基于加窗法的孔道注漿缺陷定位檢測技術改進分析

■翁 林

（福建省交設工程試驗檢測有限公司，福州 350000）

預應力混凝土橋梁結構在現代交通工程中廣泛應用，一般分為體內預應力和體外預應力兩種結構體系， 其中體內預應力結構體系應用更為廣泛。體內預應力鋼絞線張拉完畢后，需要在預應力孔道內注漿，排凈孔道內的水和空氣，預防預應力鋼絞線腐蝕；同時注漿后的預應力孔道與周圍混凝土形成一個整體，應力分布更均勻，避免鋼絞線發生松弛現象。 為此，孔道注漿質量尤為重要，必須保證漿料“充盈”“飽滿”和“密實”[1]。 為了確保預應力孔道注漿質量，必須對孔道注漿密實度及缺陷定位進行檢測。 常用的孔道注漿密實度及缺陷定位檢測方法有沖擊回波法、超聲波法和探地雷達法[3]。 其中，沖擊回波法在可行性和檢測效果方面應用最為廣泛。然而，沖擊回波法仍然存在一些問題，如頻譜信號穩定性受梁體結構及其他外界因素的影響較大，信號特征有時不明顯等[4]。 為了優化沖擊回波法在孔道注漿密實度檢測中的應用，本文將對沖擊回波法在孔道注漿密實度檢測中存在的問題進行詳細分析研究，并提取相應的改進方法進行優化，以提高檢測效果和準確性。

1 沖擊回波法技術概述

沖擊回波法是一種常用的孔道注漿缺陷定位檢測方法。 它通過在預應力孔道中施加沖擊并監測由此產生的回波信號，以此來確定孔道中的缺陷位置和大小[1]。

1.1 沖擊回波法檢測原理

沖擊回波法在預應力孔道注漿缺陷定位檢測中被廣泛應用的原因如下：（1）檢測精度高，檢測精度能到厘米；（2）受鋼筋影響小，彈性波信號對鋼筋鈍感；（3）對混凝土中缺陷敏感，混凝土材質同不良區域材質波阻抗差異大[4]。

沖擊回波法原理如圖1 所示，通過在被測結構表面敲擊產生瞬態的彈性波，彈性波會在結構體內傳播，當遇見波阻抗變化的材質（缺陷、底面）時，彈性波會被反射，當反射波到達測試面后，又會再次反射在構件中進行傳播，形成沖擊回波，該回波信號會被加速度傳感器所接收。 傳感器接收波形圖如圖2 所示。 通過對波形圖進行頻譜分析，提取其信號卓越頻率f， 結合波速v 即可對混凝土結構或缺陷深度h 進行計算。 計算公式見式（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型有壓漿密實、壓漿有缺陷、未壓漿等，具體如圖3 所示。

圖3 孔道注漿缺陷檢測類型

1.2 沖擊回波法適用性分析

沖擊回波法主要分析的信號成分為縱波，縱波在半無限大介質中以球面波形式擴散，能量衰減較大，因此沖擊回波法更適用于板式混凝土結構，并且在孔道注漿密實度的檢測中只能對單排孔道進行檢測[5]。

沖擊回波法的缺陷識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 以內的單排孔道注漿檢測[5]。 因此，實際檢測中，需要考慮被測結構的特點和要求，并綜合使用其他適用的方法來提高檢測的準確性。

1.3 頻譜泄漏問題分析

沖擊回波法在數據處理中將信號視為周期性的回波信號，但實際上信號的開始同信號結尾存在不連續性。 當使用FFT（快速傅里葉變換）進行頻譜分析時，其假設信號是周期性的，同實際沖擊回波信號的不連續性特征相悖，因此會導致額外的頻率出現，這被稱為泄露現象[6]。 這種泄露會對真實頻率造成干擾，從而影響信號的頻譜分析結果。 這一現象可以在同一測點上不同采樣時窗的信號對比中得到印證。采樣時窗更長的信號尾部更為平滑（圖4（b）），同起始信號大小更為趨近，對2 種采樣時窗信號進行頻譜分析，結果如圖5 所示。圖5（b）中，頻譜更為集中，主頻信號更突出。 雖仍存在頻譜干擾信號，但不難看出信號首尾的銜接程度會對頻譜集中性造成直接的影響。 為了更好地解決頻譜泄露問題，本研究采用加窗法對沖擊回波信號進行改進。

圖4 沖擊回波信號分析

圖5 沖擊回波頻譜分析

2 基于加窗法的沖擊回波法信號改進技術

信號窗函數是一種在信號處理中常用的函數，用于截斷或加權原始信號，窗函數在特定的時間窗口內非零，窗口外則為零，通過將其同原始信號進行逐點相乘來實現截斷及加權操作，從而改變信號特性，減小信號的邊緣效應和泄露現象。窗函數在頻譜分析中通常與傅里葉變換一起使用。因此，本項目引入加窗法對沖擊回波法的數據進行處理分析。

