沖擊回波聲頻法在橋梁孔道壓漿密實度檢測中的應用研究

邢厚俊 葛寧 賈其松 鄧立 馬永強 吳佳曄，4 馮源

1.中國國家鐵路集團有限公司工程質量監督管理局，北京100844；2.哈爾濱鐵道職業技術學院，哈爾濱150060；3.四川升拓檢測技術股份有限公司，四川自貢643000；4.西南石油大學，成都610500

沖擊回波聲頻（Impact Acoustic Echo，IAE）法是一種用拾音器代替拾振傳感器拾取被測物體的振動信號，并進行頻譜分析的檢測方法。IAE法在鐵路隧道襯砌檢測［1-2］、CRTSⅢ型板式無砟軌道脫空檢測中得到了較好的應用。

為了研究IAE法在橋梁預應力孔道壓漿密實度檢測中的適用性和測試精度，本文首先對現行預應力孔道壓漿密實度無損檢測方法的優缺點進行分析，比較IAE法與沖擊回波（Impact Echo，IE）法的異同，然后通過模型試驗和現場試驗對比IAE法與IE法的測試效率和精度。

1 現行孔道壓漿密實度檢測方法概述

1.1 現行無損檢測方法的優缺點

按檢測所采用的媒介來劃分，預應力孔道壓漿密實度無損檢測方法可分為基于電磁波的檢測方法（地質雷達法）、基于放射線（X光、伽馬射線）的檢測方法、基于超聲波的檢測方法（陣列式超聲波脈沖回波法）和基于彈性波的檢測方法（IE法）［3-8］。各方法采用的物理媒介不同，其檢測效果也存在差異。

由于受金屬屏蔽，地質雷達法不適合用于鐵皮波紋管和鋼筋密集區，尤其是鋼筋密集、壓漿又容易出現缺陷的梁端部位。基于放射線的檢測方法盡管檢測精度高、直觀性強，但由于具有放射性、檢測成本高，在國內應用很少。陣列式超聲波脈沖回波法（Ultrasonic Pulse-Echo，UP-E）理論上也可以檢測壓漿缺陷，但同樣受鋼筋干擾大，實際應用很少。IE法以沖擊彈性波為媒介，因其測試方便、適用范圍廣、精度較高，在橋梁預應力孔道壓漿密實度檢測中逐漸成為主要方法。

1.2 IE法存在的問題

IE法需在靜止條件且傳感器與被測物體表面接觸后才能檢測，從而大大降低了測試效率，且無法連續測試。傳感器的固定方法（壓著式、緊固式、黏結式）和固定狀態對測試結果影響大。采集信號的加速度傳感器需要耦合在被測物體的表面。由于傳感系統本身的共振特性，接觸狀態不良或傳感器固定方式的差異都有可能引起測試誤差，從而導致誤判。為提高測試效率，實際檢測中常采用壓著式固定，但用力過大或者傳感器與測試物體表面接觸不良時，傳感系統的共振頻率會降低，測試結果會受到嚴重影響。

為了解決上述問題，學者們做了大量改進工作，但IE法的固有問題未得到根本解決，對較厚梁體的孔道壓漿密實度測試難度依然較大。JGJ/T 411—2017《沖擊回波法檢測混凝土缺陷技術規程》中指出沖擊回波法適用于檢測厚度為20～60 cm的薄板，然而鐵路橋梁大部分預應力混凝土梁的梁板厚度超過60 cm。

2 IAE法

2.1 IAE法信號采集原理

IAE法的優點在于非接觸式拾取被測物體表面的振動信號，進而避免由于接觸帶來的一系列問題。非接觸式拾振設備中，最具代表性的激光多普勒測振儀成本高且體積龐大，在實際工程檢測中難以普及，因此以拾音器為傳感器的IAE法日益受到關注。

拾音器采集的是空氣振動信號。對被測物體激振后，物體表面的振動會壓縮（拉伸）附近空氣并誘發空氣振動，產生聲音信號。它能反映測試點混凝土的振動特性［1］，通過廣頻域、高指向拾音器拾取。

2.2 IAE法與IE法的對比

IE法所用的加速度傳感器與IAE法拾音器所采集的信號及采集方式有一定的差異。具體體現在：

1）物理量不同

被測物體振動體現在質點的位移、速度和加速度。而拾音器無論是動圈式還是電容式，得到的物理量均為空氣壓強差。以一維x方向為例，氣體的運動方程為

式中：ρ0為空氣初始靜止時的密度；t為空氣振動過程中某一時刻；P′(x，t)、v(x，t)分別為空氣壓強差和空氣流速。

由式（1）可見，空氣壓強差對位移的微分與其速度對時間的微分（即加速度）呈線性關系。因此，可差分處理計算空氣柱的加速度。當拾音器與被測物體足夠近時，考慮到空氣質點與物體表面同步運動，可近似地認為空氣的加速度與物體表面的加速度一致。

