CN102012403B - 超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法 - Google Patents

超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法，在传统超声法检测混凝土缺陷方法的基础上，在声速和首波波幅之外增加了复频差和互相关系数两个可量化的声参量，通过将各声参量测量值处理为声参量判定因子并将各声参量判定因子处理为归一后的综合声参量判定因子，然后根据综合判定因子绘制出测位色谱图，并根据色谱图中红色成片区域确定可疑缺陷的位置及范围。本方法可直观准确的描述混凝土密实性质量分布，可以较好地避免或降低了使用单一声参量判定时发生的错判和漏判的情况，也免除了单一声参量判定结果互相不一致时难于最终判定的困惑。本发明可广泛应用于混凝土构筑物节点内部或其他复杂形状结构不密实性缺陷的判定。

Description

超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法
技术领域
 本发明涉及一种超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法。
背景技术
混凝土结构物的内部缺陷系指破坏混凝土的连续性和完整性，并在一定程度上降低混凝土的强度和耐久性的不密实区、空洞、裂缝或夹杂泥沙、杂物等；不密实性缺陷系指混凝土因漏振、离析或架空而形成的蜂窝状，或因缺少水泥而形成的松散状，或受意外损伤而造成的酥松状区域。混凝土缺陷的存在会不同程度的影响结构承载力和耐久性，混凝土缺陷无损检测技术针对结构物实体采用无破损的方法有效地查明缺陷的性质、范围及尺寸，以便对缺陷进行修补性技术处理。
在多种混凝土结构物缺陷的无损检测技术方法中，超声波法因其检测设备较简单，操作使用方便，穿透能力较强等突出特点而得到了广泛的推广应用，我国1990年颁布了《超声法检测混凝土缺陷技术规程》，1998-1999年对该规程进行了修订和补充，并由中国工程建设标准化协会批准为《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS 21:2000）（以下简称《测缺规程》）。
超声法检测混凝土缺陷依据的原理是：当混凝土的组成材料、工艺条件、内部质量及测试距离一定时，各测点的超声声速、首波幅度等声参数一般无明显差异，如果某部分混凝土存在孔洞、不密实或裂缝等缺陷时，通过缺陷混凝土的超声波的声时明显加长、幅度明显降低，其他声参量也会有明显的变化。基于这一基本原理，对同等测试条件下的混凝土进行声时（声速）、幅度、频率等声参数的相对比较，从而判断混凝土的缺陷情况。
由于混凝土是非均值的固-液-气三相混合体，即使无缺陷的混凝土，其测试的声速、幅度等声参量仍会有相当大的范围波动，这种波动属于正常范围内的合理离散，不同于混凝土缺陷导致的声参量的明显差异。混凝土缺陷检测就是要在具有正常离散的声参量数据组中找出明显变异的声参量，即表征缺陷的异常值。由于混凝土的非匀质性即声参量的合理离散，因此不可能用固定的临界指标作为判断缺陷的标准，《测缺规程》中采用概率统计法进行判断。
概率法的基本思想是：认为正常混凝土的质量服从正态分布，在测试条件基本一致且无其他因素影响的条件下，声速、波幅等测量值也基本属于正态分布。根据观测数据的平均值、标准差和预定的置信水平，确定出一个相应的置信区间。凡属于混凝土本身的不均匀性或测试中的随机误差造成的数值波动，都应处在给定的置信范围以内；凡超出这个范围的读数异常的测点，就认为是混凝土本身性质改变所致，也就是异常值测点可能是测线通过缺陷部位的测点。
概率统计法的声参量测量值为每一测点的声时（声速）、波幅、主频，缺陷判断的数据处理方法为：
1、将测位各测点的声参量测量值按大小顺序分别排列，即                                                
Figure 309528DEST_PATH_IMAGE001
，将排在后面明显小的数据视为可疑，再将这些可疑数据中最大的一个连同前面的数据计算出平均值（
Figure 564667DEST_PATH_IMAGE002
）和标准差（
Figure 340862DEST_PATH_IMAGE003
）
Figure 12277DEST_PATH_IMAGE004
Figure 469803DEST_PATH_IMAGE005
并计算异常值的判断值（
Figure 80913DEST_PATH_IMAGE006
）
Figure 792124DEST_PATH_IMAGE007
（
Figure 183791DEST_PATH_IMAGE008
根据测点数
Figure 445008DEST_PATH_IMAGE009
在正态分布表中查得） 
2、将判断值（
Figure 412089DEST_PATH_IMAGE006
）与可疑数据的最大值（
Figure 733349DEST_PATH_IMAGE010
）相比较，当
Figure 549995DEST_PATH_IMAGE010
不大于
Figure 910176DEST_PATH_IMAGE006
时，则及排列于其后的各数值均为异常值，并且去掉
Figure 988039DEST_PATH_IMAGE010
再用
Figure 26403DEST_PATH_IMAGE011
～
Figure 130887DEST_PATH_IMAGE012
