一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法
1.本發(fā)明屬于鋼管混凝土拱橋領(lǐng)域及聲學技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法。
背景技術(shù)：
2.鋼管混凝土拱橋由于受力性能好、強度高等優(yōu)勢，已成為大跨度橋梁的首選橋型之一，已得到了非常廣泛的應(yīng)用。鋼管與混凝土之間的協(xié)同性能，是保證鋼管混凝土拱橋承載力的關(guān)鍵。但由于構(gòu)件承受的軸向壓力、施工過程中的泵送質(zhì)量、溫度的變化、核心混凝土的收縮徐變以及添加劑的用量等多方面原因，導(dǎo)致鋼管混凝土經(jīng)常出現(xiàn)脫空等內(nèi)部缺陷，嚴重影響鋼管與混凝土之間的協(xié)同性能，威脅鋼管混凝土拱橋的安全運營。
3.為能夠?qū)︿摴芑炷两Y(jié)構(gòu)性能進行可靠評估和缺陷有效治理，進而達到結(jié)構(gòu)提載延壽目的，有必要對鋼管混凝土進行準確定性、定量評估。目前，常用的檢測方法主要分為有損檢測法和無損檢測法。無損檢測法對結(jié)構(gòu)不造成損傷，已成為了工程技術(shù)人員首選的檢測方法。常用的無損檢測法包括超聲波法、熱成像法等，有利地幫助了檢測人員掌握結(jié)構(gòu)缺陷情況，但它們也有一定的不足。如專利號cn201310341928.1公布了一種利用超聲波檢測鋼管混凝土粘結(jié)的方法，但是結(jié)構(gòu)的非均勻性很容易影響超聲波的傳播，導(dǎo)致該該方法難以辨別缺陷的類型，在實際橋梁檢測中還需要其他方法進行輔助。專利號cn201810258818.1發(fā)明了一種利用熱成像技術(shù)的鋼管混凝土脫空無損檢測方法，但該方法對環(huán)境和表面條件很敏感，紅外熱成像中使用的設(shè)備價格昂貴，同時目前還很難從紅外熱成像收集的數(shù)據(jù)中建立評估標準。
4.敲擊法可以利用結(jié)構(gòu)自身的聲振特性對結(jié)構(gòu)質(zhì)量進行評估，如專利號cn201110009597.2提出了一種利用結(jié)構(gòu)加速度信號計算結(jié)構(gòu)固有頻率和加速度功率譜的檢測方法，但是該方法對敲擊過程中的力信號和聲音信號利用不足，同時無法對損傷程度進行定量評估。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
5.針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法，該方法同時利用敲擊過程中的結(jié)構(gòu)加速度、敲擊力錘力信號和敲擊聲音信號對脫空深度進行定性并定量評估，具體方案如下：
6.一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法，包括如下步驟：
7.s1，根據(jù)確定的鋼管混凝土脫空缺陷的脫空形狀、深度和位置以及鋼管混凝土的鋼管材質(zhì)、厚度、長度、外圓直徑、內(nèi)圓直徑和混凝土等級，制備帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件；
8.s2，在步驟s1帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件的脫空缺陷位置及周圍區(qū)域設(shè)置測試點位，并對測試點位進行編號；
9.s3，將敲擊力錘、加速度傳感器和聲壓傳感器分別連接數(shù)據(jù)采集儀，將數(shù)據(jù)采集儀
連接pc機，并將加速度傳感器安裝在帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件表面，將聲壓傳感器放在步驟s2敲擊點位中心區(qū)域附近，并通過pc機設(shè)置測試參數(shù)；
10.s4，通過敲擊力錘保持相近的力度依次對步驟s2編號的測試點位進行敲擊，通過步驟s3的數(shù)據(jù)采集儀分別采集敲擊力錘的力信號、加速度傳感器的結(jié)構(gòu)加速度信號和聲壓傳感器的聲音信號，并存儲于pc機；
11.s5，計算步驟s2編號的每個測點的加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積，在密實區(qū)域設(shè)置密實測點作為對照點，并與密實測點進行對比，判斷測試點位的加速度導(dǎo)納面積或聲壓導(dǎo)納面積是否為密實測點的1.5倍以上，若加速度導(dǎo)納面積或聲壓導(dǎo)納面積為密實測點1.5倍以上，則評定該測試點位為脫空點，根據(jù)鋼管混凝土脫空深度和加速度導(dǎo)納面積或鋼管混凝土脫空深度和聲壓導(dǎo)納面積的映射關(guān)系，定量評估鋼管混凝土脫空深度。
12.進一步地，所述帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件的制備方法，包括如下步驟：