2）測試區域不同

采用加速度傳感器、激光測振儀測試的只是被測物體上某一點，其他部位的振動狀況并不會反映在測試信號中。由于空氣具有流動性，拾音器采集的信號范圍要大得多。為了使其適用于IE法檢測，需要對拾音器進行隔音設計。

3）傳感器頻率范圍不同

加速度傳感器的共振頻率會隨傳感器與被測物體的耦合狀況發生變化，進而帶來測試誤差。拾音器則不存在明顯的共振頻率，信號采集的穩定性更好，受被測物體表面狀態的影響小。這也使得IAE法測試效率較IE法有所提高。

值得注意的是，空氣層對原始振動信號中的微弱成分有削弱作用，因此IAE法信號靈敏度會低于IE法。這就要求在分析方法的選擇上應更加注意。

3 模型試驗和現場驗證

為驗證IAE法在預應力孔道壓漿密實度檢測中的可行性，分別進行了模型試驗和現場試驗。

3.1 模型試驗

混凝土模型梁厚度從20 cm漸變到40 cm，孔道居中，塑料波紋管直徑10 cm，灌漿密實無缺陷。分別采用IE法與IAE法進行檢測。測試數據的頻譜等值線見圖1。可見：IE法梁底反射信號離散，而IAE法梁底反射信號集中且連續，信號變化趨勢同梁實際厚度相符。

圖1 模型梁頻譜等值線

3.2 現場驗證

3.2.1 厚度漸變T梁

對一梁場厚度漸變T梁進行檢測，距梁端0～0.8 m厚度70 cm，距梁端0.8～4.0 m厚度從70 cm漸變到35 cm。分別采用IAE法和IE法沿同一測線進行檢測，結果見圖2。可見：IE法頻譜等值線在梁厚度超過0.5 m時變得雜亂，難以進行準確判斷，而IAE法頻譜等值線在梁體漸變段信號非常清晰、連續，并在測線0～0.7 m存在頻譜信號提前、滯后現象，此為典型缺陷信號特征。經開孔驗證，該處孔道壓漿不密實。

圖2 厚度漸變T梁頻譜等值線

3.2.2 厚75 cm現澆梁

采用IAE法對一橋梁中厚75 cm現澆梁W03Y—W06Y四個孔道壓漿密實度進行了檢測。孔道W03Y、W06Y檢測結果見圖3。可見：存在反射信號明顯滯后現象，將其判定為壓漿缺陷。經開孔驗證該處有空洞。

圖3 厚75 cm現澆梁孔道IAE頻譜等值線

3.2.3 厚度小于0.25 m箱梁

采用IAE法分別對預制梁場厚度小于0.25 m的箱梁上壓漿密實孔道進行檢測，結果見圖4。可見，頻譜信號出現明顯雙頻現象，無法對梁體厚度及壓漿密實情況進行分析。原因主要為IAE法信號與IE法信號均由激振錘敲擊產生，梁板較薄時敲擊易引起梁體彎曲振動，該振動信號也會被拾音器所采集，從而對有效信號造成干擾。為解決這一問題，引入經驗模態分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）法［9］進行濾波分析。

圖4 厚度小于25 cm箱梁孔道IAE頻譜等值線

4 基于EMD的濾波算法

EMD法將采集的數據分解為各階分量數據，即本征模態函數（Intrinsic Mode Function，IMF）分量。為了將IAE法采集的數據中存在的梁板彎曲振動信號濾除，采用基于EMD的濾波算法進行處理。步驟如下：①對IAE數據進行EMD分解，提取各階IMF分量；②對IAE數據和各階IMF分量的相關性進行分析；③刪除相關系數小于0.2的IMF分量后重構信號；④對重構的IAE數據進行頻譜分析。

采用EMD法對3.2.3節所采集的數據進行分解，計算IAE數據與各階IMF分量的相關性r，結果如圖5所示。

圖5 EMD分解圖

刪除相關系數小于0.2的IMF1—IMF3階數據，進行數據重構，對重構后的數據進行頻譜分析得到頻譜等值線，見圖6。薄板數據經過濾波處理后反射信號位置與梁體設計厚度線相符，雙頻現象消失，可判斷該孔道壓漿無缺陷，證實基于EMD的濾波算法可有效濾除IAE數據中存在的薄板彎曲振動信號。

圖6 厚度小于25 cm箱梁IAE數據經EMD濾波后頻譜等值線

5 結語

經理論分析及試驗驗證，IAE法能對橋梁孔道壓漿密實度進行有效測試。基于EMD法的濾波算法能有效濾除IAE法測試薄板結構（厚度小于25 cm）時產生的彎曲振動信號。IAE法在測試效率、測試穩定性、適用范圍（厚度）等方面均比IE法顯著提高，為鐵路預應力混凝土橋梁孔道壓漿密實度檢測提供了新的無損檢測方法。

IAE法盡管提出時間不長，但已在隧道襯砌的厚度和缺陷、無砟軌道脫空、預應力孔道壓漿密實度檢測等方面體現出了優越性。經過不斷試驗、改進和應用，IAE法會進一步得到完善和發展。