■翁 林

（福建省交設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州 350000）

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代交通工程中廣泛應(yīng)用，一般分為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力兩種結(jié)構(gòu)體系， 其中體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用更為廣泛。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉完畢后，需要在預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)注漿，排凈孔道內(nèi)的水和空氣，預(yù)防預(yù)應(yīng)力鋼絞線腐蝕；同時(shí)注漿后的預(yù)應(yīng)力孔道與周?chē)炷列纬梢粋€(gè)整體，應(yīng)力分布更均勻，避免鋼絞線發(fā)生松弛現(xiàn)象。 為此，孔道注漿質(zhì)量尤為重要，必須保證漿料“充盈”“飽滿”和“密實(shí)”[1]。 為了確保預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量，必須對(duì)孔道注漿密實(shí)度及缺陷定位進(jìn)行檢測(cè)。 常用的孔道注漿密實(shí)度及缺陷定位檢測(cè)方法有沖擊回波法、超聲波法和探地雷達(dá)法[3]。 其中，沖擊回波法在可行性和檢測(cè)效果方面應(yīng)用最為廣泛。然而，沖擊回波法仍然存在一些問(wèn)題，如頻譜信號(hào)穩(wěn)定性受梁體結(jié)構(gòu)及其他外界因素的影響較大，信號(hào)特征有時(shí)不明顯等[4]。 為了優(yōu)化沖擊回波法在孔道注漿密實(shí)度檢測(cè)中的應(yīng)用，本文將對(duì)沖擊回波法在孔道注漿密實(shí)度檢測(cè)中存在的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析研究，并提取相應(yīng)的改進(jìn)方法進(jìn)行優(yōu)化，以提高檢測(cè)效果和準(zhǔn)確性。

1 沖擊回波法技術(shù)概述

沖擊回波法是一種常用的孔道注漿缺陷定位檢測(cè)方法。 它通過(guò)在預(yù)應(yīng)力孔道中施加沖擊并監(jiān)測(cè)由此產(chǎn)生的回波信號(hào)，以此來(lái)確定孔道中的缺陷位置和大小[1]。

1.1 沖擊回波法檢測(cè)原理

沖擊回波法在預(yù)應(yīng)力孔道注漿缺陷定位檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用的原因如下：（1）檢測(cè)精度高，檢測(cè)精度能到厘米；（2）受鋼筋影響小，彈性波信號(hào)對(duì)鋼筋鈍感；（3）對(duì)混凝土中缺陷敏感，混凝土材質(zhì)同不良區(qū)域材質(zhì)波阻抗差異大[4]。

沖擊回波法原理如圖1 所示，通過(guò)在被測(cè)結(jié)構(gòu)表面敲擊產(chǎn)生瞬態(tài)的彈性波，彈性波會(huì)在結(jié)構(gòu)體內(nèi)傳播，當(dāng)遇見(jiàn)波阻抗變化的材質(zhì)（缺陷、底面）時(shí)，彈性波會(huì)被反射，當(dāng)反射波到達(dá)測(cè)試面后，又會(huì)再次反射在構(gòu)件中進(jìn)行傳播，形成沖擊回波，該回波信號(hào)會(huì)被加速度傳感器所接收。 傳感器接收波形圖如圖2 所示。 通過(guò)對(duì)波形圖進(jìn)行頻譜分析，提取其信號(hào)卓越頻率f， 結(jié)合波速v 即可對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)或缺陷深度h 進(jìn)行計(jì)算。 計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

圖1 沖擊回波法原理

圖2 傳感器接收波形圖

沖擊回波法可以判斷的孔道注漿的缺陷類(lèi)型有壓漿密實(shí)、壓漿有缺陷、未壓漿等，具體如圖3 所示。

圖3 孔道注漿缺陷檢測(cè)類(lèi)型

1.2 沖擊回波法適用性分析

沖擊回波法主要分析的信號(hào)成分為縱波，縱波在半無(wú)限大介質(zhì)中以球面波形式擴(kuò)散，能量衰減較大，因此沖擊回波法更適用于板式混凝土結(jié)構(gòu)，并且在孔道注漿密實(shí)度的檢測(cè)中只能對(duì)單排孔道進(jìn)行檢測(cè)[5]。

沖擊回波法的缺陷識(shí)別分辨率取決于缺陷的徑深比（≥0.3），而且通常適用于板厚在80 cm 以內(nèi)的單排孔道注漿檢測(cè)[5]。 因此，實(shí)際檢測(cè)中，需要考慮被測(cè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和要求，并綜合使用其他適用的方法來(lái)提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1.3 頻譜泄漏問(wèn)題分析