13.ss1：根據(jù)鋼管混凝土的尺寸預(yù)制鋼管材料，并在鋼管一端采用鋼板密封；
14.ss2：倒立鋼管，使鋼管密封端朝下，將預(yù)先計算好所需的混凝土體積量澆筑到鋼管內(nèi)部，通過螺栓擰緊密封鋼管另一端；
15.ss3：將鋼管傾斜放置，使鋼管一端處于脫空狀態(tài)，每天澆水養(yǎng)護28天。
16.進一步地，所述加速度導(dǎo)納面積的計算公式為：
[0017][0018]
式中，e
af
(ω)為加速度導(dǎo)納面積，s
af
(ω)為加速度響應(yīng)和錘擊力錘力信號的互功率譜，s
ff
(ω)為錘擊力錘力信號的自功率譜，ω為頻率；
[0019]
所述聲壓導(dǎo)納面積的計算公式為：
[0020][0021]
式中，e
pf
(ω)為聲壓導(dǎo)納面積，s
pf
(ω)為聲音信號和錘擊力錘力信號的互功率譜，s
ff
(ω)為錘擊力錘力信號的自功率譜，ω為頻率。
[0022]
進一步地，所述加速度響應(yīng)和錘擊力錘力信號的互功率譜或聲音信號和錘擊力錘力信號的互功率譜計算時的加窗方式采用矩形窗或漢寧窗，平均方式采用峰值保持，計算點數(shù)為4096點、8192點、16384點、32768點或65536點。
[0023]
進一步地，在步驟s3中，所述帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件水平放置，兩端采用圓形木頭對稱支撐，支撐位置為帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件長度的1/20和19/20處。
[0024]
進一步地，采用結(jié)構(gòu)膠將步驟s3所述的加速度傳感器安裝在帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件的1/6～5/6之間的表面。
[0025]
進一步地，步驟s3中所述的測試參數(shù)包括：采樣頻率、采樣點數(shù)、采樣結(jié)束方式和濾波方式，采樣頻率設(shè)置為51.2khz，采樣點數(shù)設(shè)置為65536點，采樣結(jié)束方式設(shè)置為按塊結(jié)束方式，32塊，每塊1024點，濾波方式設(shè)置為低通濾波，范圍為不大于5000hz。
[0026]
本發(fā)明的優(yōu)點
[0027]
第一，本發(fā)明基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法，是一種綜合考慮了測試點位的敲擊力錘的力信號、加速度信號和聲音信號的測試方法，提出了加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積兩個新指標，通過與密實點位的對比，定性并定量評估鋼管混凝土的脫空，評
估結(jié)果準確可靠。
[0028]
第二，與超聲波檢測方法相比，本發(fā)明不受結(jié)構(gòu)非均勻性以及缺陷類型和缺陷形狀的影響，抗干擾性強，在實際橋梁檢測中無需其他檢測方法進行輔助。
[0029]
第三，與熱成像檢測方法相比，本發(fā)明通過數(shù)字濾波方法進行降噪后，對環(huán)境敏感性很低，所需設(shè)備簡單且便宜，提出的計算指標較為可靠。
[0030]
第四，與現(xiàn)有的敲擊檢測方法相比，本發(fā)明考慮的信息更為全面，而非采用單一的數(shù)據(jù)進行評估，評估指標與脫空深度呈現(xiàn)良好的單調(diào)性，更容易建立脫空深度與評估指標的映射關(guān)系，進而定量評估脫空深度。
[0031]
第五，本發(fā)明提供的測試方法，操作簡單，無需過多復(fù)雜的安裝和拆除工作，可滿足快速、準確、無損的現(xiàn)代化檢測需求。
附圖說明
[0032]
圖1為本發(fā)明基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法的流程圖。
[0033]
圖2為敲擊力錘、加速度傳感器、聲壓傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和pc機的連接示意圖。
[0034]
圖3為圖1中帶有脫空缺陷的鋼管混凝土試件的測試點位布置示意圖。
[0035]
圖4為圖3的展開示意圖。
[0036]
圖5為圖2各設(shè)備的位置示意圖。
[0037]
圖6為圖3的斜線a測試點位的加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積曲線圖。
[0038]
圖7為圖3的基線b試點位的加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積曲線圖。
[0039]
圖8為圖3的斜線c線測試點位的加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積曲線圖。
[0040]
圖中：
[0041]
101：帶有脫空缺陷的鋼管混凝土試件；102：敲擊力錘；103：加速度傳感器；104：聲壓傳感器；105：數(shù)據(jù)采集儀；106：pc機；107：圓形支撐木頭。
