基于聲振法的鋼混組合橋面板脫空識別研究

鄒祺祺，晏班夫

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

土木工程結構中的不同材料或不同階段施工的同類材料結合面黏結性能下降乃至分離，例如隧道襯砌、混凝土路面板、鋼混組合結構及新舊混凝土結合面脫空缺陷等是常見病害。具體到橋梁工程結構，由于施工質量、后期收縮徐變、溫變效應等的影響，服役中的鋼管混凝土拱橋、勁性鋼骨混凝土橋梁、組合結構橋梁、采用鋼殼混凝土的橋塔在其鋼混界面極易存在混凝土不密實、局部剝離、空洞等缺陷，并不同程度影響結構安全承載與耐久。目前常用的界面狀況檢測方法中，傳統的聲振法通過人耳識別最為簡單，常用于隧道襯砌及混凝土路面板脫空的初步評判，顯然受環境干擾及主觀判斷影響較大。通過分析激勵后采集的路面振動聲波信號的聲學特征，即反映路面脫空位置和程度的固有頻率和頻率下降率的組合參數，來識別路面的脫空面積大小和位置，精度大為提高[1?4]；基于瞬態沖擊響應的測試方法，通過對路面瞬態振動信號的頻譜分析獲得路面板脫空狀況信息[5]。快中子散射技術[6]、光纖光柵(FBG)傳感技術[7]、沖擊回波(Impactecho)法[8?9]及壓電陶瓷 PZT 傳感技術[10?11]也有用于鋼混組合結構界面的脫空、脫黏損傷檢測。鋼混組合橋面板、鋼管混凝土等結構由于檢測面及量較大，急需一種操作簡單、能夠快速判別的檢測方法。本文運用小波變換方法對鋼混組合橋面板聲振信號進行分析，根據各區域的時?頻?能量特征來定性識別鋼混界面脫空的程度。通過一座鋼混組合結構試驗橋的聲振試驗驗證了該法的有效性。

1　脫空識別實驗

1.1　 缺陷設置

實驗用鋼混組合橋面板混凝土板厚24 cm，鋼板厚為8 mm。混凝土澆筑前，在鋼板上預先設置了大小不一的泡沫片與橡膠片模擬鋼混界面脫空與脫空區有水或是其它介質浸入的情形(圖 1和圖2)。實驗用泡沫及橡膠片有4種規格，即300 mm×300 mm，200 mm×200 mm，100 mm×100 mm，50 mm×50 mm，泡沫片厚度有1 mm和5 mm 2種，而橡膠片僅設置了 1 mm厚的規格。具體參數見表1。

圖1　缺陷布置Fig. 1　Set-up of the styrene foam block and rubber sheet

1.2　 聲振測試

采用聲振法用鋼球對鋼混橋面板脫空缺陷預埋處進行敲擊，用音頻范圍為20~50 kHz的麥克風采集聲振信號，采樣頻率為25.6 kHz，記錄時間為45 msec。因每次敲擊能量不一，在分析前對采集信號進行正規化處理，輸出電壓幅值限定在0.0~1.0 V以內。

圖2　現場缺陷設置Fig. 2　In-situ set-up of the artificial defects

表1　缺陷設置參數Table1　Set-up of defect parameters

2　脫空識別原理

2.1　脫空識別流程

基于聲振法的鋼混組合橋面板界面脫空識別流程如下：

1) 根據橋面混凝土板厚度、鋼板厚度等已知條件計算沖擊回波共振頻率及四邊嵌固鋼板振動頻率區間，進而確定聲振信號采樣頻率范圍并選定合適的麥克風拾取信號。

2) 采用聲振法用鋼球對鋼混橋面板脫空缺陷處進行敲擊，采集組合橋面板聲振信號。

3) 對聲振時域信號進行小波變換，獲取小波時頻能量譜。

4) 根據聲振信號 B區頻率分布與不同尺寸鋼薄板振動頻率的對應關系、振動能量在A，B及C區的能量分布來確定組合橋面板是否脫空，進而大致判斷脫空區大小。若有大量不同脫空缺陷樣本，可以考慮用神經網絡、支持向量機等分類工具來識別新樣本的缺陷，如圖3所示。

