劉茂軍，葛若東，王根偉

(1.桂林理工大學(xué) 南寧分校，廣西 南寧530001;2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧530004)

0 引 言

隨著我國交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，新建和在役橋梁越來越多。這些橋梁在使用過程中，其自身的材料性能會隨著時間的推移不斷劣化，同時在各種運輸車輛增加以及風(fēng)、疲勞、超載等諸多因素的影響下，橋梁的結(jié)構(gòu)可靠度會不斷降低。因此，橋梁安全問題逐漸成了專業(yè)人員關(guān)注的焦點。加強對橋梁服役期內(nèi)各種損傷的檢測以及工作情況的監(jiān)測，及時有效地對橋梁進行日常保養(yǎng)和維修，對延長橋梁使用壽命以及保證橋梁的承載能力，都具有十分重要的意義［1-5］。

在橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測方面，目前常用的有模型修正法、指紋分析法、移動質(zhì)量多次測量檢測法等［6-8］。由于這些方法均依賴于橋梁剛度或固有頻率的變化，而要獲得準確的橋梁剛度及固有頻率又比較困難，所以這些方法都有一定的局限性。

聲發(fā)射技術(shù)是近幾年來新興的動態(tài)無損檢測技術(shù)，由于聲發(fā)射技術(shù)具有信號真實、檢測的頻率范圍寬、靈敏度高(可探測到10-11mm 的結(jié)構(gòu)表面振動)、具有在線監(jiān)測、內(nèi)部裂紋定位、破壞預(yù)警等諸多優(yōu)點，目前已經(jīng)在航空航天、壓力容器、礦山開采等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

隨著聲發(fā)射技術(shù)在材料損傷檢測及監(jiān)測方面獲得巨大成功，人們開始嘗試利用聲發(fā)射技術(shù)在大型工程結(jié)構(gòu)特別是橋梁上進行現(xiàn)場監(jiān)測或檢測。如葛若東等［9］利用聲發(fā)射對鋼筋混凝土梁的破壞過程進行研究，得出了梁破壞過程的聲發(fā)射參數(shù)的變化特征，并用于對梁的破壞進行預(yù)警;M.Shigeishia等［10］利用聲發(fā)射對一座拱橋進行監(jiān)測，表明聲發(fā)射有助于發(fā)現(xiàn)裂紋的擴展并確定裂紋位置;S.Yuyama等［11］對兩座高速公路橋梁上先張法施工的預(yù)應(yīng)力梁進行的監(jiān)測結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)內(nèi)部破壞的聲發(fā)射事件能夠與交通噪聲區(qū)分;D.W.Cullingtona 等［12］也對后張法施工的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的鋼絞線斷裂進行成功的識別及定位;李冬生等［13-14］利用聲發(fā)射技術(shù)對多齡期斜拉索疲勞損傷演化過程進行了全過程監(jiān)測，分析了損傷的形成原因，實現(xiàn)了對多齡期斜拉索損傷聲發(fā)射源類型的確定。

雖然在聲發(fā)射橋梁損傷檢測方面的研究獲得了一定進展，但是環(huán)境噪音問題卻仍然是影響聲發(fā)射技術(shù)在在役橋梁損傷檢測及監(jiān)測方面推廣應(yīng)用的最大障礙［15-16］。因此，對強噪音環(huán)境下聲發(fā)射橋梁損傷定位方法的深入研究對于聲發(fā)射技術(shù)在橋梁檢測方面的推廣應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實意義。

本文采用美國物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的SAMOS-48 型聲發(fā)射儀在南寧市北大橋的箱梁內(nèi)部進行損傷定位試驗，通過對噪音信號的采集分析，并利用噪音的聲發(fā)射信號特征進行除噪，提高定位精度。

