CN115616078B - 一种基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法 - Google Patents
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Abstract
基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法包括如下步骤：S1制备带脱空缺陷的钢管混凝土试件；S2在试件脱空缺陷位置及周围区域设置测试点位，并编号；S3将敲击力锤、加速度传感器和声压传感器分别连接数据采集仪，将数据采集仪连接PC机，设置测试参数；S4利用敲击力锤依次对测试点位进行敲击，采集敲击力锤的力信号、加速度传感器的结构加速度信号和声压传感器的声音信号，发送并存储于PC机；S5计算每个测点的加速度导纳面积和声压导纳面积，并与密实测点对比，若加速度导纳面积或声压导纳面积为密实测点1.5倍以上，则该测试点位为脱空点，否则为密实测点，定量评估钢管混凝土脱空深度。该方法操作简单，能满足快速、准确、无损的现代化检测需求。
Description
技术领域
本发明属于钢管混凝土拱桥领域及声学技术领域，具体涉及一种基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法。
背景技术
钢管混凝土拱桥由于受力性能好、强度高等优势，已成为大跨度桥梁的首选桥型之一，已得到了非常广泛的应用。钢管与混凝土之间的协同性能，是保证钢管混凝土拱桥承载力的关键。但由于构件承受的轴向压力、施工过程中的泵送质量、温度的变化、核心混凝土的收缩徐变以及添加剂的用量等多方面原因，导致钢管混凝土经常出现脱空等内部缺陷，严重影响钢管与混凝土之间的协同性能，威胁钢管混凝土拱桥的安全运营。
为能够对钢管混凝土结构性能进行可靠评估和缺陷有效治理，进而达到结构提载延寿目的，有必要对钢管混凝土进行准确定性、定量评估。目前，常用的检测方法主要分为有损检测法和无损检测法。无损检测法对结构不造成损伤，已成为了工程技术人员首选的检测方法。常用的无损检测法包括超声波法、热成像法等，有利地帮助了检测人员掌握结构缺陷情况，但它们也有一定的不足。如专利号CN201310341928.1公布了一种利用超声波检测钢管混凝土粘结的方法，但是结构的非均匀性很容易影响超声波的传播，导致该该方法难以辨别缺陷的类型，在实际桥梁检测中还需要其他方法进行辅助。专利号CN201810258818.1发明了一种利用热成像技术的钢管混凝土脱空无损检测方法，但该方法对环境和表面条件很敏感，红外热成像中使用的设备价格昂贵，同时目前还很难从红外热成像收集的数据中建立评估标准。
敲击法可以利用结构自身的声振特性对结构质量进行评估，如专利号CN201110009597.2提出了一种利用结构加速度信号计算结构固有频率和加速度功率谱的检测方法，但是该方法对敲击过程中的力信号和声音信号利用不足，同时无法对损伤程度进行定量评估。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法，该方法同时利用敲击过程中的结构加速度、敲击力锤力信号和敲击声音信号对脱空深度进行定性并定量评估，具体方案如下：
一种基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法，包括如下步骤：
S1，根据确定的钢管混凝土脱空缺陷的脱空形状、深度和位置以及钢管混凝土的钢管材质、厚度、长度、外圆直径、内圆直径和混凝土等级，制备带脱空缺陷的钢管混凝土试件；
S2，在步骤S1带脱空缺陷的钢管混凝土试件的脱空缺陷位置及周围区域设置测试点位，并对测试点位进行编号；
S3，将敲击力锤、加速度传感器和声压传感器分别连接数据采集仪，将数据采集仪连接PC机，并将加速度传感器安装在带脱空缺陷的钢管混凝土试件表面，将声压传感器放在步骤S2敲击点位中心区域附近，并通过PC机设置测试参数；
S4，通过敲击力锤保持相近的力度依次对步骤S2编号的测试点位进行敲击，通过步骤S3的数据采集仪分别采集敲击力锤的力信号、加速度传感器的结构加速度信号和声压传感器的声音信号，并存储于PC机；
S5，计算步骤S2编号的每个测点的加速度导纳面积和声压导纳面积，在密实区域设置密实测点作为对照点，并与密实测点进行对比，判断测试点位的加速度导纳面积或声压导纳面积是否为密实测点的1.5倍以上，若加速度导纳面积或声压导纳面积为密实测点1.5倍以上，则评定该测试点位为脱空点，根据钢管混凝土脱空深度和加速度导纳面积或钢管混凝土脱空深度和声压导纳面积的映射关系，定量评估钢管混凝土脱空深度。