进行计算和判断，直至判不出异常值为止；当
Figure 836675DEST_PATH_IMAGE010
大于
Figure 296475DEST_PATH_IMAGE006
时，应再将放进去重新进行计算和判断。
3、当测位中某些测点的声参量被视为异常值时，可结合异常测点的分布以及波形状况确定混凝土内部不密实性缺陷的位置和范围。
判断缺陷的概率统计法以正常混凝土的质量及声参数测量值为符合正态分布的随机变量为原理基础，计算方法简单，对于具有较大同条件测试面构件（如墙体、长梁的腹板、柱面等）可以定性或半定量的判定出内部的缺陷，《测缺规程》明确了该计算方法，使之具有较好的可操作性。虽然概率法受测试条件和方法原理的制约，也只能达到定性或半定量的水平，但由于目前对于混凝土结构缺陷尚无更为准确且使用方便的测试方法，因此超声法是目前缺陷检测的首选方法，得到了广泛的应用。
   但是概率法存在以下主要几点不足：
1、概率法用以区分正常混凝土的随机波动与缺陷明显异常的判断标准是正态分布的统计规律，即是否在给定的正态分布的置信范围以内，超出该范围则视为可疑缺陷数值。因此使用概率法的计算母体，即对测试对象（母体）进行抽样检测时所取得的同条件测试数据组（计算母体）必须具有足够的数量，以保证在剔除明显可疑数据之后，用于计算异常值的判断值的数据组是符合正态分布的数据母体，严格地说，在计算判断值之前应该先对其计算母体进行正态分布的检验，为了简化计算在《测缺规程》中将此项工作简化了。一般来说，如果测试数据组的数量足够多，且被剔除的异常值较少时，是符合正态分布条件的，但如果上述两个条件或其中一个条件不满足时，例如测试数据量偏少或较多数据被剔除，将有可能不能通过正态分布的检验，而如果正态分布条件不具备，概率法原理的数学前提将不成立，其判断结果必然出现错误。
2、由于混凝土的材料、制作工艺、结构组成等多种因素的影响，概率法判断缺陷的标准不可能采用固定的临界指标而是取计算母体的置信区间的临界值，是一种同条件下的相对比较的结果。当被测结构普遍质量较差时，造成测试数据平均值（
Figure 750818DEST_PATH_IMAGE002
）偏低，数据离散性大造成标准差（
Figure 311112DEST_PATH_IMAGE003
）偏大，由此计算所得异常值的判断值（
Figure 879496DEST_PATH_IMAGE006
）将偏小，即判断缺陷标准被降低，从而可能导致漏判，增加了使用方的风险；反之，当被测结构普遍质量较好造成测试数据平均值（
Figure 721813DEST_PATH_IMAGE002
）偏高而数据离散性小造成标准差（
Figure 666635DEST_PATH_IMAGE003
）偏小时，计算所得异常值的判断值（
Figure 81436DEST_PATH_IMAGE006
）将偏大，缺陷判断标准的提高有可能导致错判，增加了生产方的风险。
3、概率法适用于多种测量的声参数，如声速、波幅、主频等，但各种声参数分别计算并判定的结果很可能不一致甚至相左，如何最终判定？《测缺规程》要求结合异常测点的分布及波形状况确定，也就是说需要测试人员依据经验和现场情况进行判断，而对测试人员经验水平要求的提高势必增加了判断错误的风险。
4、概率法在实际应用中主要使用的声参量是声速和波幅，即测试的是首波的走时和波幅，一般没有或很少用到后续波的信息，实际经验表明，波形是否发生畸变对于判断缺陷的存在具有相当大的意义，《测缺规程》要求结合波形状况进行判定，但由于对波形畸变没有定量化的描述手段，致使很多测试人员忽视了这个重要的信息来源，影响了判断的准确性。
5、概率法仅用于发现并界定缺陷，对于被测构件整体质量分布不予描述。
将概率法应用于节点缺陷检测时，除上述概率法自身的不足之处以外，节点区别于一般的混凝土结构物的结构特点更进一步增加了测试难度，既有建筑的梁柱整浇式节点是柱子连接与梁的连接汇集在一起，通过后浇混凝土形成刚性节点。由于梁柱节点部位结构形式复杂多样，内部钢筋密集，容易造成混凝土架空、离析，粗细骨料不均等现象，降低节点承载力，影响整体结构的性能。超声波检测技术对于混凝土缺陷检测是一种行之有效的方法，但实际工程测试经验表明，将《测缺规程》采用的混凝土内部超声缺陷概率统计方法直接应用到梁柱节点缺陷测试中效果不佳，主要原因是，其一：节点部位梁柱立体相交，结构复杂，外露测试面受限，布置测点困难，很难采集到具有足够数量的具有可比性的同条件测点数据，另外为减少测试盲区，很多测线只能布置为斜向测试或角测或扫描测试，不同方式测位的相同声参量数据不能合并判断，从而不能保证概率统计法对测点数量的要求。其二：各种声参量分别判定的结果不一致，在普通结构物缺陷检测中主要应用的声速和波幅，在节点检测中经常出现判定结果不一致甚至相差很大的现象，致使难于形成最终的判定结论。其三，结构形状复杂边界效应影响，以及节点区域内密集钢筋的干扰致使声信号的离散性偏大，导致概率法判定缺陷时缺陷判断值过低，经常出现漏判现象，实例表明在混凝土梁柱节点实体模型中的预置的明显缺陷用概率法判断不明。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法，提高节点内部超声缺陷检测的准确性和可靠性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法，步骤如下：
步骤一， 根据测试构件类型，确定测区布置方法及测点数，每个测区为一个测试文件，在测试文件中记录测点的超声测距、超声声时
Figure 85088DEST_PATH_IMAGE015