1 南寧市北大橋概況

南寧市北大橋跨越邕江，大橋北起北大路，南岸跨越江南路后與桃源橋相交，橋梁全長1 614.96 m。包括主橋、兩岸引橋、江南路立交橋、輔道和引道。主橋采用68 m+2×120 m+68 m 的4 跨變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面布置為雙向6 車道，主梁采用兩幅單箱單室截面，三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，主橋下部結(jié)構(gòu)上下游分開，墩型為薄壁空心墩;北引橋分為3 聯(lián)，第一聯(lián)采用4×47 m 等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面布置為雙向4 車道，主梁采用單箱單室截面，雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，第二、三聯(lián)采用4×30 m 等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面布置為雙向6 車道，主梁采用單箱三室截面，雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu);南引橋采用22 m+40 m+29 m 的等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁與北引橋第一聯(lián)基本相同;輔道橋采用5×31 m 等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面布置為2 車道，主梁采用單箱單室截面;江南立交橋采用3 跨一聯(lián)，跨度為29 m 或31 m，橋面布置為雙向4 車道，主梁采用單箱雙室截面。

主要技術(shù)標準:

①道路等級:城市主干路Ⅰ級;

②設(shè)計車速:50 km/h;

③橋梁設(shè)計荷載等級:城-A 級。

2 試驗準備

2.1 試驗儀器選擇

試驗中采用美國物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的SAMOS-48 型聲發(fā)射儀，如圖1 所示。

2.2 試驗位置選擇

根據(jù)北大橋特點，選取有代表性的主橋120 m 跨的兩跨作為試驗跨。以跨中截面A-A、B-B 處為測試位置，如圖2 所示。

箱梁跨中截面形狀見圖3 所示。為了便于布置傳感器并且獲得更全面的數(shù)據(jù)，測試點位置分別選在箱梁頂板、底板及側(cè)壁。

圖1 SAMOS－48 型聲發(fā)射儀Fig.1 SAMOS－48 acoustic emission instrument

圖2 測試位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test location

圖3 箱梁截面示意圖Fig.3 Schematic diagram of box girder cross section

3 試驗過程

3.1 參數(shù)設(shè)置

聲發(fā)射檢測的最大優(yōu)點是檢測的靈敏度高，但是這同時也是檢測的困難之所在，因為微弱的環(huán)境噪音都會被系統(tǒng)放大，甚至能夠淹沒有用信號，導(dǎo)致定位失敗。因此，必須在檢測之前根據(jù)情況進行各種檢測參數(shù)的設(shè)定，一方面要減弱噪音的影響，同時也使系統(tǒng)能夠更準確的識別有用信號，從而提高聲發(fā)射定位精度。

3.1.1 波速和衰減的測定

聲發(fā)射定位技術(shù)是利用各個聲發(fā)射(AE)傳感器接收信號的時間差來計算波源位置，所以波速設(shè)置的準確與否會直接影響到定位的精度。由于波在各種介質(zhì)中傳播的速度不同，所以進行檢測前要首先進行波速的測定。為了能更直接的測定實際檢測條件下的波速，本文采用在試驗前原位斷鉛的方法測波速。將8 個傳感器布置成一列，間距0.2 m，如圖4 所示。在端部的1#傳感器處斷鉛，利用各個傳感器接收信號的時間差計算波速。

圖4 測波速傳感器布置Fig.4 The sensor layout of measuring velocity

在1#傳感器處斷鉛3 次，分別計算出傳感器間距為0.6 m 和1.0 m 的波速，最終取其平均值作為定位波速，即定位波速取2 352 m/s。實驗數(shù)據(jù)見表1 所示。

表1 波速測定Tab.1 Velocity measurement cm·s-1

波的衰減曲線也是定位設(shè)置中的一項內(nèi)容，利用聲發(fā)射信號衰減規(guī)律，不僅可以根據(jù)傳感器接收到的信號幅值來推算信號源處的信號幅值，而且可以利用波的衰減規(guī)律來濾除噪音，所以波的衰減規(guī)律的測定是聲發(fā)射研究中的一項非常重要的工作。

本文測定波的衰減規(guī)律時仍采用圖4 中的布置，與波速測定同時進行，系統(tǒng)自動記錄每個傳感器接收到的撞擊幅值。表2 是測得的各傳感器接收到的撞擊幅值，圖5 是幅值的衰減曲線。

表2 傳感器信號幅值對照Tab.2 Comparison of the signal amplitude of sensor

圖5 聲發(fā)射信號衰減曲線Fig.5 Acoustic emission amplitude attenuation curve

3.1.2 聲發(fā)射檢測門檻值的確定

環(huán)境噪音是影響聲發(fā)射定位精度的重要因素，過大的噪音甚至能夠淹沒有用信號而導(dǎo)致定位失敗。試驗中，可以通過設(shè)置合理的門檻值來濾除大部分的環(huán)境噪音。這里，我們從兩個方面來綜合考慮門檻值的確定。