进一步地，所述带脱空缺陷的钢管混凝土试件的制备方法，包括如下步骤：
SS1：根据钢管混凝土的尺寸预制钢管材料，并在钢管一端采用钢板密封；
SS2：倒立钢管，使钢管密封端朝下，将预先计算好所需的混凝土体积量浇筑到钢管内部，通过螺栓拧紧密封钢管另一端；
SS3：将钢管倾斜放置，使钢管一端处于脱空状态，每天浇水养护28天。
进一步地，所述加速度导纳面积的计算公式为：
式中，EAF(ω)为加速度导纳面积，SAF(ω)为加速度响应和锤击力锤力信号的互功率谱，SFF(ω)为锤击力锤力信号的自功率谱，ω为频率；
所述声压导纳面积的计算公式为：
式中，EPF(ω)为声压导纳面积，SPF(ω)为声音信号和锤击力锤力信号的互功率谱，SFF(ω)为锤击力锤力信号的自功率谱，ω为频率。
进一步地，所述加速度响应和锤击力锤力信号的互功率谱或声音信号和锤击力锤力信号的互功率谱计算时的加窗方式采用矩形窗或汉宁窗，平均方式采用峰值保持，计算点数为4096点、8192点、16384点、32768点或65536点。
进一步地，在步骤S3中，所述带脱空缺陷的钢管混凝土试件水平放置，两端采用圆形木头对称支撑，支撑位置为带脱空缺陷的钢管混凝土试件长度的1/20和19/20处。
进一步地，采用结构胶将步骤S3所述的加速度传感器安装在带脱空缺陷的钢管混凝土试件的1/6～5/6之间的表面。
进一步地，步骤S3中所述的测试参数包括：采样频率、采样点数、采样结束方式和滤波方式，采样频率设置为51.2kHz，采样点数设置为65536点，采样结束方式设置为按块结束方式，32块，每块1024点，滤波方式设置为低通滤波，范围为不大于5000Hz。
本发明的优点
第一，本发明基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法，是一种综合考虑了测试点位的敲击力锤的力信号、加速度信号和声音信号的测试方法，提出了加速度导纳面积和声压导纳面积两个新指标，通过与密实点位的对比，定性并定量评估钢管混凝土的脱空，评估结果准确可靠。
第二，与超声波检测方法相比，本发明不受结构非均匀性以及缺陷类型和缺陷形状的影响，抗干扰性强，在实际桥梁检测中无需其他检测方法进行辅助。
第三，与热成像检测方法相比，本发明通过数字滤波方法进行降噪后，对环境敏感性很低，所需设备简单且便宜，提出的计算指标较为可靠。
第四，与现有的敲击检测方法相比，本发明考虑的信息更为全面，而非采用单一的数据进行评估，评估指标与脱空深度呈现良好的单调性，更容易建立脱空深度与评估指标的映射关系，进而定量评估脱空深度。
第五，本发明提供的测试方法，操作简单，无需过多复杂的安装和拆除工作，可满足快速、准确、无损的现代化检测需求。
附图说明
图1为本发明基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法的流程图。
图2为敲击力锤、加速度传感器、声压传感器、数据采集仪和PC机的连接示意图。
图3为图1中带有脱空缺陷的钢管混凝土试件的测试点位布置示意图。
图4为图3的展开示意图。
图5为图2各设备的位置示意图。
图6为图3的斜线A测试点位的加速度导纳面积和声压导纳面积曲线图。
图7为图3的基线B试点位的加速度导纳面积和声压导纳面积曲线图。
图8为图3的斜线C线测试点位的加速度导纳面积和声压导纳面积曲线图。
图中：
101：带有脱空缺陷的钢管混凝土试件；102：敲击力锤；103：加速度传感器；104：声压传感器；105：数据采集仪；106：PC机；107：圆形支撑木头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地解释说明，但需要的是，本具体实施例不用于限定本发明的权利范围。
如图1示，本具体实施例提供的一种基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法，具体步骤如下：
S1，首先确定钢管混凝土的脱空缺陷形状为三角锥形状，其深度沿着钢管表面成线性变化，深度为0～150mm，位于钢管的端部位置；钢管采用Q345钢材，厚度3mm，长度2000mm，外径200mm，内径170mm，混凝土采用C50自密实混凝土；所述带脱空缺陷的钢管混凝土试件101的制备方法，包括如下步骤：
SS1：根据钢管混凝土的尺寸预制钢管材料，并在钢管一端采用3mm厚Q345钢板密封；
SS2：倒立钢管，使得钢管密封端朝下，将预先计算好的自密实C50混凝土体积数量浇筑到钢管内部，钢管并未浇筑至顶部，而是留有空余空间；
SS3：采用同样的Q345钢板将钢管另一端通过螺栓拧紧密封；
SS3：将钢管倾斜放置，使钢管一端处于脱空状态，每天定期浇水养护直至28天。