圖3　識別流程Fig. 3　Identifying process

2.2　聲振信號組成與小波分析

鋼混橋面板聲振信號借助鋼球的瞬態錘擊來實現，一般沖擊信號在時域上的脈寬越窄，通過FFT變換后在頻域上的頻帶越寬，也就是瞬態錘擊可以實現寬頻激勵，獲得較多表征結構狀態的響應信息。聲振信號中主要包括以下3部分：1)鋼球與鋼板直接接觸時的金屬碰撞產生的機械振動轉化為聲波及環境噪聲；2)瞬態錘擊鋼混組合橋面板產生縱波(P波)、橫波(S波)及瑞雷波(R波)。在沖擊產生的波能中，瑞雷波占67%，橫波占26%，縱波占7%，縱波傳播到結構內部,被缺陷和構件底面反射回來，并產生瞬態共振，這些反射波(沖擊回波)轉為聲波由麥克風接收；c)若鋼混界面脫空，瞬態錘擊將導致脫空處鋼板振動并以聲振形式由麥克風接收。

由于金屬撞擊聲、環境噪聲、沖擊回波、鋼薄板振動時頻特征不一，傳統的FFT頻譜分析無法表征各信號的時域特性，而小波變換的多分辨度變換，能在多個尺度上分解，便于觀察信號在不同尺度(分辨率)上不同時間的特性[12]。對于信號x(t)∈L2(R)，其連續小波變換定義為內積：

其中：fb為帶寬參數；fc為小波中心頻率；j為虛數符號。參數fb和fc控制小波的形狀，在時域、頻域比傳統的采用固定帶寬fb=2的傳統Morlet小波可調性更好。考慮伸縮因子a的母小波函數的傅里葉變換為：

這樣由快速傅里葉變換 FFT算法求出原始識別信號和母小波函數的傅氏變換，并給出一系列伸縮因子a通過反傅里葉變換即可求得一系列的小波變換系數。注意當 a f=fc時，Ψ(af)取最大值，也就是信號頻率由小波中心頻率 fc和伸縮因子 a確定。

圖4為拾取的聲振信號時頻譜示例，可知信號的時頻信息特征均能通過小波分析較好地表現出來。

圖4　小波時頻譜Fig. 4　Time-frequency spectrum of impact acoustic signal

2.3　沖擊回波

沖擊回波源于彈性縱波在物件內部或外部邊界之間多次反射產生共振，共振頻率為：

其中：αs為被測物體形狀系數，板結構可取為0.96；VP為縱波速度，本次試驗測得混凝土波速約為4 500 m/s；實驗用鋼混組合橋面板混凝土板厚h=24 cm。這樣由式(4)得到的共振頻率 FT≈ 9 kHz 。圖4小波時頻譜上示出在9 kHz左右有振動能量，但不是特別明顯。

2.4　鋼薄板振動

當鋼混界面脫空處鋼板受到瞬態激勵時，鋼薄板作為聲諧振子產生聲音，根據彈性薄板振動理論，鋼板將被激勵出多個振動頻率和振型，假定脫空處鋼板為正方形且邊界條件為四邊固支時，振動頻率為[12]：

其中： D=E h3/12(1 -v2)為板的抗彎剛度，ρ，E，v，h和w分別為材料的密度、彈性模量、泊松比、厚度和寬度；λmn為與模態階數及邊界條件有關的系數，具體見文獻[13]和[14]；fmn為模態頻率。