首先，通過對環(huán)境噪音的采集分析，找出環(huán)境噪音的聲發(fā)射特征，并通過對噪音特征的分析來確定門檻值。圖6 是試驗前在現(xiàn)場以預(yù)設(shè)25 dB 門檻值條件下所采集到的環(huán)境噪音信號的波形圖。

從圖6 可以看出，噪音的AE 信號幅值較低并且比較均勻，同時波形中又有很多的突出部分，可以判斷出這些突出部分是由于橋上不斷有各種車輛通過而產(chǎn)生的。

圖7 是噪音信號的撞擊—幅值關(guān)聯(lián)圖，從圖7 上可以看出噪音的幅值主要集中在35 dB 以下(因為預(yù)設(shè)了25 dB 門檻值，所以25 dB 以下的撞擊信號未顯示)，所以當檢測時將門檻設(shè)置為35 dB 左右，則可以濾除大部分的噪音。

圖6 環(huán)境噪音AE 信號波形圖Fig.6 AE signal waveform of ambient noise

圖7 環(huán)境噪音的撞擊—幅值關(guān)聯(lián)圖Fig.7 Hit-amplitude correlation graph of ambient noise

另外，合適的門檻值，不僅要能在試驗中有效地濾除噪音，而且還不能丟失過多的有用信號，所以確定合適的門檻值是一項重要工作。本文中采用斷鉛試驗，并利用聲發(fā)射信號的衰減規(guī)律來確定聲發(fā)射定位門檻值。

由AE 信號的衰減曲線(圖5)可知，斷鉛信號在橋梁混凝土中傳播距離1.4 m 后，其幅值仍超過40 dB。說明將試驗門檻設(shè)為40 dB 可以保證采集信號的完整性。因此，綜合分析后最終取聲發(fā)射定位門檻值為40 dB。

3.1.3 橋梁損傷聲發(fā)射定位時間參數(shù)的確定

利用聲發(fā)射進行損傷定位，需要準確設(shè)定三個時間參數(shù):峰值定義時間(PDT)、撞擊定義時間(HDT)、撞擊閉鎖時間(HLT)。如果時間參數(shù)設(shè)置錯誤，軟件將無法正確識別撞擊(hit)，從而影響定位精度。雖然AEwin 軟件給出了常用材料的檢測時間參數(shù)的推薦值，但聲發(fā)射信號在不同材料中的傳播特征有很大的差別，時間參數(shù)值會有很大變化，并且隨著傳感器離信號源距離的不同，這些參數(shù)也會有所變化。因此，在實際聲發(fā)射檢測應(yīng)用中，還需要通過試驗確定適合被檢測材料的時間參數(shù)。

為了能夠更精確地測得檢測條件下的時間參數(shù)值，在正式檢測前我們通過在橋梁檢測部位上進行原位斷鉛試驗確定聲發(fā)射檢測的時間參數(shù)值。在箱梁底板上距離傳感器大約30 cm 處進行斷鉛，得到傳感器上的撞擊波形，利用軟件自帶的數(shù)據(jù)光標直接讀取撞擊波形的上升時間。然后取10 次斷鉛信號的平均值作為依據(jù)，用來確定時間參數(shù)。圖8 為一次斷鉛的波形，時間軸上的負值表示預(yù)觸發(fā)時間。

經(jīng)過對10 個撞擊波形上升時間的測定，測得其平均值為80 μs，所以取峰值定義時間(PDT)為80 μs，撞擊定義時間(HDT)取峰值定義時間的兩倍，取為160 μs，撞擊閉鎖時間(HLT)適當大于撞擊定義時間，取200 μs。

3.2 噪音環(huán)境下的定位試驗

本文在橋梁正常運營條件下對橋梁進行了聲發(fā)射源定位試驗，研究中利用四個傳感器(1#、2#、3#、4#)組成一個平面定位組，矩形布置，邊長為900 mm×1100 mm。分別在斷鉛點1、2、3 點處斷鉛。如圖9 所示。參數(shù)設(shè)置如下:檢測門檻為40 dB;定位波速為2 352 m/s;峰值定義時間(PDT)為80 μs;撞擊定義時間(HDT)為160 μs;撞擊閉鎖時間(HLT)為200 μs。

