丁 樂

（湖南城市學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖南益陽 413000）

ITECS技術(shù)在檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)的信號(hào)分析

丁 樂

（湖南城市學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖南益陽 413000）

ITECS（Integrity test equipment for concrete structures）是一種多功能混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)系統(tǒng)，該儀器內(nèi)置有彈性波信號(hào)的分析軟件，通過分析信號(hào)的特征可以計(jì)算結(jié)構(gòu)體厚度，推算混凝土的抗壓強(qiáng)度、裂縫深度，探測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部空洞和注漿飽滿度和密實(shí)度。本文通過對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)實(shí)例來研究對(duì)應(yīng)的信號(hào)規(guī)律。結(jié)果表明，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析后，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)空洞情況時(shí)，峰值頻率延后出現(xiàn)，數(shù)值增大；結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)離析時(shí)，情況相反。

ITECS;無損檢測(cè);混凝土;傅里葉變換;頻譜分析

1 引言

ITECS是一種利用沖擊彈性波的多功能混凝土結(jié)構(gòu)非破損檢測(cè)新技術(shù)。它基于美國的M.Sansalone博士等于1984年提出的沖擊回波法，其原理是在混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生沖擊荷載，一般使用鋼球敲擊，在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生波動(dòng)并傳播，利用敲擊點(diǎn)附近的接收傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)的波動(dòng)。彈性波每次到達(dá)測(cè)試結(jié)構(gòu)的表面都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)典型的振動(dòng)速度，采集到速度波形后，將時(shí)域信號(hào)，即速度-時(shí)間的曲線轉(zhuǎn)換成振幅-頻率曲線表示的頻域信號(hào)，分析波形的分布規(guī)律，可以研究結(jié)構(gòu)內(nèi)部的異常狀況。

2 檢測(cè)結(jié)構(gòu)厚度和內(nèi)部缺陷時(shí)的信號(hào)規(guī)律研究

用敲錘輕輕敲擊混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生彈性波，在測(cè)定面和與測(cè)定面平行的反射面之間彈性波產(chǎn)生多重反射，反射過程中出現(xiàn)波長為混凝土結(jié)構(gòu)厚度 2倍的駐波。通過分析駐波的頻率將波長的一半作為混凝土結(jié)構(gòu)的“厚度”T。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

式中：CP--彈性波傳播速度;

f--振幅譜中與振幅峰值相對(duì)應(yīng)的頻率；

結(jié)構(gòu)內(nèi)有空洞的情況下,彈性波被空洞界面反射，反射時(shí)間縮短,反映在ITECS 所測(cè)定的結(jié)構(gòu)厚度會(huì)變薄,如圖 2(b)所示.當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)存在離析等缺陷時(shí),彈性波傳播速度會(huì)降低、反射時(shí)間變長, 其結(jié)果是ITECS 所測(cè)定的結(jié)構(gòu)厚度會(huì)超過實(shí)際厚度, 見圖 2(c).

圖2 混凝土內(nèi)部的狀況與彈性波傳播模式

3 檢測(cè)實(shí)例及信號(hào)分析

三小營南橋(圖3)是位于廊坊市安次區(qū)的萬莊鎮(zhèn)，該橋與上世紀(jì)的 90年代修建，橋梁結(jié)構(gòu)形式為T梁，其翼板寬為1.6m，梁肋高為0.4 m ,寬為 0.4 m ,該T梁表面有多處出現(xiàn)蜂窩麻面的狀況, 利用 ITECS檢測(cè)技術(shù)，對(duì)其完好處及麻表面缺陷處進(jìn)行厚度測(cè)定.

由式（1）可知，計(jì)算構(gòu)件厚度T值前，要提前設(shè)定好彈性波的速度CP，肋梁的厚度已知，在此處測(cè)定時(shí)，將儀器的測(cè)定模式設(shè)為彈性波測(cè)定，輸入構(gòu)件厚度值40cm。在彈性波速度測(cè)定線上，將儀器的傳感接收器置于側(cè)線的最左上角，在測(cè)線中點(diǎn)敲擊，記錄波形，測(cè)量兩組數(shù)據(jù)。將接收點(diǎn)和敲擊點(diǎn)均向右下偏移30cm，重復(fù)測(cè)定，同樣記錄2組數(shù)據(jù)。取4組數(shù)據(jù)的均值為該T梁的彈性波的傳播速度的代表值。通過反算，可以求出彈性波的傳播速度，為3500m/s.

圖3 三小營橋全貌

圖4 T梁測(cè)試示意圖

厚度測(cè)定方法：取麻面嚴(yán)重的T梁表面區(qū)域，以20cm為間距設(shè)置如圖示的矩陣點(diǎn)狀集合，將測(cè)定模式設(shè)置為厚度設(shè)定，彈性波的速度設(shè)定為3500m/s.，將傳感器置于2點(diǎn)位置，分別在1，5兩點(diǎn)位置進(jìn)行敲擊，記錄兩組波形數(shù)據(jù)。將傳感器置于5和8的位置，重復(fù)上述操作，記錄數(shù)據(jù)，并并行傅里葉變換，計(jì)算T梁測(cè)試厚度。

表一 厚度測(cè)定結(jié)果 數(shù)據(jù)分析：

（1）在測(cè)試區(qū)域上部側(cè)線123位置，肉眼可以觀察到有表面蜂窩麻面的狀況，彈性波延時(shí)傳播，峰值頻率相對(duì)下兩條側(cè)線的數(shù)值減小，推算的T梁的梁肋厚度多出2cm，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況一致。

（2）在測(cè)試區(qū)域的左下角位置，出現(xiàn)了峰值頻率加大的情況，換算厚度減小，根據(jù)與橋梁的設(shè)計(jì)圖紙的對(duì)比，該部位靠近加筋位置，可能存在破損空洞，導(dǎo)致彈性波提前反射，通過類似的檢測(cè)方面，可以在疑似缺損位置，多次檢測(cè)，多組數(shù)據(jù)分析，來確定空洞的大概位置，為加固和修復(fù)提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

ITECS技術(shù)作為近年來新發(fā)展起來的無損檢測(cè)技術(shù)，還有很多對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響的因素需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。檢測(cè)過程中，傳感器與敲擊點(diǎn)的距離，敲擊力度大小和激發(fā)源的作用時(shí)間等因素都對(duì)傳感器接收到的波形產(chǎn)生重要影響，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過程中，頻譜分析的方法也有多種，要根據(jù)測(cè)試所需精度和噪聲干擾情況選取傅里葉變換或最大熵譜等分析方法對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行綜合評(píng)判?；炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷情況非常復(fù)雜，在現(xiàn)階段的測(cè)試研究過程中，需要測(cè)量多個(gè)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行對(duì)比分析，才能大致確定出現(xiàn)缺陷的區(qū)域范圍.

[1]丁樂.ITECS檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)混凝土圓柱結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[D].北京交通大學(xué),2012

[2]聶文龍等，利用ITECS檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部的缺陷[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2013,37(4):148-152；

[3]聶文龍 ITECS檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷的[D].北京交通大學(xué), 2012

[4]邵偉躍等.ITECS技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)厚度檢測(cè)中的結(jié)果分析[J]交通建設(shè)與管理，2012.9:35-37

[5]魏來.基于ITECS技術(shù)測(cè)定混凝土的裂縫深度[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 37(4):143-147；

TU528

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1007-6344（2016）07-0261-01

丁樂（1987-），男，碩士，湖南桃江人，湖南城市學(xué)院講師，研究方向?yàn)榈缆饭こ獭?/p>