沖擊回波法在數(shù)據(jù)處理中將信號(hào)視為周期性的回波信號(hào)，但實(shí)際上信號(hào)的開(kāi)始同信號(hào)結(jié)尾存在不連續(xù)性。 當(dāng)使用FFT（快速傅里葉變換）進(jìn)行頻譜分析時(shí)，其假設(shè)信號(hào)是周期性的，同實(shí)際沖擊回波信號(hào)的不連續(xù)性特征相悖，因此會(huì)導(dǎo)致額外的頻率出現(xiàn)，這被稱為泄露現(xiàn)象[6]。 這種泄露會(huì)對(duì)真實(shí)頻率造成干擾，從而影響信號(hào)的頻譜分析結(jié)果。 這一現(xiàn)象可以在同一測(cè)點(diǎn)上不同采樣時(shí)窗的信號(hào)對(duì)比中得到印證。采樣時(shí)窗更長(zhǎng)的信號(hào)尾部更為平滑（圖4（b）），同起始信號(hào)大小更為趨近，對(duì)2 種采樣時(shí)窗信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖5 所示。圖5（b）中，頻譜更為集中，主頻信號(hào)更突出。 雖仍存在頻譜干擾信號(hào)，但不難看出信號(hào)首尾的銜接程度會(huì)對(duì)頻譜集中性造成直接的影響。 為了更好地解決頻譜泄露問(wèn)題，本研究采用加窗法對(duì)沖擊回波信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 沖擊回波信號(hào)分析

圖5 沖擊回波頻譜分析

2 基于加窗法的沖擊回波法信號(hào)改進(jìn)技術(shù)

信號(hào)窗函數(shù)是一種在信號(hào)處理中常用的函數(shù)，用于截?cái)嗷蚣訖?quán)原始信號(hào)，窗函數(shù)在特定的時(shí)間窗口內(nèi)非零，窗口外則為零，通過(guò)將其同原始信號(hào)進(jìn)行逐點(diǎn)相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)截?cái)嗉凹訖?quán)操作，從而改變信號(hào)特性，減小信號(hào)的邊緣效應(yīng)和泄露現(xiàn)象。窗函數(shù)在頻譜分析中通常與傅里葉變換一起使用。因此，本項(xiàng)目引入加窗法對(duì)沖擊回波法的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2.1 加窗函數(shù)對(duì)比試驗(yàn)

常見(jiàn)的信號(hào)窗函數(shù)包括漢寧、漢明、矩形窗等。每種窗函數(shù)都有其獨(dú)特的數(shù)學(xué)形式和特性，選擇合適的窗函數(shù)取決于信號(hào)處理目標(biāo)及對(duì)頻率分辨率和頻譜泄漏的要求。 結(jié)合沖擊回波法的技術(shù)特性，采用不同類(lèi)型窗對(duì)沖擊回波法數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)比其效果。 3 種常用的窗函數(shù)圖如圖6 所示。

圖6 3 種常用的窗函數(shù)圖

漢明窗函數(shù)式[6]如下：

式 （2） 中：n 為當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)位置；N 為采樣點(diǎn)數(shù)；a0為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值（漢明窗函數(shù)取值0.538）。 當(dāng)a0=0.5 時(shí)，該函數(shù)為漢寧窗函數(shù)。 矩形窗函數(shù)[6]公式如式（3）所示：

分別采用3 種窗函數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)沖擊回波數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理，F(xiàn)FT 分析得到其頻譜圖，如圖7 所示。由圖7 可知，漢明窗頻譜圖主頻信號(hào)最為集中、穩(wěn)定，因此本文采用漢明窗對(duì)沖擊回波法數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理。

圖7 各類(lèi)窗函數(shù)頻譜圖

2.2 加窗范圍的確定

應(yīng)用窗函數(shù)時(shí)，要考慮窗口長(zhǎng)度，正確設(shè)置加窗范圍可以提高信號(hào)處理的效果和準(zhǔn)確性。 采用沖擊回波法檢測(cè)孔道注漿密實(shí)度時(shí)，通常采樣時(shí)窗為8.192 ms，為了對(duì)信號(hào)加窗范圍進(jìn)行確定，采用小波時(shí)頻法對(duì)沖擊回波信號(hào)進(jìn)行分析（圖8），以確認(rèn)有效信號(hào)范圍。

圖8 沖擊回波信號(hào)小波時(shí)頻圖

從時(shí)頻圖（圖8）中可知，沖擊回波信號(hào)的有效范圍約為0.5～5 ms 區(qū)間。 對(duì)加窗范圍0～8.192 ms及加窗范圍0.5～5 ms 的2 種參數(shù)采用同一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，可得到圖9?？芍?，加窗范圍0.5～5 ms 時(shí)明顯效果更佳。

