力壓漿波紋管密實(shí)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(shí)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(shí)由主機(jī)控制激發(fā)換能器發(fā)出激勵(lì)信號(hào)或者使用小圓錘敲擊激發(fā)端一側(cè)，然后接收端的換能器就能將接收到震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳給主機(jī)，對(duì)接受的信息進(jìn)行一定的分析就能初步得到該波紋管全局密實(shí)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(shí)度的依據(jù)主要是信號(hào)的首播波速，一般來說，當(dāng)首播波速就越接近混凝土中傳播的波速時(shí)，所測波紋管密實(shí)度越高，當(dāng)密實(shí)度較低時(shí)，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(shí)度的方法誤差較高，其中之一的原因就在于首波起點(diǎn)的選擇，人工選擇首波起點(diǎn)無疑會(huì)產(chǎn)生很大的偏差，而且本來信號(hào)中也存在著噪音干擾首波起點(diǎn)的選擇。當(dāng)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(diǎn)時(shí)引入一個(gè)閾值作為起點(diǎn)的判定，當(dāng)某個(gè)點(diǎn)大于閾值時(shí)就將這點(diǎn)作為首波起點(diǎn)。

從圖2、圖3中可以看出濾波對(duì)于首波起點(diǎn)的選擇的重要性。在信號(hào)去噪方面，小波閾值[3]去噪效果比較好，它的基本原理是：實(shí)際中的信號(hào)是都摻雜著噪聲的，信號(hào)經(jīng)過小波變換之后，產(chǎn)生了一系列的小波系數(shù)，信號(hào)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)的數(shù)目較少且幅值較大;而噪聲對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)的數(shù)目較多且幅值小。所以針對(duì)這一特性，可以參考前面首波去噪的方法，引入一個(gè)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(jìn)行小波重構(gòu)，恢復(fù)原始信號(hào)。

2? 缺陷的定位檢測

在預(yù)應(yīng)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(lì)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(shí)激發(fā)端的激勵(lì)信號(hào)在預(yù)應(yīng)力壓漿波紋管中傳導(dǎo)中在遇到大于超聲波長的缺陷時(shí)會(huì)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(huì)發(fā)生不同程度的反射，反射回來的超聲信號(hào)就會(huì)被接受換能器捕捉，然后對(duì)所接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理分析就能得到缺陷的一些相關(guān)信息。超聲回波法評(píng)判缺陷的方法首先需要將所測試的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)在頻域數(shù)據(jù)上表現(xiàn)出多個(gè)頻峰，如圖4。其中FT代表從底板返回的信號(hào)，F(xiàn)S代表從缺陷處返回的信號(hào)。

經(jīng)過下面公式就能大致的確認(rèn)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(diǎn)的距離。總的來說隨著缺陷數(shù)量的增加，底板返回信號(hào)的主頻和缺陷返回信號(hào)的頻率都有所降低。

3? 密實(shí)度檢測中的信號(hào)處理方法

傳統(tǒng)的信號(hào)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(yīng)于一些比較平穩(wěn)的信號(hào)處理。但實(shí)際中最常見的是一些非平穩(wěn)的信號(hào)，這種信號(hào)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(shí)段和頻段，這時(shí)傅里葉變換就有點(diǎn)乏力了。于是隨之而生的短時(shí)傅里葉變換就被提出，短時(shí)傅里葉變換是在傳統(tǒng)傅里葉變換的基礎(chǔ)上加了一個(gè)時(shí)間窗，這樣就可以對(duì)需要分析的頻段信息進(jìn)行分析;但是，一個(gè)固定的時(shí)間窗不能夠滿足分析要求。在短時(shí)傅里葉變換的發(fā)展基礎(chǔ)上，小波變換被提出來，它具有多時(shí)間窗分析信號(hào)的能力;十分符合實(shí)際中人們的分析需求。隨后，又有一種更優(yōu)秀的信號(hào)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(hào)上性能更優(yōu)越，而且希爾伯特變換不受海森堡測不準(zhǔn)原理限制，能在時(shí)域分析和頻域分析上達(dá)到高精度，適用于突變信號(hào)。

4? 多因素評(píng)判方法

雖然首波波速作為評(píng)判全局波紋管密實(shí)度的方法具有一定的指導(dǎo)性，但是其測量密實(shí)度的精度不高，其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)往往是通過實(shí)驗(yàn)得出來的經(jīng)驗(yàn)曲線，如果換了另外的實(shí)驗(yàn)條件，可能得出來波速-密實(shí)度曲線就有些不同了。而且單靠波速作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)就舍棄了信號(hào)重要的頻率和幅值因素，但由于超聲信號(hào)在波紋管內(nèi)傳遞十分的復(fù)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(hào)，這使得很多學(xué)者很少考慮將這兩種因素作為波紋管密實(shí)度的評(píng)判因素，這相關(guān)的研究也比較少。但是也有學(xué)者提出了一種多因素概率評(píng)判法[3]，該方法使用聲速V、頻率F、波幅A作為密實(shí)度的判斷因素，然后通過對(duì)整體的概率分析，獲得一個(gè)綜合判斷值NFP來判斷密實(shí)度的方法。NFP值按下式計(jì)算：

式中：

NFP（i）—第i個(gè)波紋管的判據(jù)值;

Vi，F(xiàn)i，Ai—第i個(gè)波紋管的聲速、頻率、幅值的相對(duì)值;

m—以上述三個(gè)參數(shù)相對(duì)值之積為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差;

？滓—概率保證系數(shù);

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

5? 結(jié)語

相比單依靠波速作為全局密實(shí)度的評(píng)判依據(jù)，多因素概率法把三種參考因素考慮進(jìn)預(yù)應(yīng)力波紋管的密實(shí)度評(píng)判中，但沒有對(duì)三種因素做權(quán)重分析，如果引進(jìn)一些權(quán)重算法復(fù)合多因素概率算法，一定能優(yōu)于單靠波速來評(píng)判密實(shí)度的方法，具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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