具體實施方式
[0042]
下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步地解釋說明，但需要的是，本具體實施例不用于限定本發(fā)明的權(quán)利范圍。
[0043]
如圖1示，本具體實施例提供的一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法，具體步驟如下：
[0044]
s1，首先確定鋼管混凝土的脫空缺陷形狀為三角錐形狀，其深度沿著鋼管表面成線性變化，深度為0～150mm，位于鋼管的端部位置；鋼管采用q345鋼材，厚度3mm，長度2000mm，外徑200mm，內(nèi)徑170mm，混凝土采用c50自密實混凝土；所述帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件101的制備方法，包括如下步驟：
[0045]
ss1：根據(jù)鋼管混凝土的尺寸預(yù)制鋼管材料，并在鋼管一端采用3mm厚q345鋼板密封；
[0046]
ss2：倒立鋼管，使得鋼管密封端朝下，將預(yù)先計算好的自密實c50混凝土體積數(shù)量澆筑到鋼管內(nèi)部，鋼管并未澆筑至頂部，而是留有空余空間；
[0047]
ss3：采用同樣的q345鋼板將鋼管另一端通過螺栓擰緊密封；
[0048]
ss3：將鋼管傾斜放置，使鋼管一端處于脫空狀態(tài)，每天定期澆水養(yǎng)護直至28天。
[0049]
s2，如圖3所示，以帶有脫空缺陷的鋼管混凝土試件101的脫空缺陷的中線為基線b，在鋼管表面繪制邊長為50mm的方格，方格需覆蓋住缺陷區(qū)域并延伸至其他區(qū)域；以基線b和鋼管脫空缺陷端的交界點為原點，在基線兩側(cè)分別繪制斜線a和斜線c，以斜線a和斜線c與方格的交點、基線b上從脫空端開始每隔50mm的點作為測試點位；其中斜線a上設(shè)置四個測試點位，分別編號為a1、a2、a3和a4，基線b有八個測試點位，分別編號為b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8，斜線c設(shè)置三個測試點位，分別編號為c1、c2、c3。
[0050]
s3，如圖2和圖4所示，將敲擊力錘102、加速度傳感器103、聲壓傳感器104分別連接數(shù)據(jù)采集儀105，數(shù)據(jù)采集儀105連接pc機106，將所述帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件水平放置，兩端采用圓形支撐木頭107對稱支撐，支撐位置為帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件長度的1/20和19/20處，采用結(jié)構(gòu)膠將加速度傳感器103安裝在帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件的1/6～5/6之間的表面，優(yōu)選地，將加速度傳感器103安裝在鋼管沿長度的1/2的上表面，將聲壓傳感器104放在敲擊點位中心區(qū)域附近；打開pc機106里的測試系統(tǒng)，進入測試參數(shù)設(shè)置，將采樣頻率設(shè)置為51.2khz，采樣點數(shù)設(shè)置為65536點，采樣結(jié)束方式設(shè)置為按塊結(jié)束方式，32塊，每塊1024點，根據(jù)前期的測試將濾波方式設(shè)置為低通濾波，范圍為不大于5000hz；通過試敲擊鋼管，檢查并保證各設(shè)備處于正常運行狀態(tài)。
[0051]
所述敲擊力錘102為北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的iepe型沖擊力錘，其在錘頭出裝有用于采集敲擊過程力信號的力傳感器，量程0-25000n，靈敏度0.2mv/n。敲擊力錘102的錘頭材料選擇由鋁合金材料制成的。
[0052]
加速度傳感器103為北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的iepe加速度傳感器，頻率范圍0.5～8khz，靈敏度100mv/g，iepe，量程50g。
[0053]
聲壓傳感器104為北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的inv9206聲壓傳感器，頻率范圍20hz～20khz，靈敏度51.2mv/pa。
[0054]
數(shù)據(jù)采集儀105為北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的inv3062v數(shù)據(jù)采集儀，4通道，最高采集頻率51.2khz。
[0055]
s4，通過敲擊力錘保持相同的力度依次對步驟s2已編號的測試點位進行敲擊，并通過步驟s3的數(shù)據(jù)采集儀采集敲擊力錘的力信號、加速度傳感器的加速度信號和和聲壓傳感器的聲音信號，將數(shù)據(jù)發(fā)送并存儲于pc機。