2.1 加窗函數對比試驗

常見的信號窗函數包括漢寧、漢明、矩形窗等。每種窗函數都有其獨特的數學形式和特性，選擇合適的窗函數取決于信號處理目標及對頻率分辨率和頻譜泄漏的要求。 結合沖擊回波法的技術特性，采用不同類型窗對沖擊回波法數據進行處理，對比其效果。 3 種常用的窗函數圖如圖6 所示。

圖6 3 種常用的窗函數圖

漢明窗函數式[6]如下：

式 （2） 中：n 為當前數據點位置；N 為采樣點數；a0為經驗參數值（漢明窗函數取值0.538）。 當a0=0.5 時，該函數為漢寧窗函數。 矩形窗函數[6]公式如式（3）所示：

分別采用3 種窗函數對實測沖擊回波數據進行加窗處理，FFT 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最為集中、穩定，因此本文采用漢明窗對沖擊回波法數據進行加窗處理。

圖7 各類窗函數頻譜圖

2.2 加窗范圍的確定

應用窗函數時，要考慮窗口長度，正確設置加窗范圍可以提高信號處理的效果和準確性。 采用沖擊回波法檢測孔道注漿密實度時，通常采樣時窗為8.192 ms，為了對信號加窗范圍進行確定，采用小波時頻法對沖擊回波信號進行分析（圖8），以確認有效信號范圍。

圖8 沖擊回波信號小波時頻圖

從時頻圖（圖8）中可知，沖擊回波信號的有效范圍約為0.5～5 ms 區間。 對加窗范圍0～8.192 ms及加窗范圍0.5～5 ms 的2 種參數采用同一組數據進行分析對比，可得到圖9。可知，加窗范圍0.5～5 ms 時明顯效果更佳。

圖9 加窗范圍對比數列頻譜圖

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

2.3 標準試塊數據加窗試驗

采用沖擊回波法對砼標準試塊（15 cm×15 cm×15 cm）進行測試，對測試數據進行加窗前后頻譜分析對比。 標準試塊如圖10 所示，試塊數據加窗前后頻譜對比如圖11 所示。

圖10 混凝土試塊（C30）

圖11 試塊數據加窗前后頻譜對比

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

3 模型試驗和現場驗證

為驗證加窗法在孔道注漿缺陷定位檢測中的應用效果，分別在模型及現場進行了試驗驗證。

3.1 模型試驗

模型梁腹板厚0.7 m，長8 m，采用D30 錘，采樣時窗8.192 ms，前期標定得到混凝土波速為4.1 km/s。圖12 為測試數據未加窗分析的頻譜圖， 可見底部反射信號附近的干擾信號較多。 對該數據進行漢明窗加窗處理，得到結果如圖13 所示。 結構底部反射信號連續性、穩定性得到顯著增強。

圖12 未加窗信號頻譜圖

圖13 加窗后信號頻譜圖

3.2 現場驗證

3.2.1 小箱梁現場測試

某梁場內預制箱梁長20 m，梁底寬1 m，梁高1.3 m，混凝土設計強度C50，注漿齡期為45 d，滿足檢測要求。預制箱梁現場如圖14 所示。采用沖擊回波法對其孔道注漿密實度進行檢測。 該梁腹板厚度為20～28 cm 漸變，測點間距為10 cm，對測試數據進行頻譜分析對比。 未加窗及加窗后頻譜圖分別如圖15 所示。

圖14 某梁場預制箱梁

圖15 N1 孔道頻譜等值線圖

結果顯示，加窗前，信號頻譜圖中存在較多干擾信號，同時測線0～0.4 m 位置的缺陷信號特征不明顯；加窗后，信號明顯更為集中、干凈，0～0.4 m 缺陷的信號延后特征變得更為明顯。 后經開孔驗證，該孔道距端頭位置0.4 m 內存在注漿缺陷， 驗證情況同檢測結果一致。

3.2.2 T 型梁現場測試

某梁場內預制T 梁全長約30 m， 梁高1.8 m，腹板厚度30～40 cm 漸變，混凝土設計強度C50，注漿齡期為42 d，滿足檢測要求。 預制T 梁現場如圖16 所示。 采用沖擊回波法對該預制T 梁孔道注漿密實度進行檢測。 該梁腹板厚度為30～40 cm 漸變，測點間距為10 cm，對測試數據進行頻譜分析對比。 未加窗結果及加窗后頻譜圖分別如圖17 所示。

圖16 預制T 梁

圖17 N3 孔道頻譜等值線圖

由圖17 可知，未加窗時，頻譜信號集中度、連續性差，顯示為大面積的信號滯后，同實際驗證情況存在偏差。 加窗后，頻譜信號更為集中連續，顯示為端頭0～1.3 m 信號滯后，同實際驗證情況相符。

4 結語

經模型試驗分析及現場驗證，表明沖擊回波法能夠有效地對預應力孔道注漿缺陷進行定位檢測，同時基于加窗法的改進算法能有效提升沖擊回波法的檢測效果，能夠讓信號頻譜圖更為集中、穩定性更強的同時增強缺陷信號特征從而減少誤判。 本文創新性地提出在孔道注漿密實度缺陷定位檢測（沖擊回波法）信號分析中引入加窗法，有明顯的效果及應用前景，能為實際工程應用中的數據分析提供新思路。