、首波波幅测量值
Figure 568022DEST_PATH_IMAGE016
、测点
Figure DEST_PATH_IMAGE017
的接收子波
Figure 729007DEST_PATH_IMAGE018
波形样本
Figure 639194DEST_PATH_IMAGE019
和测试系统的标准子波
Figure 626741DEST_PATH_IMAGE020
波形样本；
步骤二，通过计算测点
Figure 863611DEST_PATH_IMAGE017
的声速值
Figure 210279DEST_PATH_IMAGE022
，对波形样本波幅测量值
Figure 186588DEST_PATH_IMAGE016
进行修正，计算测点
Figure 11324DEST_PATH_IMAGE017
的接收子波与标准子波的复频差
Figure 255224DEST_PATH_IMAGE023
和计算测点接收波与标准子波的互相关系数
Figure 333645DEST_PATH_IMAGE024
得到声参量的判定值
Figure 295785DEST_PATH_IMAGE022
、、
Figure 22618DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 274870DEST_PATH_IMAGE024
；
其中，测点
Figure 724306DEST_PATH_IMAGE017
的声速值
Figure 890845DEST_PATH_IMAGE026
 ，
Figure 607872DEST_PATH_IMAGE014
为测点的超声测距，
Figure 467244DEST_PATH_IMAGE015
为测点的超声声时；
波幅修正值：
Figure 138396DEST_PATH_IMAGE027
 ，为波幅测量值，
Figure 10986DEST_PATH_IMAGE028
为波幅修正值， 式中为对测距的修正，
Figure 461985DEST_PATH_IMAGE032
—衰减系数，—测点测距，
Figure 810369DEST_PATH_IMAGE033
—基准测距；为对测角的修正，具体取值参见下表：
测角
Figure 542068DEST_PATH_IMAGE036
Figure 235961DEST_PATH_IMAGE037
Figure 298223DEST_PATH_IMAGE040
Figure 652981DEST_PATH_IMAGE041
幅度修正量
Figure 889851DEST_PATH_IMAGE034
 0 0.5 1 1.5 3 5 6
计算测点
Figure 603729DEST_PATH_IMAGE017
的接收子波与标准子波的复频差
Figure 711362DEST_PATH_IMAGE043
  
标准子波的幅度谱为， 
Figure 494139DEST_PATH_IMAGE044
的实部为
Figure 823489DEST_PATH_IMAGE045
，虚部为
Figure 341099DEST_PATH_IMAGE046
；
接收子波
Figure 72295DEST_PATH_IMAGE018
的幅度谱为，
Figure 508404DEST_PATH_IMAGE047
的实部为
Figure 573312DEST_PATH_IMAGE048
，虚部为
Figure 159014DEST_PATH_IMAGE049
； 
Figure 385596DEST_PATH_IMAGE050
：频率幅度谱谱线个数；
计算测点接收波与标准子波的互相关系数：互相关系数计算起点分别为接收波与标准子波的首波起跳点，为避免首波起跳点的判读偏差，以接收波起跳点为中心，前后小范围移动样本点作为接收波计算样本的起始点，分别计算互相关系数
Figure 250390DEST_PATH_IMAGE051
，取其最大值作为该测点的互相关系数
Figure 853410DEST_PATH_IMAGE052
上式中：—标准子波
Figure 458146DEST_PATH_IMAGE020
的波形样本，  
Figure 46122DEST_PATH_IMAGE019
—测点
Figure 452832DEST_PATH_IMAGE017
的接收子波
Figure 573979DEST_PATH_IMAGE018
的波形样本，
Figure 142363DEST_PATH_IMAGE009
—计算互相关系数的样本点数，
Figure 420898DEST_PATH_IMAGE053
—接收波起跳点为中心移动的样本点数，
Figure 867185DEST_PATH_IMAGE054
；   
   步骤三，将同一个测试构件的所有测点的同一类声参量判定值合并进行归一化处理，得到声参量判定因子；
其中：
Figure 83589DEST_PATH_IMAGE056
—测点
Figure 82375DEST_PATH_IMAGE017
的声参量判定因子
Figure 893205DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 726294DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 902061DEST_PATH_IMAGE059
和
