混凝土路面板底脫空地震波法檢測(cè)技術(shù)研究

張紅寧,吳科廉

（江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司,江西 南昌 330100）

0 引言

板底脫空是混凝土路面板常見(jiàn)的工程病害之一，影響路面載承能力，也威脅公路使用安全和路面健康應(yīng)用壽命。及時(shí)檢測(cè)、預(yù)防和治理脫空，是維護(hù)公路結(jié)構(gòu)質(zhì)量和運(yùn)行安全必不可少的技術(shù)和管理任務(wù)，而準(zhǔn)確評(píng)估板底脫空狀態(tài)則是實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的脫空治理的前提。地震波檢測(cè)法是一種便捷有的板脫空檢測(cè)方法[1]。某高速公路工程應(yīng)用該方法，通過(guò)大量的室內(nèi)外試驗(yàn)，探討不同脫空狀態(tài)、不同震擊位置、不同落錘高度、不同接觸面下的地震波測(cè)試影響規(guī)律，為混凝土路面板底脫空地震波法檢測(cè)實(shí)施積累了參考資料。

1 振動(dòng)檢測(cè)

1.1 振動(dòng)檢測(cè)用儀器設(shè)備

（1）激振設(shè)備。振動(dòng)檢測(cè)離不開(kāi)激振源，實(shí)際激振源可以來(lái)自結(jié)構(gòu)自振，也可以由人工振源形成。路面行駛的車(chē)輛造成路面板振動(dòng)是一種道路自振源，當(dāng)然道路振動(dòng)源也可以應(yīng)用人工有控振源。人工有控振源由激振設(shè)備發(fā)生。激振設(shè)備類(lèi)型及相關(guān)特點(diǎn)分類(lèi)見(jiàn)表1所示。

表1 激振設(shè)備類(lèi)型及相關(guān)特點(diǎn)分類(lèi)

（2）測(cè)振感受器。在振動(dòng)檢測(cè)儀器中，感受器的品質(zhì)與適用性對(duì)所得數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度至關(guān)重要。感受器可以將感受到的壓力、位移、速度或加速度等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。根據(jù)檢測(cè)坐標(biāo)系的不同，感受器可以分為絕對(duì)式和相對(duì)式。相對(duì)式可以是非接觸式或接觸式，而絕對(duì)式需要接振動(dòng)體。按照檢測(cè)振動(dòng)參數(shù)的不同，感受器可以分為位移式、應(yīng)變式、加速度式和速度式等。在振動(dòng)檢測(cè)中，常用的感受器包括力感受器、應(yīng)變片、渦流式移位感受器和電動(dòng)式速度感受器等。選擇感受器需要考慮線(xiàn)性范圍、頻率范圍和靈敏度等因素。

（3）采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)。采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)也是振動(dòng)檢測(cè)不可或缺的技術(shù)組成部分，不僅具有電信號(hào)的記錄、顯示和中間變換功能，而且動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于信號(hào)快速傳輸、存儲(chǔ)和分析。采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)一般由信號(hào)適配器、取樣保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等功能部分構(gòu)成，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的核心組件。

1.2 振動(dòng)分析參數(shù)

在選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)點(diǎn)、合適的感受器和相應(yīng)數(shù)據(jù)分析儀器后，按照檢測(cè)預(yù)案進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，以獲取包括結(jié)構(gòu)固有振頻、振型、阻尼比等動(dòng)力特性參數(shù)，獲取包括相位、頻率、振幅等波形參數(shù)。振幅代表系統(tǒng)振動(dòng)的強(qiáng)度和能力水平，可以用位移、速度或加速度的幅值表達(dá)[2]。時(shí)域振動(dòng)的相位和頻率可以通過(guò)DFT或FFT傅里葉變換方法獲得?，F(xiàn)今的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)基本上都具備這個(gè)功能。

1.3 振動(dòng)響應(yīng)分析技術(shù)

