基于超聲波技術的公路橋鋼混結構質量無損檢測方法

作者簡介：龍列飛（1978—），工程師，研究方向：路基路面，結構，橋梁檢測。

摘要：文章提出基于超聲波技術的公路橋鋼混結構質量無損檢測方法。通過建立超聲波傳播模型，明確超聲波面對固體介質的聲波衰減系數；運用小波分解算法處理實時采集的超聲檢測信號，得到降噪后的輸出信號；設計以超聲波技術為核心的缺陷識別方法，針對窗函數截取的超聲波信號區段，分別提取時域特征和頻域特征，根據特征參數完成常規缺陷和線性缺陷的識別；結合結構運營要求確定質量分級標準，與結構缺陷識別結果進行匹配，輸出結構質量無損檢測結果。試驗結果表明：面對鋼混結構裂紋缺陷，所提方法檢測的裂紋長度與實際值相比，最大偏差值為1.2 mm，而裂紋寬度檢測結果的最大偏差值僅為0.05 mm，體現了所提檢測方法的優越性。

關鍵詞：超聲波技術；鋼混結構；回波信號；無損檢測；小波包分解系數；特征參數

中圖分類號：U446.3

0 引言

鋼管混凝土組合具有更加優越的受力性能，在當前公路橋工程中得到了廣泛應用^［1］。但是公路橋鋼混結構的連接位置，極易出現缺陷問題，從而影響公路橋結構的整體質量^［2］。為了避免引發嚴重的交通事故，需要在一定時間內對公路橋鋼混結構質量進行無損檢測，明確結構當前質量狀態，從而提出合理的應對措施。因此，多種無損檢測方法開始被提出。

文獻^［3］運用結構光傳感器，設計一種質量檢測方案，通過傳感器采集結構表面點云信息，進行隨機采樣一致性計算，提取結構缺陷點云，并在主成分分析算法和斜率分析算法的作用下，確定缺陷點云的主要分布方向，從而了解結構缺陷輪廓，根據結構缺陷狀態，輸出質量檢測結果，但是該方法檢測效率較低。文獻^［4］采用脈沖激光原理，檢測出結構的缺陷部分，并計算出缺陷參數，根據缺陷參數信息確定結構當前質量情況，但是該方法檢測結果可靠性較差。文獻^［5］提出一種結構分層檢測方法，先針對待檢測結構建立有限元模型，通過APDL命令流，獲取結構不同位置的電位響應信息，建立結構質量無損檢測樣本庫，通過BP神經網絡技術，識別出損傷位置和損傷程度，但是該方法檢測結果誤差較大。

本文以公路橋鋼混結構質量無損檢測為研究目標，為了解決上述檢測方法的不足之處，提出一種基于超聲波技術的檢測方法，而且從試驗結果可以看出，所提方法檢測結果可以更加準確地顯示缺陷尺寸。

1 設計以超聲波技術為核心的公路橋鋼混結構質量無損檢測方法

1.1 構建超聲波傳輸模型

超聲波技術是以聲波傳播原理為核心的。在應用該技術進行無損檢測之前，需要先了解超聲波傳輸模式^［6］（如圖1所示）。

由圖1可知，傳播中的聲波在遇到介質后會發生反射、散射、衰減等現象。依靠超聲波技術進行結構質量檢測，本質上是根據聲波衰減程度^［7］，判斷超聲波面對介質的損失程度，從而明確介質上是否存在缺陷問題。散射衰減是超聲波傳播過程中一種主要的衰減方式，具體衰減程度會受到激勵頻率和散射體直徑的影響。對于平面波聲壓、球面波聲壓和柱面波聲壓來說，其與衰減系數之間的關系如式（1）～（3）所示：

式中：

P₁——平面波聲壓；

P₂——球面波聲壓；

P₃——柱面波聲壓；

θ——起始聲壓；

e——自然對數的底數；

α——衰減系數；

c——某點與聲源之間的距離。

從式（1）～（3）可以看出，衰減系數與聲壓之間存在指數關系。

考慮到不同介質的衰減系數有所差異，本文針對的檢測對象是公路橋鋼混結構，屬于固體介質，因此只需要計算固體介質的聲波衰減系數：

式中：

α₁——吸收衰減系數；

α₂——散射衰減系數；

L₁、L₂、L₃、L₄——常數；

f——激勵頻率；

H——各向異性系數；

r——受散射體的直徑;