[0056]
s5，計算步驟s2帶有脫空缺陷的鋼管混凝土試件101中已編號的每個測試點位的加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積，在密實區(qū)域設(shè)置密實測點作為對照點，并與密實測點進行對比，所述加速度導(dǎo)納面積的計算公式為：
[0057][0058]
式中，e
af
(ω)為加速度導(dǎo)納面積，s
af
(ω)為加速度響應(yīng)和錘擊力錘力信號的互功率譜，s
ff
(ω)為錘擊力錘力信號的自功率譜，ω為頻率；
[0059]
所述聲壓導(dǎo)納面積的計算公式為：
[0060][0061]
式中，e
pf
(ω)為聲壓導(dǎo)納面積，s
pf
(ω)為聲音信號和錘擊力錘力信號的互功率譜。其中，加速度響應(yīng)和錘擊力錘力信號的互功率譜、聲音信號和錘擊力錘力信號的互功率
譜計算時的加窗方式采用矩形窗或或漢寧窗，本具體實施方式選擇矩形窗，平均方式采用峰值保持，計算點數(shù)為4096點、8192點、16384點、32768點或65536點，作為優(yōu)選地，本具體實施例的計算點數(shù)為32768點；計算所得結(jié)果如表1所示：
[0062]
表1不同測點的加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積計算結(jié)果
[0063][0064]
通過對比，判斷測點加速度導(dǎo)納面積或聲壓導(dǎo)納面積是否為密實測點1.5倍以上，若加速度導(dǎo)納面積或聲壓導(dǎo)納面積為密實測點1.5倍以上，則評定該測試點位為脫空點，加速度導(dǎo)納面積或聲壓導(dǎo)納面積越大，表明脫空深度越大，并根據(jù)此建立特定條件下，鋼管混凝土脫空深度和加速度導(dǎo)納面積或聲壓導(dǎo)納面積的映射關(guān)系，進而定量評估鋼管混凝土脫空深度。
[0065]
在本具體實施例中，除了斜線a的a4測試點位、基線b的b7和b8測試點位以及斜線c的c3點位均分別為密實點位外，其余測試點位均分別為脫空點位，且在斜線a、基線b或斜線c上，隨著編號越大，脫空深度越深。通過表1可以發(fā)現(xiàn)，測試點位a1、a2和a3的e
af
(ω)和e
pf
(ω)均為測試點位a4的1.5倍以上，測試點位b1、b2、b3、b4、b5和b6的e
af
(ω)和e
pf
(ω)均為測試點位b7和b8的1.5倍以上，測試點位c1、c2和c3的e
af
(ω)和e
pf
(ω)均為測試點位c3的1.5倍以上，根據(jù)本發(fā)明的評判標準，測試點位a1、a2、a3、b1、b2、b3、b4、b5、b6、c1、c2和c3為脫空點位，這與設(shè)定的缺陷是吻合的，驗證了評判標準的正確性。
[0066]
此外，從圖5、圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著測試點位編號的增大，其脫空深度減小，測試點位的加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積基本呈現(xiàn)線性下降的趨勢，驗證了本發(fā)明提供的指標可定量評估脫空缺陷深度。同時表明本發(fā)明提出的加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積指標與鋼管混凝土脫空深度之間存在單調(diào)變化的關(guān)系，這為建立鋼管混凝土脫空深度與聲振特性指標的映射關(guān)系提供了基礎(chǔ)。在具體實際檢測過程中，通過室內(nèi)開展更為全面的材料參數(shù)，所述材料參數(shù)包括不同脫空的形狀、深度及其在鋼管混凝土內(nèi)部的位置，不同鋼管的材質(zhì)、厚度、長度、外徑、內(nèi)徑以及不同混凝土的等級等的測試，建立材料參數(shù)與加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積的映射模型，將有助于指導(dǎo)鋼管拱橋的室外脫空檢測工作。
技術(shù)特征：
1.一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：s1，根據(jù)確定的鋼管混凝土脫空缺陷的脫空形狀、深度和位置以及鋼管混凝土的鋼管材質(zhì)、厚度、長度、外圓直徑、內(nèi)圓直徑和混凝土等級，制備帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件；s2，在步驟s1帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件的脫空缺陷位置及周圍區(qū)域設(shè)置測試點位，并對測試點位進行編號；s3，將敲擊力錘、加速度傳感器和聲壓傳感器分別連接數(shù)據(jù)采集儀，將數(shù)據(jù)采集儀連接pc機，并將加速度傳感器安裝在帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