振動(dòng)響應(yīng)分析通常從2個(gè)方面入手，即振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域性或頻域性分析，前者揭示振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度時(shí)變規(guī)律，后者揭示振動(dòng)信號(hào)的單頻信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)分析。時(shí)域分析中，相同的時(shí)域參數(shù)并不意味著信號(hào)相同，因?yàn)樾盘?hào)特性還與相位、頻率等信息相關(guān)，因此很有必要進(jìn)一步開(kāi)展頻率結(jié)構(gòu)分析，如振動(dòng)包含哪些頻率成分、占主導(dǎo)的頻率成分是誰(shuí)、頻率組分的振動(dòng)能量等，從而在頻域中描述振動(dòng)信號(hào)，即頻譜分析。從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域可以通過(guò)傅里葉變換實(shí)現(xiàn)，非周期性信號(hào)的時(shí)頻基于傅里葉積分法實(shí)現(xiàn)變換，周期性信號(hào)則基于傅里葉級(jí)數(shù)實(shí)現(xiàn)變換，兩種方法都是傅里葉變換。

2 地震波檢測(cè)方法

等效簡(jiǎn)化后，當(dāng)脫空混凝土板承受沖擊或車(chē)輛載荷時(shí)，振頻、振幅、周期等參數(shù)會(huì)存在差異。越嚴(yán)重的板底脫空程度，則振動(dòng)系的等效剛度將受到越嚴(yán)重的削弱，其固有振動(dòng)周期也將越長(zhǎng)，振頻將越低[3]。振動(dòng)信號(hào)的最高振速隨著脫空程度增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，主頻率則呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)，同時(shí)也會(huì)發(fā)生振時(shí)逐步延長(zhǎng)。

多自由度振動(dòng)是板體系統(tǒng)振動(dòng)的特點(diǎn)，其矩陣形式表達(dá)見(jiàn)如下公式：

式中，[m]——質(zhì)量矩陣；[k]——?jiǎng)偠染仃嚕籟c]——阻尼矩陣；{F(t)}——激振力列陣；{x(t)}——位移列陣。

3 室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析

室內(nèi)外檢測(cè)結(jié)果可以互相驗(yàn)證和補(bǔ)充。室內(nèi)澆筑脫空檢測(cè)件，通過(guò)地震波檢測(cè)法探討振動(dòng)特性與脫空狀態(tài)對(duì)應(yīng)規(guī)律。在檢測(cè)過(guò)程中，施加沖擊載荷至預(yù)設(shè)位置，形成試件振動(dòng)，以微振感受器進(jìn)行信號(hào)采集，分析采集結(jié)果，獲得脫空狀態(tài)下振動(dòng)規(guī)律，包括頻譜和時(shí)程曲線(xiàn)等內(nèi)容。該研究的脫空狀態(tài)采用x-y-z-h模式表達(dá)，x代表脫空深度（mm），y和z代表脫空區(qū)直角等腰三角形2條直邊的邊長(zhǎng)（cm），h代表落錘高度（cm）。例如3-25-25-3表達(dá)板底脫空為3 mm深度，脫空面積為25 cm×25 cm×1/2，落錘高度3 cm。0-0-0-3則表達(dá)落錘3 cm高度，無(wú)板底脫空。

3.1 基于脫空狀態(tài)的檢測(cè)結(jié)果分析

abcd四種試件的脫空分別為無(wú)脫空（0-0-0）、微脫空（3-25-25和5-25-25）、嚴(yán)重脫空（3-50-50和5-50-50），且均為3 cm落錘高度，板角激勵(lì)并且接觸面采取無(wú)墊狀態(tài)。振動(dòng)采集儀3個(gè)信道采集數(shù)據(jù)，每道固定對(duì)應(yīng)1個(gè)感受器。其中，1道對(duì)應(yīng)垂向感受器，2、3道對(duì)應(yīng)2個(gè)水平向感受器。各測(cè)點(diǎn)均重復(fù)性檢測(cè)8次，取均值作為分析數(shù)據(jù)。地震波檢測(cè)時(shí)，每信道測(cè)得結(jié)果形成振速或振幅時(shí)程曲線(xiàn)與離散傅里葉變換快FFT分析結(jié)果，時(shí)程曲線(xiàn)及頻譜以IDTS3850微振感受器記錄獲取。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同脫空狀態(tài)的地震波檢測(cè)數(shù)據(jù)均值