圖9 加窗范圍對(duì)比數(shù)列頻譜圖

綜上所述，沖擊回波法中加窗函數(shù)類(lèi)型確定為漢明窗，加窗范圍宜為0.5～5 ms。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)試塊數(shù)據(jù)加窗試驗(yàn)

采用沖擊回波法對(duì)砼標(biāo)準(zhǔn)試塊（15 cm×15 cm×15 cm）進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗前后頻譜分析對(duì)比。 標(biāo)準(zhǔn)試塊如圖10 所示，試塊數(shù)據(jù)加窗前后頻譜對(duì)比如圖11 所示。

圖10 混凝土試塊（C30）

圖11 試塊數(shù)據(jù)加窗前后頻譜對(duì)比

由圖11 可知，加窗后，試塊底部反射位置對(duì)應(yīng)的頻譜更加尖銳，頻譜泄露狀況能得到明顯提升。

3 模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證加窗法在孔道注漿缺陷定位檢測(cè)中的應(yīng)用效果，分別在模型及現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 模型試驗(yàn)

模型梁腹板厚0.7 m，長(zhǎng)8 m，采用D30 錘，采樣時(shí)窗8.192 ms，前期標(biāo)定得到混凝土波速為4.1 km/s。圖12 為測(cè)試數(shù)據(jù)未加窗分析的頻譜圖， 可見(jiàn)底部反射信號(hào)附近的干擾信號(hào)較多。 對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行漢明窗加窗處理，得到結(jié)果如圖13 所示。 結(jié)構(gòu)底部反射信號(hào)連續(xù)性、穩(wěn)定性得到顯著增強(qiáng)。

圖12 未加窗信號(hào)頻譜圖

圖13 加窗后信號(hào)頻譜圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

3.2.1 小箱梁現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

某梁場(chǎng)內(nèi)預(yù)制箱梁長(zhǎng)20 m，梁底寬1 m，梁高1.3 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C50，注漿齡期為45 d，滿足檢測(cè)要求。預(yù)制箱梁現(xiàn)場(chǎng)如圖14 所示。采用沖擊回波法對(duì)其孔道注漿密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)。 該梁腹板厚度為20～28 cm 漸變，測(cè)點(diǎn)間距為10 cm，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析對(duì)比。 未加窗及加窗后頻譜圖分別如圖15 所示。

圖14 某梁場(chǎng)預(yù)制箱梁

圖15 N1 孔道頻譜等值線圖

結(jié)果顯示，加窗前，信號(hào)頻譜圖中存在較多干擾信號(hào)，同時(shí)測(cè)線0～0.4 m 位置的缺陷信號(hào)特征不明顯；加窗后，信號(hào)明顯更為集中、干凈，0～0.4 m 缺陷的信號(hào)延后特征變得更為明顯。 后經(jīng)開(kāi)孔驗(yàn)證，該孔道距端頭位置0.4 m 內(nèi)存在注漿缺陷， 驗(yàn)證情況同檢測(cè)結(jié)果一致。

3.2.2 T 型梁現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

某梁場(chǎng)內(nèi)預(yù)制T 梁全長(zhǎng)約30 m， 梁高1.8 m，腹板厚度30～40 cm 漸變，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C50，注漿齡期為42 d，滿足檢測(cè)要求。 預(yù)制T 梁現(xiàn)場(chǎng)如圖16 所示。 采用沖擊回波法對(duì)該預(yù)制T 梁孔道注漿密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)。 該梁腹板厚度為30～40 cm 漸變，測(cè)點(diǎn)間距為10 cm，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析對(duì)比。 未加窗結(jié)果及加窗后頻譜圖分別如圖17 所示。

圖16 預(yù)制T 梁

圖17 N3 孔道頻譜等值線圖

由圖17 可知，未加窗時(shí)，頻譜信號(hào)集中度、連續(xù)性差，顯示為大面積的信號(hào)滯后，同實(shí)際驗(yàn)證情況存在偏差。 加窗后，頻譜信號(hào)更為集中連續(xù)，顯示為端頭0～1.3 m 信號(hào)滯后，同實(shí)際驗(yàn)證情況相符。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)模型試驗(yàn)分析及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，表明沖擊回波法能夠有效地對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道注漿缺陷進(jìn)行定位檢測(cè)，同時(shí)基于加窗法的改進(jìn)算法能有效提升沖擊回波法的檢測(cè)效果，能夠讓信號(hào)頻譜圖更為集中、穩(wěn)定性更強(qiáng)的同時(shí)增強(qiáng)缺陷信號(hào)特征從而減少誤判。 本文創(chuàng)新性地提出在孔道注漿密實(shí)度缺陷定位檢測(cè)（沖擊回波法）信號(hào)分析中引入加窗法，有明顯的效果及應(yīng)用前景，能為實(shí)際工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)分析提供新思路。