?——波長。

基于超聲波技術的公路橋鋼混結構質量無損檢測方法/龍列飛

1.2 超聲檢測信號預處理

考慮到超聲檢測信號的工作環境復雜，導致最終接收到的超聲檢測信號中存在大量噪聲信息^［8］，會影響最終檢測結果。因此，本文采用小波分解算法對原始信號進行預處理，得到降噪后的信號。小波降噪處理流程如圖2所示。

正常情況下，超聲波技術檢測到的回波信號，可以通過式（7）表示：

F（t）=?exp-β（t-ρ）²cosw（t-ρ）+ψ""" （7）

式中：t——時間；

F——超聲檢測缺陷回波信號；

?——回波幅值；

ρ——回波返回時間；

ψ——回波返回相位；

β、w——帶寬因子和中心頻率。

超聲波檢測信號中存在的噪聲主要包括儀器噪聲和金屬噪聲兩部分，通常情況下，前者為白噪聲，雖然與缺陷回波信號沒有聯系，但依舊服從觀測時域的正態分布要求。本文運用統計學理念，定義一個Donoho軟閾值^［9］，實現缺陷信號與噪聲信息的劃分。Donoho軟閾值計算公式可以表示為：

式中：

o——小波包節點;

M——信號采樣點數量;

ζ——噪聲方差;

Y——Donoho軟閾值。

針對超聲檢測信號進行不斷分解，在每一次分解后，都可以結合Donoho軟閾值去除噪聲，主要表現為小波包分解系數不斷降低，對噪聲去除后的分解信號進行重構處理，得到輸出降噪信號。

1.3 設計基于超聲波技術的缺陷識別方法

考慮到超聲波在面對不同缺陷問題時回波信號會表現出不同的時域和頻域特點，前者可以描述回波信號隨時間的變化情況，后者則反映了不同頻率變化下信號幅值變化情況。結合這兩方面的特點，本文提出基于超聲波技術的缺陷識別方法。

在超聲檢測信號去噪處理完成后，提取時域頻域特征參數，作為公路橋鋼混結構缺陷識別的基礎。超聲波面對不同缺陷類型時，會展現出不同的時域頻域信號，甚至面對同種缺陷，其缺陷形狀、缺陷面積的不同也會影響信號的幅值變化；同時信號幅值會隨著缺陷面積的增大而變高，這表現出二者之間存在線性關系。在特征提取時，可以選取最大程度表征缺陷類型的參數信息。文中選用信號波形的均值、信號波形的幅值、信號寬度、波形面積、衰減系數五項參數作為時域特征參數。

結合頻率參數和周期函數，將原本的時域信號轉換為頻域信號，從而實現頻域特征的提取，基于時域信號變換公式為：

式中：n——頻率參數；

n——需要分析的時域信號；

χ——傅里葉變換后的時域信號；

W——周期函數。

時域信號變換結束后，將其輸入到一個傅里葉運算子程序中進行快速傅里葉變換，得到信號的復數，再將其導入極坐標系內進行變換處理，獲取頻域信號顯示圖;該圖顯示了不同缺陷信號在不同頻率情況下的賦值變化情況，從中選取具有代表性的信號，作為特征參數提取結果。

由于超聲波檢測信號中的缺陷信號屬于一種非穩定信號，在時域特征參數和頻域特征參數提取過程中，需要采用加窗處理模式，將原始信號轉變為穩定信號，以保證頻率響應效果最優。針對矩形窗、漢寧窗等常規窗函數進行分析，對比不同窗函數的性能指標，選取海明窗作為信號截取函數。為了保證截取信號的分辨率和寬度滿足后續計算要求，需要在加窗處理模式運行之前，計算窗函數的寬度。根據信號長度，將窗函數的寬度設置為：

式中：

η——窗函數寬度；

N——信號長度。

窗函數截取模式如圖3所示。

按照圖3所示的操作模式，完成信號截取后，重新進行信號頻域特征和時域特征的采集，根據特征參數完成公路橋鋼混結構缺陷識別，并根據特征參數的大小和缺陷回波時間的不同，進一步確定缺陷面積和缺陷位置，完成基于超聲波技術缺陷識別。

1.4 實現公路橋鋼混結構質量無損檢測

公路橋鋼混結構缺陷識別結束后，可以對比當前缺陷程度和超聲波探傷結果分級標準，明確結構當前質量情況。為了保證檢測結果的可信度，文中應用的超聲探傷行業標準是行業內認可的具有科學性和適用性的標準，在此基礎上進行試驗研究、理論推算和破壞性試驗，記錄公路橋鋼混結構承載力，檢驗與超聲波探傷結果分級之間是否存在一致性，如果不一致需要合理修正分級標準。