Figure 951925DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 737085DEST_PATH_IMAGE061
为测点
Figure 126478DEST_PATH_IMAGE017
的声参量判定值
Figure 535463DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 246192DEST_PATH_IMAGE025
，和
Figure 642724DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure 658829DEST_PATH_IMAGE062
为所有测点同一声参量判定值的最小值；
Figure 620968DEST_PATH_IMAGE063
为所有测点同一声参量判定值的最大值；
步骤四，复频差判定因子取值大小与混凝土密实性的对应关系与其他三种声参量相反，即取值越大，对应混凝土的密实性越差，为保证声参量判定因子取值与混凝土的密实性的对应关系的一致性，将复频差的判定因子取为： 
Figure 311713DEST_PATH_IMAGE064
；
步骤五，计算每个测点综合判定因子
Figure 911584DEST_PATH_IMAGE065
；
其中，
Figure 600054DEST_PATH_IMAGE066
—归一化后测点
Figure 783911DEST_PATH_IMAGE067
的综合判定因子
Figure 216029DEST_PATH_IMAGE068
—归一化前测点
Figure 995373DEST_PATH_IMAGE017
的综合判定因子
Figure 854744DEST_PATH_IMAGE069
Figure 525897DEST_PATH_IMAGE070
—各声参量判定因子在综合判定因子中的加权值；
 
Figure 997592DEST_PATH_IMAGE071
—归一化前测点
Figure 70590DEST_PATH_IMAGE017
的综合判定因子的最小值；
Figure 100863DEST_PATH_IMAGE072
—归一化前测点
Figure 820164DEST_PATH_IMAGE017
的综合判定因子的最大值；
步骤六，使用0～1统一色谱绘制测点的综合判定因子的色谱图； 
步骤七，在测位色谱图上标注出缺陷投影图，红色系测点明显连接成片的区域为缺陷可疑区域；
步骤八，通过对所有测位的色谱图综合分析判断缺陷的空间位置、尺寸和缺陷性质。
步骤一中所述测试方式为对测、斜测、角测和测距和测线均不等的扫描测试或以上两者或两者以上的组合。        
步骤一所述测点的接收子波
Figure 787169DEST_PATH_IMAGE018
波形样本
Figure 988343DEST_PATH_IMAGE019
和测试系统的标准子波
Figure 869974DEST_PATH_IMAGE020
波形样本
Figure 509902DEST_PATH_IMAGE021
的长度为从波形到达测点时刻起至少3个以上完整波形。
步骤四中所述各声参量判定因子在综合判定因子中的加权值根据测试条件进行调整，对可靠性低的声参量降低其权值。
本发明采用的技术方案与现有技术相比具有以下特点：
1、将《测缺规程》中表征频率变化的声参量的主频改为复频差，复频差在表征测位质量分布方面的能力明显优于主频。
2、将《测缺规程》中不能予以量化的波形的畸变程度用相关系数表征，该参数较好的实现了对波形畸变程度的量化描述。
3、将《测缺规程》中的各项声参量测量值（声时或声速
Figure 557493DEST_PATH_IMAGE022
、幅度
Figure 451541DEST_PATH_IMAGE025
、主频
Figure 319003DEST_PATH_IMAGE073
）转化为声参量归一化的判定因子（声速
Figure 434726DEST_PATH_IMAGE057
，幅度
Figure 336823DEST_PATH_IMAGE058
，复频差
Figure 443582DEST_PATH_IMAGE059
，相关系数），并将《测缺规程》中单个声参量分别分析判断变为用各种声参量判定因子计算综合判定因子进行综合判断；带有不同量纲的声参量测量值不能合并分析，但分别归一化后，所使用的四种声参量判定因子（
Figure 717754DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 238472DEST_PATH_IMAGE058
，，
Figure 856721DEST_PATH_IMAGE060
）的归一值的分布都与测试对象的质量分布对应，其变化趋势也相同，均在0～1的之间变化，最小为0，对应混凝土密实性的最差部位，最大为1，对应混凝土密实性的最好部位，从而具有了多参数合并分析的可能。各声参量归一化的判定因子合并后获得综合判定因子，将各种声参量的影响合并考虑，对于明显的缺陷合并后可以相互加强，对于不明显的缺陷或个别声参数的错判与误判合并后则会减弱，从而提高了检测结果的可靠性。也使得判定更为简洁明确，避免了不同声参量的判定结果不一致时给最终的判断带来的困惑。
4、将《测缺规程》中的分测位（测试文件）判定改为各测位合并判定，并在一定条件下可使用斜测、角测或扇形扫描；其作用在于一方面加大了判定数据母体的数据量，避免了有些测位测点数据量偏少从而判定不准的情况；另一方面，不同测位合并判断后具有相同的分级标准，各测位判定的质量分布具有相互的可比性，从而更准确的反映了整体的质量分布情况。