四邊簡支正方形薄板振動頻率為：

表2表示實驗中對于不同的正方形缺陷設置，脫空處鋼板瞬態激勵后按式(5)得到的聲振頻率。表3表示按式(6)得到的聲振頻率。

本文僅示出f23階以下模態，由表2和表3可以看出，脫空面積越大，鋼薄板振動基頻下降越多，對于300 mm×300 mm規格鋼板，低頻諧振頻率分布較密，當尺寸下降至100 mm×100 mm規格，對于簡支邊界的情形，僅有前兩階頻率在10 kHz分析頻率范圍以內。當脫空尺寸過小(50 mm×50 mm規格)，諧振基頻已經在分析頻率范圍10 kHz以外。也就是根據鋼板諧振頻率在分析范圍內的峰值個數及基頻大小可以大致判斷脫空的有無，由于脫空處鋼板實際邊界條件介于嵌固與簡支之間，而且脫空形態各一(文中僅給出正方形缺陷形式下的頻率計算結果)，從諧振頻率分布特點還較難定量識別出脫空面積。

2.5　 特征抽取

如圖5所示，對聲振信號主要組成部分的分析表明，小波時頻譜可分為3個表征信號內容的區域，即表征混凝土質量、板厚度等信息的沖擊回波高頻共振A區、表征脫空區鋼板自振特征的B區及表征環境噪聲條件及大面積脫空板振動的低頻C區。3區頻率的分布與板的脫空與否密切相關，另一方面，從小波時頻譜圖上還可獲取板的沖擊回波高頻區信號衰減與鋼薄板振動特征信號衰減信息，但以上時域信息反映的是混凝土板的質量及鋼薄板的阻尼信息，對鋼混組合界面的脫空判別意義不大。本文將A，B和C 3區的正規化能量分布Fi作為識別特征，即

表2　四邊嵌固鋼薄板振動頻率Table 2　Vibration frequency (kHz) of the clamped rectangular steel plate with respect to the plate size

表3　四邊簡支鋼薄板振動頻率Table 3　Vibration frequency (kHz) of the simply supported rectangular steel plate with respect to the plate size

其中：(,)Wft為以時頻譜形式表示的小波變換系數；Ei是頻帶Zi(i=A, B, C 3區)的振動能量。

圖5　小波時頻譜特征抽取Fig. 5　Feature extraction of wavelet spectrum of impact acoustic signal

3　識別結果

具體到本次實驗，A區沖擊回波共振頻率在 9 kHz左右，確定A區頻帶為8 kHz到10 kHz，B區鋼薄板振動頻帶確定為1 kHz到8 kHz，表征環境噪聲條件及大面積脫空板振動的低頻C區振動頻帶確定為0 kHz到1 kHz。

圖6　小波時頻譜(泡沫片)Fig. 6　WT-based data analysis results (styrene foam block)

圖6和圖7為4種厚度均為1 mm，但規格不同的預埋泡沫片及橡膠片區域對應的典型聲振信號小波時頻譜，圖8~10為50個測試樣本的分區能量分布，其中包括4個未脫空測試樣本，26個已知缺陷測試樣本(預埋泡沫片或橡膠片，尺寸已知)，20個尺寸未知缺陷測試樣本(預埋泡沫片，有缺陷，但尺寸未知)，可以看出：1) 對于預埋泡沫片模擬鋼混界面脫空的情形，A，B和C 3區聲振頻率及能量分布很直觀地顯示了不同脫空尺寸的鋼板振動特征，比如，300 mm×300 mm規格鋼板P2-8的B區振動頻率峰值較多，典型的有1.32，2.6，3.72，4.35，5.37和7.41 kHz等，這與表2和表3所示的四邊嵌固及簡支正方形鋼薄板振動頻率計算值在B區分布較多是一致的；同樣，200 mm×200 mm規格鋼板對應的1.42，2.51，4.24，5.22，6.62 kHz與表3的計算值0.97，2.43，3.89，4.87 kHz對應較好；當缺陷區尺寸減為100 mm×100 mm規格，四邊嵌固鋼薄板振動計算基頻為3.89 kHz，第2階9.74 kHz已經超出B區分析范圍，與圖6所示同樣規格鋼板P2-8的B區僅分布一4.03 kHz峰值是相符的。當缺陷尺寸減小至50 mm×50 mm規格，由于簡支條件下的計算基頻15.58 kHz已經大大超出分析范圍，這與圖6所示同樣規格鋼板P2-9的B區無峰值分布是完全一致。