結合公路橋結構運營要求和鋼混結構質量分級標準，確定超聲波檢測結果顯示的缺陷長度＜10 mm時，表明其質量等級屬于1級；當缺陷長度在10～15 mm時，結構質量等級屬于2級；當缺陷長度取值范圍在15～25 mm時，鋼混結構質量等級屬于3級；當缺陷長度＞25 mm，表明當前鋼混結構質量等級為4級。按照這種分級方式，對缺陷檢測結果進行深入分析，得到公路橋鋼混結構質量無損檢測結果。

2 試驗

為了驗證文中提出的無損檢測方法可以在公路橋鋼混結構質量檢測過程中發揮良好的應用效果，本次針對銀百高速公路某一區段進行結構質量無損檢測試驗。該公路是國內重要交通要道，在區域高速公路網占據關鍵地位，本次試驗針對樁號K73+400～ K101+730路段的鋼混結構開展。

2.1 試驗設備

文中提出的無損檢測方法以超聲波技術為核心。本次試驗過程中，選用瑞士生產的Pundit Lab超聲波檢測儀作為主要試驗儀器，該設備可以實現裂紋深度測量和脈沖速度測量，目前在檢測領域得到廣泛應用。該儀器的主要參數如表1所示。

為了保證質量檢測結果的準確性，本次試驗開始之前，先針對Pundit Lab超聲波檢測儀進行標定。儀器標定的主要工具是圖4（a）所示的校準棒，在購買儀器時會自帶。在校準棒兩端、探頭傳感器分別涂抹耦合劑，再緊緊按壓到一起，如圖4（b）所示。上述操作完成后，打開超聲波檢測儀器，觀察儀器發射、接收頻率是否正常^［10］。

按照上述標定方法對檢測儀器進行校正后，將其作為主要工具，進行后續結構質量無損檢測。

2.2 信號處理

在目標公路區段隨機選取一段鋼混結構，應用標定后的Pundit Lab超聲波檢測儀進行檢測，得到圖5（a）所示的檢測信號波形圖。從圖5（a）中可以看出，信號檢測結果中存在大量噪聲，會影響后續檢測結果的準確性。因此，采用文中提出的預處理方法進行消噪，得到圖5（b）所示的去噪后超聲波檢測信號波形圖。

對比去噪前后的超聲波檢測信號可以發現，去噪處理后波動信號的變化更加清晰，有利于缺陷特征的提取。同時，從檢測結果中也可以看出，在初始超聲波和回波之間，存在一個缺陷波，表明該結構存在缺陷問題，需要進一步檢測。

2.3 試驗結果分析

對目標區段的所有鋼混結構進行全方面質量檢測后發現，該區段存在7處裂紋缺陷，每一處裂紋缺陷的檢測長度和實際長度對比結果如圖6所示。同時，為了加強試驗的真實性，采用基于X射線的檢測方法和基于滲透檢測的方法，對同樣的結構區段進行質量無損檢測，這兩種傳統方法檢測的結構裂紋長度也體現在圖6中。

從圖6可以看出，所提方法的結構裂紋長度檢測結果基本上與實際裂紋長度保持一致，最大檢測偏差值僅為1.2 mm，而其他兩種檢測方法得到的結構裂紋長度與實際值相比出入較大，最大偏差值分別為4.9 mm、7.5 mm。

對比不同方法的結構裂紋寬度檢測結果，得到圖7。

從圖7可以看出，所提方法的結構裂紋寬度檢測最大偏差值為0.05 mm，而其他兩種方法檢測出的裂紋寬度值與實際寬度相比有偏差，最大偏差值分別為0.17 mm、0.13 mm。

綜上所述，運用文中所提方法進行鋼混結構檢測，可以更加準確地得到缺陷尺寸，并以此為基礎完成高水準的結構質量檢測。

3 結語

公路橋梁是我國交通運輸領域的核心組成部分，其鋼混結構的質量狀態，直接影響了道路行駛安全。文中針對公路橋鋼混結構質量無損檢測問題進行研究，提出一種以超聲波技術為核心的檢測方法，通過分析回波信號，識別并定位結構缺陷，得到精準的結構質量檢測結果。

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收稿日期：2023-04-18