5、将《测缺规程》中的概率统计法计算判断值的判定方法改为以归一化后的综合判定因子色谱图描述整体质量分布的判定方法。综合判定因子直接显示的是被测对象的整体质量分布情况，作为同一个结构物，在正常情况下其质量分布以及声参量的分布应是符合正态分布的随机变化量，当低值点（图中的红色系区域）集中出现并相连成片时，视为异常区，即缺陷可疑区，结合结构特点、施工情况等因素可做最终判定。
从实际应用角度，本方法的有益效果可以概括为：
（一）本方法明显提高了对于混凝土复杂结构（以梁柱节点为例）内部的不密实性缺陷检测的可靠性和准确性。
（二）本方法不仅检测出内部缺陷的性质、范围及尺寸，而且描述了被测对象的整体质量分布情况。
（三）本发明可应用于混凝土构筑物节点内部缺陷检测，也适用于其他复杂形状结构不密实性缺陷的判定。
具体实施方式
在《测缺规程》6.2节测试方法的基础上，并将测试方法由对测、斜测的基础上扩充为测距不等的角测以及测距和测线均不等的扫描测试，每一个测位为一个测试文件。
1、在每一测点测量声时、首波波幅、测距，并使用数字化的超声仪采集波形的数字信号，换能器的频率宜采用20～250kHz（例如50kHz），采样频率应为信号频率的10倍以上（例如2.5MHz）,波形长度（采样的样本点数）从波形到达时刻起要包括至少3个以上完整波形（例如采集512个样本点）。
2、测点测量数据处理，得到测点声参量判定值
对每一个测试文件的每一个测点的测试数据和波形样本分别进行处理，得到声参量的判定值。
（1）声速：超声波的传播速度，声速越高，表明混凝土的密实性越高
计算测点
Figure 815712DEST_PATH_IMAGE017
的声速值
Figure 692401DEST_PATH_IMAGE022
 （
Figure 577181DEST_PATH_IMAGE074
） 
Figure 906531DEST_PATH_IMAGE026
   
Figure 728600DEST_PATH_IMAGE014
—测点的超声测距（
Figure 459796DEST_PATH_IMAGE075
）
          —测点的超声声时（
Figure 833587DEST_PATH_IMAGE076
）
     （2）波幅：测点接收波首波的幅度，表征传播过程中声波能量的衰减程度，幅度越高，表明声波能量的衰减较小，混凝土的密实性较高。
不同的测位有可能对应不同的测距和测试角度（注：测角指测线与换能器法线之间的夹角），在扫描测试方式中同一个测位的不同测点也可能对应不同的测距和测角，而在后期合并分析处理时，为保证幅度的可比性，需要对测距或测角不等的测点
Figure 898495DEST_PATH_IMAGE017
的波幅测量值进行修正，修正为基准测距下对测（即测角为0）的波幅修正值，在同一个节点结构测试中，取同一个基准测距。 
  
—修正后波幅（
Figure 618802DEST_PATH_IMAGE077
）
Figure 531132DEST_PATH_IMAGE016
—波幅测量值（
Figure 119108DEST_PATH_IMAGE077
）
Figure 89601DEST_PATH_IMAGE028
—波幅修正值（
Figure 384316DEST_PATH_IMAGE077
）
波幅修正值
Figure 218280DEST_PATH_IMAGE029
式中：
Figure 231235DEST_PATH_IMAGE030
为对测距的修正
Figure 736909DEST_PATH_IMAGE031
Figure 151710DEST_PATH_IMAGE032
—衰减系数
Figure 468160DEST_PATH_IMAGE078
  
Figure 968411DEST_PATH_IMAGE014
—测点测距（
Figure 716924DEST_PATH_IMAGE075
）
Figure 986232DEST_PATH_IMAGE033
—基准测距（
Figure 725780DEST_PATH_IMAGE075
）
Figure 775644DEST_PATH_IMAGE034
—为对测试角度的修正：
测角
Figure 560804DEST_PATH_IMAGE035
Figure 490942DEST_PATH_IMAGE037
Figure 28102DEST_PATH_IMAGE038
Figure 682200DEST_PATH_IMAGE039
Figure 926099DEST_PATH_IMAGE040
Figure 443668DEST_PATH_IMAGE041
Figure 638764DEST_PATH_IMAGE042
幅幅度修正量
Figure 267191DEST_PATH_IMAGE034
 0 0.5 1 1.5 3 5 6
（3）频率：计算测点的复频差，表征测点接收波与标准子波相比较频率幅度谱的变化。复频差越小，表明接收波的频率幅度谱的变化越小，混凝土的密实性越高。 
测点
Figure 631177DEST_PATH_IMAGE017
的接收信号为接收子波
Figure 883429DEST_PATH_IMAGE018
，取一定长度的接收子波波形样本，计算频率幅度谱，
获取该测试系统的标准子波
Figure 499404DEST_PATH_IMAGE020