件表面，將聲壓傳感器放在步驟s2敲擊點位中心區(qū)域附近，并通過pc機設(shè)置測試參數(shù)；s4，利用敲擊力錘依次對步驟s2編號的測試點位進行敲擊，通過步驟s3的數(shù)據(jù)采集儀分別采集敲擊力錘的力信號、加速度傳感器的結(jié)構(gòu)加速度信號和聲壓傳感器的聲音信號，發(fā)送并存儲于pc機；s5，計算步驟s2編號的每個測點的加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積，在密實區(qū)域設(shè)置密實測點作為對照點，并與密實測點進行對比，判斷測試點位的加速度導(dǎo)納面積或聲壓導(dǎo)納面積是否為密實測點的1.5倍以上，若加速度導(dǎo)納面積或聲壓導(dǎo)納面積為密實測點1.5倍以上，則評定該測試點位為脫空點，根據(jù)鋼管混凝土脫空深度和加速度導(dǎo)納面積或鋼管混凝土脫空深度和聲壓導(dǎo)納面積的映射關(guān)系，定量評估鋼管混凝土脫空深度。2.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法，其特征在于，所述帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件的制備方法，包括如下步驟：ss1：根據(jù)鋼管混凝土的尺寸預(yù)制鋼管，并密封鋼管一端；ss2：倒立鋼管，使鋼管密封端朝下，將預(yù)算好的混凝土體積量澆筑到鋼管內(nèi)部，密封鋼管另一端；ss3：傾斜放置鋼管，使鋼管一端處于脫空狀態(tài)，每天澆水養(yǎng)護28天。3.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法，其特征在于，步驟s5所述加速度導(dǎo)納面積的計算公式為：式中，e
af
(ω)為加速度導(dǎo)納面積，s
af
(ω)為加速度響應(yīng)和錘擊力錘力信號的互功率譜，s
ff
(ω)為錘擊力錘力信號的自功率譜，ω為頻率；所述聲壓導(dǎo)納面積的計算公式為：式中，e
pf
(ω)為聲壓導(dǎo)納面積，s
pf
(ω)為聲音信號和錘擊力錘力信號的互功率譜，s
ff
(ω)為錘擊力錘力信號的自功率譜，ω為頻率。4.根據(jù)權(quán)利要求3一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法，其特征在于，所述加速度響應(yīng)和錘擊力錘力信號的互功率譜或聲音信號和錘擊力錘力信號的互功率譜計算時的加窗方式采用矩形窗或漢寧窗，平均方式采用峰值保持，計算點數(shù)為4096點、8192點、16384點、32768點或65536點。5.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法，其特征在于，在步驟
s3中，所述帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件水平放置，兩端采用圓形木頭對稱支撐，支撐位置為帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件長度的1/20和19/20處。6.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法，其特征在于，采用結(jié)構(gòu)膠將步驟s3所述的加速度傳感器安裝在帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件的1/6～5/6之間的表面。7.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法，其特征在于，步驟s3中所述的測試參數(shù)包括：采樣頻率、采樣點數(shù)、采樣結(jié)束方式和濾波方式，采樣頻率設(shè)置為51.2khz，采樣點數(shù)設(shè)置為65536點，采樣結(jié)束方式設(shè)置為按塊結(jié)束方式，32塊，每塊1024點，濾波方式設(shè)置為低通濾波，范圍不大于5000hz。
技術(shù)總結(jié)
基于聲振特性的鋼管混凝土脫空檢測方法包括如下步驟：S1制備帶脫空缺陷的鋼管混凝土試件；S2在試件脫空缺陷位置及周圍區(qū)域設(shè)置測試點位，并編號；S3將敲擊力錘、加速度傳感器和聲壓傳感器分別連接數(shù)據(jù)采集儀，將數(shù)據(jù)采集儀連接PC機，設(shè)置測試參數(shù)；S4利用敲擊力錘依次對測試點位進行敲擊，采集敲擊力錘的力信號、加速度傳感器的結(jié)構(gòu)加速度信號和聲壓傳感器的聲音信號，發(fā)送并存儲于PC機；S5計算每個測點的加速度導(dǎo)納面積和聲壓導(dǎo)納面積，并與密實測點對比，若加速度導(dǎo)納面積或聲壓導(dǎo)納面積為密實測點1.5倍以上，則該測試點位為脫空點，否則為密實測點，定量評估鋼管混凝土脫空深度。該方法操作簡單，能滿足快速、準確、無損的現(xiàn)代化檢測需求。化檢測需求。化檢測需求。