檢測(cè)結(jié)果顯示，震波檢測(cè)中，脫空面規(guī)格顯著影響振動(dòng)時(shí)、主頻率、最高振速等信號(hào)特征，而相同脫空面積下，脫空深度基本不發(fā)生影響。依次進(jìn)行無(wú)脫空、輕微脫空、嚴(yán)重脫空檢測(cè)時(shí)：

（1）信道1主頻率均值分別在1 013 Hz、184 Hz、188 Hz、50 Hz、49 Hz，明顯呈現(xiàn)遞減變化趨勢(shì)。

（2）信道1最高振速分別在3.20 cm·s-1、10.30 cm·s-1、10.00 cm·s-1、14.40 cm·s-1、14.60 cm·s-1，明顯呈現(xiàn)遞增變化趨勢(shì)。

（3）信道1振時(shí)分別在8.80 ms、17.50 ms、18.90 ms、21.80 ms、25.10 ms，具有一定遞增變化趨勢(shì)。

（4）信道2和3的振時(shí)、最高振速和主頻率隨脫空面積的增大，大致與信道1保持相同的演變規(guī)律。隨著脫空面積的增大，振動(dòng)系等效剛度的消減程度也增大，因而振頻變低。顯示用地震波開(kāi)展脫空檢測(cè)是可行的。

3.2 基于震擊點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果分析

感受器配置在板角，震擊點(diǎn)分別采取板角、板中，信號(hào)記錄同上。這里主要展示是對(duì)無(wú)脫空（0-0-0-3）、微脫空（3-25-25-3）、嚴(yán)重脫空（3-50-50-3）等三種脫空情況進(jìn)行的檢測(cè)，不同震擊位置影響的地震波檢測(cè)數(shù)據(jù)均值見(jiàn)表3。

表3 不同震擊位置影響的地震波檢測(cè)數(shù)據(jù)均值

數(shù)據(jù)顯示，振動(dòng)信號(hào)特征在一定程度上受到不同震擊位置影響，影響程度與板底脫空狀態(tài)有關(guān)，具體如下：

（1）0-0-0-3無(wú)板底脫空時(shí)，震擊板中，板中和板角位置均無(wú)脫空。因?yàn)榘寮嬖谧枘?，?huì)使振動(dòng)信號(hào)在傳輸過(guò)程中衰減，因此相對(duì)于震擊板角，由震擊板中并經(jīng)信道1測(cè)得的主頻率和最高振速都會(huì)有所降低。

（2）3-25-25-3輕微板底脫空時(shí)，震擊板中，由于輕微脫空存在板角，板中不存在脫空，相對(duì)于震擊板角，由震擊板中并經(jīng)信道1測(cè)得最高振速降低明顯，主頻率則略微降低，振時(shí)也有所減小。

（3）3-50-50-3嚴(yán)重板底脫空時(shí)，震擊板中，因?yàn)榘褰谴嬖趪?yán)重脫空，板中不存在脫空，相對(duì)于震擊板角，信道1測(cè)得的最高振速降低明顯，主頻率明顯變大，振時(shí)也有所降低。

3.3 基于落錘高度的檢測(cè)結(jié)果分析

分別采取3 cm和10 cm的落錘高度，沖擊功對(duì)應(yīng)為1.32 J和4.41 J。數(shù)據(jù)記錄同上。這里展示的是10 cm落錘高度時(shí)信道1測(cè)得的地震波檢測(cè)數(shù)據(jù)均值，具體見(jiàn)表4。

表4 落錘高度影響的地震波檢測(cè)數(shù)據(jù)均值

數(shù)據(jù)顯示，落錘高度從3 cm提高到10 cm時(shí)，信道1的最高振速明顯上升，振時(shí)也略有增加，但是主頻率基本沒(méi)有變化，仍然保持在自然頻附近。表明主頻率與板底脫空狀態(tài)之間存在較好的相關(guān)性。