，标准子波可以将发射与接收换能器直接相对获取，也可以在完整无缺陷的素混凝土试件中相对测试获得，该标准子波近似为发射子波。取相同长度的标准子波波形样本，计算频率幅度谱
Figure 717895DEST_PATH_IMAGE080
；
计算测点
Figure 75802DEST_PATH_IMAGE017
的接收子波与标准子波的复频差
Figure 809272DEST_PATH_IMAGE043
式中：标准子波
Figure 779502DEST_PATH_IMAGE020
：幅度谱  实部 
Figure 384238DEST_PATH_IMAGE045
，虚部
Figure 542687DEST_PATH_IMAGE046
；
测点
Figure 877460DEST_PATH_IMAGE081
的接收子波
Figure 804964DEST_PATH_IMAGE018
：幅度谱
Figure 6139DEST_PATH_IMAGE047
  实部 
Figure 651884DEST_PATH_IMAGE048
，虚部
Figure 793277DEST_PATH_IMAGE049
；
：频率幅度谱谱线个数；
（4）波形：计算测点接收波与标准子波的互相关系数，用来描述接收波与标准子波之间的相似程度，在0和1之间取值，取得最大值，两个信号完全相关（相等）；当
Figure 659078DEST_PATH_IMAGE083
时，两个信号完全无关；即
Figure 703519DEST_PATH_IMAGE024
越高，接收波与标准子波的相似程度越高，波形的畸变越小，混凝土的密实性越高。
互相关系数计算起点分别为接收波与标准子波的首波起跳点，为避免首波起跳点的判读偏差，以接收波起跳点为中心，前后小范围移动样本点作为接收波计算样本的起始点，分别计算互相关系数，取其最大值作为该测点的互相关系数
Figure 734295DEST_PATH_IMAGE086
式中：
Figure 212288DEST_PATH_IMAGE021
—标准子波
Figure 116659DEST_PATH_IMAGE020
的波形样本；  
Figure 574185DEST_PATH_IMAGE019
—测点的接收子波
Figure 837118DEST_PATH_IMAGE018
的波形样本；
Figure 166468DEST_PATH_IMAGE009
—计算互相关系数的样本点数；
Figure 988537DEST_PATH_IMAGE053
—接收波起跳点为中心移动的样本点数，
Figure 719733DEST_PATH_IMAGE054
Figure 775414DEST_PATH_IMAGE087
 
3、测点声参量判定因子
将同一个测试构件的所有测位（测试文件）的同一类声参量判定值合并进行归一化处理，得到声参量判定因子
Figure 592060DEST_PATH_IMAGE056
，声参量判定因子
Figure 955170DEST_PATH_IMAGE056
是取值为0～1的无量纲的数值，取值越大，对应混凝土的密实性越高。
Figure 540873DEST_PATH_IMAGE055
Figure 593886DEST_PATH_IMAGE056
—测点
Figure 897828DEST_PATH_IMAGE067
的声参量判定因子（
Figure 235269DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 941056DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 902321DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 693560DEST_PATH_IMAGE060
）；
Figure 834691DEST_PATH_IMAGE061
—测点
Figure 916958DEST_PATH_IMAGE017
的声参量判定值（
Figure 750922DEST_PATH_IMAGE022
，，
Figure 272481DEST_PATH_IMAGE023
，）；
—所有测点同一声参量判定值的最小值；
Figure 753251DEST_PATH_IMAGE063
—所有测点同一声参量判定值的最大值；
其中，按上式计算得到的复频差判定因子取值大小与混凝土密实性的对应关系与其他三种声参量相反，即取值越大，对应混凝土的密实性越差。为保证声参量判定因子取值与混凝土的密实性的对应关系的一致性，将复频差的判定因子取为：
Figure 236185DEST_PATH_IMAGE064
4、测点综合判定因子
测点综合判定因子为各声参量判定因子的加权和：
Figure 397170DEST_PATH_IMAGE069
Figure 572936DEST_PATH_IMAGE068
—归一化前测点
Figure 560484DEST_PATH_IMAGE017
的综合判定因子
Figure 847109DEST_PATH_IMAGE070
—各声参量判定因子在综合判定因子中的加权值(根据测试条件，各声参量的加权值可适当调整，对可靠性低的声参量可降低其权值)。
将综合判定因子归一化：
Figure 469458DEST_PATH_IMAGE065
Figure 878442DEST_PATH_IMAGE066
—归一化后测点
Figure 353286DEST_PATH_IMAGE017
的综合判定因子；
Figure 945067DEST_PATH_IMAGE071