S2，如图3所示，以带有脱空缺陷的钢管混凝土试件101的脱空缺陷的中线为基线B，在钢管表面绘制边长为50mm的方格，方格需覆盖住缺陷区域并延伸至其他区域；以基线B和钢管脱空缺陷端的交界点为原点，在基线两侧分别绘制斜线A和斜线C，以斜线A和斜线C与方格的交点、基线B上从脱空端开始每隔50mm的点作为测试点位；其中斜线A上设置四个测试点位，分别编号为A1、A2、A3和A4，基线B有八个测试点位，分别编号为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，斜线C设置三个测试点位，分别编号为C1、C2、C3。
S3，如图2和图4所示，将敲击力锤102、加速度传感器103、声压传感器104分别连接数据采集仪105，数据采集仪105连接PC机106，将所述带脱空缺陷的钢管混凝土试件水平放置，两端采用圆形支撑木头107对称支撑，支撑位置为带脱空缺陷的钢管混凝土试件长度的1/20和19/20处，采用结构胶将加速度传感器103安装在带脱空缺陷的钢管混凝土试件的1/6～5/6之间的表面，优选地，将加速度传感器103安装在钢管沿长度的1/2的上表面，将声压传感器104放在敲击点位中心区域附近；打开PC机106里的测试系统，进入测试参数设置，将采样频率设置为51.2kHz，采样点数设置为65536点，采样结束方式设置为按块结束方式，32块，每块1024点，根据前期的测试将滤波方式设置为低通滤波，范围为不大于5000Hz；通过试敲击钢管，检查并保证各设备处于正常运行状态。
所述敲击力锤102为北京东方振动和噪声技术研究所生产的IEPE型冲击力锤，其在锤头出装有用于采集敲击过程力信号的力传感器，量程0-25000N，灵敏度0.2mV/N。敲击力锤102的锤头材料选择由铝合金材料制成的。
加速度传感器103为北京东方振动和噪声技术研究所生产的IEPE加速度传感器，频率范围0.5～8KHz，灵敏度100mV/g，IEPE，量程50g。
声压传感器104为北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV9206声压传感器，频率范围20Hz～20kHz，灵敏度51.2mV/Pa。
数据采集仪105为北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV3062V数据采集仪，4通道，最高采集频率51.2KHz。
S4，通过敲击力锤保持相同的力度依次对步骤S2已编号的测试点位进行敲击，并通过步骤S3的数据采集仪采集敲击力锤的力信号、加速度传感器的加速度信号和和声压传感器的声音信号，将数据发送并存储于PC机。
S5，计算步骤S2带有脱空缺陷的钢管混凝土试件101中已编号的每个测试点位的加速度导纳面积和声压导纳面积，在密实区域设置密实测点作为对照点，并与密实测点进行对比，所述加速度导纳面积的计算公式为：
式中，EAF(ω)为加速度导纳面积，SAF(ω)为加速度响应和锤击力锤力信号的互功率谱，SFF(ω)为锤击力锤力信号的自功率谱，ω为频率；
所述声压导纳面积的计算公式为：
式中，EPF(ω)为声压导纳面积，SPF(ω)为声音信号和锤击力锤力信号的互功率谱。其中，加速度响应和锤击力锤力信号的互功率谱、声音信号和锤击力锤力信号的互功率谱计算时的加窗方式采用矩形窗或或汉宁窗，本具体实施方式选择矩形窗，平均方式采用峰值保持，计算点数为4096点、8192点、16384点、32768点或65536点，作为优选地，本具体实施例的计算点数为32768点；计算所得结果如表1所示：
表1不同测点的加速度导纳面积和声压导纳面积计算结果
通过对比，判断测点加速度导纳面积或声压导纳面积是否为密实测点1.5倍以上，若加速度导纳面积或声压导纳面积为密实测点1.5倍以上，则评定该测试点位为脱空点，加速度导纳面积或声压导纳面积越大，表明脱空深度越大，并根据此建立特定条件下，钢管混凝土脱空深度和加速度导纳面积或声压导纳面积的映射关系，进而定量评估钢管混凝土脱空深度。
在本具体实施例中，除了斜线A的A4测试点位、基线B的B7和B8测试点位以及斜线C的C3点位均分别为密实点位外，其余测试点位均分别为脱空点位，且在斜线A、基线B或斜线C上，随着编号越大，脱空深度越深。通过表1可以发现，测试点位A1、A2和A3的EAF(ω)和EPF(ω)均为测试点位A4的1.5倍以上，测试点位B1、B2、B3、B4、B5和B6的EAF(ω)和EPF(ω)均为测试点位B7和B8的1.5倍以上，测试点位C1、C2和C3的EAF(ω)和EPF(ω)均为测试点位C3的1.5倍以上，根据本发明的评判标准，测试点位A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4、B5、B6、C1、C2和C3为脱空点位，这与设定的缺陷是吻合的，验证了评判标准的正确性。