3.4 基于接觸面的檢測(cè)結(jié)果分析

面板和落錘之間采取無(wú)襯墊、橡膠襯墊和鐵襯墊的接觸面[4]。數(shù)據(jù)記錄同上。這里展示的是3種脫空狀態(tài)、3種震擊接觸面下、信道1檢測(cè)獲得的地震波檢測(cè)數(shù)據(jù)均值，見(jiàn)表5。

表5 震擊接觸面影響狀態(tài)的地震波檢測(cè)數(shù)據(jù)均值

數(shù)據(jù)顯示，接觸面的不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。

（1）不同脫空狀態(tài)下，模板等效剛度不同，板底脫空越嚴(yán)重，振動(dòng)系的等效剛度消減越大，會(huì)導(dǎo)致主頻振動(dòng)降低。

（2）鐵墊具有應(yīng)力擴(kuò)散作用，相對(duì)于無(wú)墊而言，鐵墊導(dǎo)致信道1最高振速稍有下降，但是主頻率變化較小，振時(shí)變化不明顯。

（3）橡膠墊具有應(yīng)力吸收作用，相對(duì)于無(wú)墊而言，橡膠墊導(dǎo)致信道1振時(shí)增加，最高振速降低，但是主頻率變化很小。相對(duì)于鐵墊而言，橡膠墊導(dǎo)致信道1信道最高振速增加，主頻率變化不明顯，振時(shí)增加明顯。顯示接觸面對(duì)信道1的振時(shí)和最高振速會(huì)產(chǎn)生影響，但對(duì)主頻率變化影響微乎其微。

4 室外試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析

混凝土板底部脫空地震波室外檢測(cè)實(shí)驗(yàn)在一條高速公路的改造區(qū)段和一座收費(fèi)站附近進(jìn)行。分別選擇4塊混凝土板試驗(yàn)檢測(cè)，數(shù)據(jù)均取均值，詳細(xì)見(jiàn)表6。

表6 混凝土板底部脫空地震波室外檢測(cè)數(shù)據(jù)

地震波室外檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，室外地震波檢測(cè)所揭示的變化規(guī)律與室內(nèi)檢測(cè)相似。存在板底脫空情況時(shí)，信道1的振時(shí)和最高振速均比較大，主頻率則下降明顯。信道2和3也呈現(xiàn)類(lèi)似趨勢(shì)。綜合看來(lái)，混凝土路面板底脫空狀態(tài)與各信道檢測(cè)參數(shù)如振時(shí)、最高振速、主頻率等存在較好的相關(guān)性，特別是信道1的主頻率，由此可見(jiàn)公路混凝土面板的板底脫空地震波法檢測(cè)可行。

5 結(jié)語(yǔ)

該文進(jìn)行了混凝土路面板底脫空地震波法檢測(cè)技術(shù)研究。介紹了振動(dòng)檢測(cè)、地震波檢測(cè)相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)，介紹了某公路工程路面板底脫空地震波法室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)、室外試驗(yàn)檢測(cè)分析成果。室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果顯示，脫空狀態(tài)與信號(hào)參數(shù)（最高振速、主頻率、振時(shí)）間相關(guān)性明顯。無(wú)脫空、稍微脫空和嚴(yán)重脫空的不同狀態(tài)有不同的振動(dòng)規(guī)律相對(duì)應(yīng)。脫空越嚴(yán)重，振動(dòng)信號(hào)振時(shí)越長(zhǎng)，主頻率越高，最高振速越大。不同落錘高度、震擊位置和接觸面對(duì)檢測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定程度影響。室外地震波檢測(cè)所揭示的變化規(guī)律與室內(nèi)檢測(cè)相似，脫空狀態(tài)與檢測(cè)參數(shù)如振時(shí)、最高振速、主頻率等存在較好的相關(guān)性，由此可以得出公路混凝土面板的板底脫空地震波法檢測(cè)可行。