2) 如圖7所示，對于預埋橡膠片模擬脫空區有水或是其他介質浸入的情形，由于橡膠片的吸能作用，無論缺陷尺寸如何變化，其B區并無任何峰值存在，鋼板振動能量完全吸收，振動能量主要分布于A和C區。

圖7　小波時頻譜(橡膠片)Fig. 7　WT-based data analysis results (rubber sheet)

3) 如圖8和圖9所示，從聲振信號能量分布的角度來看，對于未脫空處，B區占據25%~40%能量；對于預埋泡沫片的情形，300 mm×300 mm，200 mm×200 mm，100 mm×100 mm 3種規格脫空處能量分布相近，B區鋼薄板振動占據70%~90%能量，而50 mm×50 mm規格脫空處，B區鋼薄板振動占據0%~15%能量，這是由于計算基頻已經超出了分析范圍；而對于預埋橡膠片的情形(模擬脫空區有水或是其它介質浸入)，B區占據0%~10%能量，這是由于鋼薄板振動能量被橡膠片吸收。

4) 對B區鋼薄板振動能量占比設定健康區間，當測試樣本的B區鋼薄板振動能量占比處于健康區間內時，認為該區域未發生脫空；當能量占比高于上限值，可認為該區域發生脫空；當能量占比低于下限值時，可認為該區域脫空區域較小或者被其他介質浸入。

5) 在已知缺陷樣本中，如圖 8所示，泡沫-12號樣本為200 mm×200 mm規格脫空處，其B區能量分布占比為 21%，與預估能量占比 70%~90%有較大出入，因此泡沫-12號樣本識別結果不可信，同理，泡沫-17號樣本識別結果不可信；如圖9所示，在橡膠片樣本識別結果中，橡膠-8號樣本識別結果不可信。

圖8　識別結果(泡沫片)Fig. 8　Identification results (styrene foam block)

圖9　識別結果(橡膠片)Fig. 9　Identification results (rubber sheet)

6) 圖10為尺寸未知缺陷樣本(預埋泡沫片，有缺陷，但尺寸未知)的 3區能量占比。未知-9，11和19號測試樣本的B區能量占比處于健康區間內，識別結果為未脫空，與實際不符，不可信。

7) 由于聲振信號的收集過程中容易受到環境因素的干擾，因此基于聲振法的脫空識別需要考慮識別成功率。表4給出了本實驗中根據50個實測樣本得到的識別率，可以看出，識別率在85%以上，有潛力應用于實際工程。

圖10　識別結果(待識別樣本)Fig. 10　Identification results (samples)

表4　識別結果Table 4　Identification results

4　結論

1) 聲振法作為一種簡單有效的現場無損測試方法，可用于鋼混組合橋面板脫空缺陷的檢測，其工作原理是通過瞬態錘擊組合橋面板實現寬頻激勵，獲得較多表征結構狀態的響應信息，鋼混界面出現脫空時，聲振信號的諧振頻率分布及振動能量分布發生明顯變化，據此可以定性判斷脫空是否發生，并大致判斷脫空區范圍。

2) 本文運用小波變換方法對鋼混組合橋面板聲振信號進行分析，將小波時頻譜分為3個表征信號內容的區域，即表征混凝土質量的沖擊回波高頻共振A區、表征脫空區鋼板自振特征的B區及表征環境噪聲的低頻C區，根據各區域的時?頻?能量特征設定B區能量占比健康區間，可以定性識別鋼混界面脫空。

3) 在一座鋼混組合結構試驗橋施工時預埋了大小不一的泡沫與橡膠片模擬鋼混界面的脫空與脫空區有水或是其它介質浸入的情形，聲振測試試驗驗證了該法的有效性，聲振測試的識別率在85%以上，有潛力應用于實際工程。

4) 對于低頻 C區下一步研究可采用小波分析等工具進行更精細分析，提取表征脫空區有水或是其他介質浸入時的特征信息。

參考文獻：

[1] 薛忠軍, 王佳妮, 張肖寧. 基于Fisher函數的水泥路面板底脫空判別方法[J]. 振動與沖擊, 2013, 32(17): 171?176.XUE Zhongjun, WANG Jiani, ZHANG Xiaoning.Discrimination method for cement road slab void based on fisher function[J]. Journal of Vibration and Shock,2013, 32(17): 171?176.