—归一化前测点
Figure 188966DEST_PATH_IMAGE017
的综合判定因子的最小值；
Figure 503273DEST_PATH_IMAGE072
—归一化前测点
Figure 963948DEST_PATH_IMAGE017
的综合判定因子的最大值；
5、使用0～1统一色谱绘制测位（测试文件）综合判定因子色谱图。
测位综合判定因子色谱图表征该测位混凝土质量（密实性）分布图，色谱向蓝色系偏移（综合判定因子偏大）表示混凝土密实性渐好。色谱向红色系（综合判定因子偏小）偏移表示混凝土密实性渐差。
6、在测位综合判定因子色谱图上标注出可疑缺陷投影图。红色系测点明显连接成片的区域视为缺陷可疑区域，红色系的颜色深度对应缺陷不密实性的程度，红色越深，对应的缺陷的不密实性越明显。
7、根据测位综合判定因子色谱图（缺陷投影图）和对应的空间覆盖区域，综合分析判断缺陷的空间位置、尺寸和缺陷性质。
实施例一：十字形梁柱节点模型，内预置缺陷
1、结构介绍：梁截面尺寸为300×700mm、梁截面尺寸为600×600mm；梁柱相交成十字形节点。 
2、缺陷介绍：缺陷为中空木盒，顶面距离梁顶面为350mm（距测区第1行为150mm），尺寸设定为：长×宽×高=200mm×200mm×200mm， 
3、测点布置：测区在柱面的四侧，依次按拟时针顺序标注为1面、2面、3面和4面。测位共7组：其中水平对测3组，水平斜测2组，纵向斜测2组。高度方向：测区第1行距离梁顶面为150mm，共11行，10×50=500mm，第11行距梁下缘50mm，具体位置见表1；
表1：十字型节点测点布置
测位文件名 发射面 接收面 测线方向说明 测距（mm） 行×列
X13D1 1面右侧 3面左侧 水平对测， 600 11×3
X13D2 1面左侧 3面右侧 水平对测， 600 11×3
X24D 2面右侧 4面左侧 水平对测， 600 11×6
X13SX1 1面右侧 3面右侧 水平斜测， 750 11×3
X13SX2 1面左侧 3面左侧 水平斜测， 　750 　11×3
X42ZX 2面下部 4面上部 纵向斜测，4面在上、2面在下，斜测高差150mm 618 8×6
X24ZX 2面上部 4面下部 纵向斜测，4面在下、2面在上，斜测高差200mm 632 7×6
实施例二：T形梁柱节点模型，内预置缺陷
1、结构介绍：梁截面尺寸为300×700mm、梁截面尺寸为600×600mm；梁柱相交成T形节点。 
2、缺陷介绍：缺陷由上下两个木块叠加而成，上木块顶面距离梁顶面为250mm（距测区第1行为100mm），尺寸为长(X)×宽(Y)×高（Z）=200mm×150mm×150mm；，下木块尺寸为长(X)×宽(Y)×高（Z）=200mm×170mm×150mm；
3、测位布置：测位在柱面的四侧，依次按拟时针顺序标注为1面、2面、3面和4面。测点距柱边80mm，水平及垂直方向每50mm布置一个测点，测位共7组：其中水平对测3组，斜测2组，扇形测法2组，高度方向：测区第1行距离梁顶面为150mm，共11行，10*50=500mm，第11行距梁下缘50mm。具体测试位置分布见表2；
表2：T型节点测点布置
测位文件名 发射面 接收面 测线方向说明 测距（mm） 行×列
T13D1 1面右侧 3面左侧 1、3面水平对测， 600 11×3
T13D2 1面左侧 3面右侧 1、3面水平对测， 600 11×3
T24D 2面左侧 4面右侧 2、4面水平对测， 600 11×6
T42ZX 4面上部 2面下部 4、2面斜测，4面在上、2面在下，斜测高差150mm, 750 8×6
T24ZX 2面上部 4面下部 2、4面斜测，2面在上、4面在下，斜测高差150mm 750 8×6
T13S1 1面右侧 3面全部 1面对3面扇形扫描测试 不等 6×12
T13S2 1面左侧 3面全部 1面对3面扇形扫描测试， 不等 6×12
测试结果验证
利用实体模型完成对研究成果的量化验证。
所述已知缺陷在测位的测试面上的投影图为根据已知缺陷和测位测线的空间位置，在测位的测试面上画出缺陷位置的投影图。若测点测线的传播路径通过已知缺陷，该测点为缺陷投影点（红色），测试声参数将明显降低；若测点测线的传播路径通过已知缺陷的边缘或靠近结构表层的低强度区，该测点为弱缺陷投影点（粉色），测试声参数将有所降低；若测点测线的传播路径未通过缺陷，该测点为正常混凝土投影点（兰色），测试声参数将在正常范围内浮动。
根据测位测试数据计算得到的测位综合判定因子色谱图，表征该测位混凝土质量（密实性）的分布，色谱向蓝色系偏移（综合判定因子偏大）表示混凝土密实性渐好。色谱向红色系（综合判定因子偏小）偏移表示混凝土密实性渐差。红色系测点明显连接成片的区域视为缺陷可疑区域，红色系的颜色深度对应缺陷不密实性的程度，红色越深，对应的缺陷的不密实性越明显。
测缺规程方法判定结果图，依据《测缺规程》不密实性缺陷测试方法分析判定出的声参量异常测点。红色点为声速异常点，黄色点为幅度异常点，紫色点为主频异常点。
比较已知缺陷在测位的测试面上的投影图与根据测位测试数据计算得到的测位综合判定因子色谱图，二者的相似程度反映了本发明所述方法在缺陷判定的准确性。比较已知缺陷在测位的测试面上的投影图与测缺规程方法判定结果图，二者的相似程度反映了《测缺规程》方法在缺陷判定中的准确性。
按照上述验证方法分别对十字形梁柱节点模型和T型梁柱节点模型分析结果进行比对，可以得到以下结论：