此外，从图5、图6和图7可以发现，随着测试点位编号的增大，其脱空深度减小，测试点位的加速度导纳面积和声压导纳面积基本呈现线性下降的趋势，验证了本发明提供的指标可定量评估脱空缺陷深度。同时表明本发明提出的加速度导纳面积和声压导纳面积指标与钢管混凝土脱空深度之间存在单调变化的关系，这为建立钢管混凝土脱空深度与声振特性指标的映射关系提供了基础。在具体实际检测过程中，通过室内开展更为全面的材料参数，所述材料参数包括不同脱空的形状、深度及其在钢管混凝土内部的位置，不同钢管的材质、厚度、长度、外径、内径以及不同混凝土的等级等的测试，建立材料参数与加速度导纳面积和声压导纳面积的映射模型，将有助于指导钢管拱桥的室外脱空检测工作。
Claims (6)
1.一种基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，根据确定的钢管混凝土脱空缺陷的脱空形状、深度和位置以及钢管混凝土的钢管材质、厚度、长度、外圆直径、内圆直径和混凝土等级，制备带脱空缺陷的钢管混凝土试件；
S2，在步骤S1带脱空缺陷的钢管混凝土试件的脱空缺陷位置及周围区域设置测试点位，并对测试点位进行编号；
S3，将敲击力锤、加速度传感器和声压传感器分别连接数据采集仪，将数据采集仪连接PC机，并将加速度传感器安装在带脱空缺陷的钢管混凝土试件表面，将声压传感器放在步骤S2敲击点位中心区域附近，并通过PC机设置测试参数；
S4，利用敲击力锤依次对步骤S2编号的测试点位进行敲击，通过步骤S3的数据采集仪分别采集敲击力锤的力信号、加速度传感器的结构加速度信号和声压传感器的声音信号，发送并存储于PC机；
S5，计算步骤S2编号的每个测点的加速度导纳面积和声压导纳面积，在密实区域设置密实测点作为对照点，并与密实测点进行对比，判断测试点位的加速度导纳面积或声压导纳面积是否为密实测点的1.5倍以上，若加速度导纳面积或声压导纳面积为密实测点1.5倍以上，则评定该测试点位为脱空点，根据钢管混凝土脱空深度和加速度导纳面积或钢管混凝土脱空深度和声压导纳面积的映射关系，定量评估钢管混凝土脱空深度；
步骤S5所述加速度导纳面积的计算公式为：
式中，EAF(ω)为加速度导纳面积，SAF(ω)为加速度响应和锤击力锤力信号的互功率谱，SFF(ω)为锤击力锤力信号的自功率谱，ω为频率；
所述声压导纳面积的计算公式为：
式中，EPF(ω)为声压导纳面积，SPF(ω)为声音信号和锤击力锤力信号的互功率谱，SFF(ω)为锤击力锤力信号的自功率谱，ω为频率。
2.根据权利要求1一种基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于，所述带脱空缺陷的钢管混凝土试件的制备方法，包括如下步骤：
SS1：根据钢管混凝土的尺寸预制钢管，并密封钢管一端；
SS2：倒立钢管，使钢管密封端朝下，将预算好的混凝土体积量浇筑到钢管内部，密封钢管另一端；
SS3：倾斜放置钢管，使钢管一端处于脱空状态，每天浇水养护28天。
3.根据权利要求1一种基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于，所述加速度响应和锤击力锤力信号的互功率谱或声音信号和锤击力锤力信号的互功率谱计算时的加窗方式采用矩形窗或汉宁窗，平均方式采用峰值保持，计算点数为4096点、8192点、16384点、32768点或65536点。
4.根据权利要求1一种基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于，在步骤S3中，所述带脱空缺陷的钢管混凝土试件水平放置，两端采用圆形木头对称支撑，支撑位置为带脱空缺陷的钢管混凝土试件长度的1/20和19/20处。
5.根据权利要求1一种基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于，采用结构胶将步骤S3所述的加速度传感器安装在带脱空缺陷的钢管混凝土试件的1/6～5/6之间的表面。
6.根据权利要求1一种基于声振特性的钢管混凝土脱空检测方法，其特征在于，步骤S3中所述的测试参数包括：采样频率、采样点数、采样结束方式和滤波方式，采样频率设置为51.2kHz，采样点数设置为65536点，采样结束方式设置为按块结束方式，32块，每块1024点，滤波方式设置为低通滤波，范围不大于5000Hz。
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