圖10 是軟件得到的定位圖，在定位圖中幾乎看不出斷鉛點的位置，這主要是由于噪音的影響。采集信號時雖然設(shè)置了檢測門檻，可以濾除一部分噪音，但是由圖7 可以看出仍有部分噪音幅值超過40 dB，這些越過門檻的噪音有一部分被系統(tǒng)直接識別為事件，即成為定位圖中散亂的定位點，同時也有一部分噪音與斷鉛信號共同被識別為事件，從而使斷鉛信號無法形成正確的定位點，即斷鉛信號被噪音淹沒了。

圖8 一個撞擊的波形圖Fig.8 Waveform of a hit

圖9 傳感器布置及斷鉛位置圖Fig.9 Sensor placement and lead broken position

圖10 斷鉛定位圖Fig.10 Location map of lead broken

3.3 濾波除噪提高定位精度

為了提高定位效果，需要進一步消除噪音影響，所以要對噪音信號特征進行深入分析，并利用噪音特征來濾除噪音。

3.3.1 聲發(fā)射噪音信號的關(guān)聯(lián)圖分析

為了分析噪音信號特征，從現(xiàn)場采集了環(huán)境噪音信號，圖11 是定位組各通道傳感器采集的環(huán)境噪音信號的能量—平均頻率關(guān)聯(lián)圖。

圖11 環(huán)境噪音的能量—平均頻率關(guān)聯(lián)圖Fig.11 Energy-average frequency correlation graph of ambient noise

圖12 是在噪音條件下進行斷鉛時的定位組各通道傳感器的能量—平均頻率關(guān)聯(lián)圖。

圖12 斷鉛時的能量—平均頻率關(guān)聯(lián)圖Fig.12 Energy-average frequency correlation graph of lead broken

從圖11(a)可以看出(在AE 系統(tǒng)中通過加密網(wǎng)格進行對比):通道1 的噪音信號平均頻率主要集中在35 kHz 以下，超過35 kHz 的信號能量很低，低于5 μJ;而從圖12(a)可以看出:超過35 kHz 的信號中仍有部分較高能量的信號，大于5 個能量單位。因此，從圖11(a)和圖12(a)對比可知:大于35 kHz并且能量大于5 個能量單位的信號里包含斷鉛信號(里面也會有部分噪音信號)，利用聲發(fā)射儀內(nèi)置的數(shù)字濾波功能將通道1 的平均頻率小于35 kHz 以及能量小于5 個能量單位的噪音信號濾除。用同樣方法將通道2、3、4 中的噪音信號分別濾除(此處不再贅述)。

四個通道濾除噪音后重新進行定位，定位圖如圖13 所示?？梢钥闯龆ㄎ稽c已經(jīng)集中在斷鉛點附近。

3.3.2 定位圖的聚類

通過對事件的聚類，可以進一步明確定位點的位置。圖14 是采用軟件的聚類功能做出的定位圖的聚類分析圖，進一步提高了定位精度，聚類中心已經(jīng)在斷鉛點的附近，誤差在50 mm 以內(nèi)。

圖13 經(jīng)過濾波除噪的定位圖Fig.13 The location map after filtering

圖14 定位圖的聚類Fig.14 Clustering of the location map

4 結(jié) 論

本文通過在南寧市北大橋上進行聲發(fā)射定位試驗，獲得了以下主要結(jié)論:

①聲發(fā)射信號在橋梁混凝土中傳播時，幅值衰減先快后慢，衰減規(guī)律符合指數(shù)曲線。波速也呈逐漸下降趨勢，距離信號源1 m 時的平均波速約為2 352 m/s。

②橋梁運營期間的環(huán)境噪音幅值主要集中在35 dB 以下，所以將聲發(fā)射檢測門檻設(shè)為40 dB 即可濾除大部分的環(huán)境噪音，并且基本不影響有用信號的接收。

③箱梁損傷定位時，時間參數(shù)值可取為:PDT 為80 μs，HDT 為160 μs，HLT 為200 μs。

④利用聲發(fā)射進行損傷定位時，采用各通道的參數(shù)關(guān)聯(lián)圖的特征進行濾波除噪，然后用除噪后的信號進行定位，可以達到很好的定位效果。

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