（1）综合判定因子色谱图与已知缺陷投影图相似程度较高，对应已知缺陷投影图的缺陷投影区，在综合判定因子色谱图的对应区域上可以明显看到红色色谱区，其覆盖范围大体相近。说明综合判定因子方法对缺陷的识别是有效的。综合判定因子色谱图在识别缺陷的同时还描述了投影面的密实性质量分布。
（2）测缺规程方法判定结果图表明：一方面同一种声参量的异常点较为分散，难以判定出缺陷区域，且与已知缺陷投影图的覆盖范围相差较大，另一方面不同声参量的判定结果相差也较大，难于形成最终判定结果。说明《测缺规程》判定方法用于梁柱节点缺陷的识别其效果不理想。
以上两种节点形式是本发明的典型形式，本发明的实施不限于此，还可应用于L形等工程中常见的节点混凝土缺陷的检测。

Claims (4)

1.一种超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一，根据测试构件类型，确定测区布置方法及测点数，每个测位为一个测试文件，在测试文件中记录测点的超声测距di、超声声时li、首波波幅测量值Aci、测点i的接收子波x波形样本fx和测试系统的标准子波S波形样本fs：
步骤二，通过计算测点i的声速值vi，对波形样本波幅测量值A′ci进行修正，计算测点i的接收子波与标准子波的复频差FDi和计算测点i的接收子波与标准子波的互相关系数Ri得到声参量的判定值Vi、Ai、FDi和Ri；
其中，测点i的声速值Vi＝di/ti，di为测点的超声测距，ti为测点的超声声时：
修正后波幅：Ai＝Δci|ΔAi，Δci为波幅测量值，ΔAi为波幅修正值，ΔAi＝ΔAi1|ΔAi2式中ΔAi1为对测距的修正ΔAi1＝α×(di-d0)，α-衰减系数，di-测点的超声测距，d0-基准测距：ΔAi2为对测角γ的修正，具体取值参见下表：
 测角γ   0≤γ＜5   5≤γ＜10   10≤γ＜15   15≤γ＜20   20≤γ＜25   25≤γ＜30   30≤γ＜40  幅度修正量ΔAi2   0   0.5   1   1.5   3   5   6
计算测点i的接收子波与标准子波的复频差
Figure FDA0000138710060000011
标准子波S的幅度谱为fs，Fs的实部为Fsr，虚部为Fsi：
接收子波x的幅度谱为Fx，Fx的实部为Fxr，虚部为Fxi：
c：频率幅度谱谱线个数：
计算测点接收波与标准子波的互相关系数，互相关系数计算起点分别为接收波与标准子波的首波起跳点，为避免首波起跳点的判读偏差，以接收波起跳点为中心，前后小范围移动样本点作为接收波计算样本的起始点，分别计算互相关系数 
Figure FDA0000138710060000021
取其最大值作为该测点的互相关系数
Figure FDA0000138710060000022
上式中：fs-标准子波S的波形样本，
fx-测点i的接收子波x的波形样本，
n-计算互相关系数的样本点数，
m-接收波起跳点为中心移动的样本点数，m＝-10，-9，.....0，1，2，....9，10；
步骤三，将同一个测试构件的所有测点的同一类声参量判定值合并进行归一化处理，得到声参量判定因子
Figure FDA0000138710060000023
其中：Yi-测点i的声参量判定因子VYi，AYi，FDYi和RYi的统称，
yi为测点i的声参量判定值Vi，Ai，FDi和Ri：
yi(min)为所有测点同一声参量判定值的最小值：
yi(max)为所有测点同一声参量判定值的最大值：
步骤四，复频差判定因子取值大小与混凝土密实性的对应关系与其他三种声参量相反，即取值越大，对应混凝土的密实性越差，为保证声参量判定因子取值与混凝土的密实性的对应关系的一致性，将复频差的判定因子取为：
Figure FDA0000138710060000024
步骤五，计算每个测点综合判定因子 
Figure FDA0000138710060000025
其中，Ci-归一化后测点i的综合判定因子 
C′i-归一化前测点i的综合判定因子C′i＝cv×VYi+cA×AYi+cF×FDYi+cR×RYi
cv，cA，cF，cR-各声参量判定因子在综合判定因子中的加权值；
C′i(min)-归一化前测点i的综合判定因子的最小值；
C′i(max)-归一化前测点i的综合判定因子的最大值；
步骤六，使用0～1统一色谱绘制测点的综合判定因子的色谱图；
步骤七，在测位色谱图上标注出缺陷投影图，红色系测点明显连接成片的区域为缺陷可疑区域；
步骤八，通过对所有测位的色谱图综合分析判断缺陷的空间位置、尺寸和缺陷性质。
2.根据权利要求1所述的超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法，其特征在于：步骤一中所述测点有下述测试方式为对测、斜测、扫描测试或以上两者或两者以上的组合，所述扫描测试为角测、测距和测线均不等的测试。
3.根据权利要求1所述的超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法，其特征在于：步骤一所述测点i的接收子波x波形样本fx和测试系统的标准子波S波形样本fs的长度为从波形到达时刻起至少3个以上完整波形。
4.根据权利要求1所述的超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法，其特征在于：步骤四中所述各声参量判定因子在综合判定因子中的加权值根据测试条件进行调整，对可靠性低的声参量降低其权值。 
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