[2] ZHANG G, Harichandran R S, Ramuhalli P. Automatic delamination detection of concrete bridge decks using impact signals[J]. Journal of Bridge Engineering, 2012,17(6): 951?954.

[3] ZHANG G, Harichandran R S, Ramuhalli P. An automatic impact-based delamination detection system for concrete bridge decks[J]. Ndt & E International, 2012, 45(1):120?127.

[4] 王楠. 聲振法檢測混凝土路面脫空的信號處理方法研究[D]. 西安: 長安大學, 2012.WANG Nan. Acoustic vibration of concrete pavement void detection signal processing method[D]. Xi’an:Chang’an University, 2012.

[5] 王騎, 韓西, 易志堅. 混凝土路面板下脫空識別的瞬態沖擊響應法研究[J]. 公路交通科技, 2010, 27(11):26?32.WANG Qi, HAN Xi, YI Zhijian. Study on identification of cavity area under concrete pavement using transient impulse-response method[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2010, 27(11):26?32.

[6] 易瑞吉. 鋼板與澆注砼結合面脫空缺陷中子無損探測及結果數字顯像方法研究[D]. 南京: 南京水利科學研究院, 2007.YI Ruiji. Study on non-destructive testing and digitization image-display method using fast neutron for cavity defects in interfaces between steel plate and pour concrete[D]. Nanjing: Nanjing Hydraulic Research Institute, 2007.

[7] 劉宏月. 光纖光柵傳感器在結構健康監測中的應用研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2012.LIU Hongyue. Research on the health monitoring of material structure using fiber grating[D]. Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2012.

[8] Yehia S, Abudayyeh O, Nabulsi S, et al. Detection of common defects in concrete bridge decks using nondestructive evaluation techniques[J]. Journal of Bridge Engineering, 2007, 12(2): 215?225.

[9] Watanabe T, Morita T, Hashimoto C, et al. Detecting voids in reinforced concrete slab by SIBIE[J].Construction & Building Materials, 2004, 18(3): 225?231.

[10] 許斌, 李冰, 宋剛兵, 等. 基于壓電陶瓷的鋼管混凝土柱剝離損傷識別研究[J]. 土木工程學報, 2012, 45(7):86?96.XU Bin, LI Bing, SONG Gangbing, et al. Detection of the debonding defect of concrete-filled steel tubes with piezoceramics[J]. China Civil Engineering Journal, 2012,45(7): 86?96.

[11] 許斌, 陳夢琦. 基于壓電阻抗的鋼管砼柱橫隔板剝離缺陷檢測[J]. 壓電與聲光, 2015, 37(1): 172?175.XU Bin, CHEN Mengqi. Interface debonding of diaphragm for large-scale irregular CFST column based on electro-mechanical impedance ofPZT[J].Piezoelectrics & Acoustooptics, 2015, 37(1): 172?175.

[12] QIAN Shie. Introduction to time-frequency and wavelet transforms[M]. China Machine Press, 2005.

[13] 曹志遠. 板殼振動理論[M]. 北京: 中國鐵道出版社,1989.CAO Zhiyuan. Vibration theory of plates and shells[M].Beijing: China Railway Publishing House, 1989.

[14] 鐘陽, 張永山. 四邊固支彈性矩形薄板的自由振動[J].動力學與控制學報, 2005, 3(2): 66?70.ZHONG Yang, ZHANG Yongshan. Free vibration of rectangular thin plate with completed clamped supported[J]. Journal of Dynamics and Control, 2005,3(2): 66?70.