CN107894459A - 基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法，在被测对象指定的测试区域内布置测线或测试面；将波动信号拾取装置放置于所布置的测点上，并利用信号源发生装置激发入射波动信号；波动信号拾取装置拾取反射波动信号和入射波动信号重组后的混合波动信号；信号转化调理装置将信号由模拟信号转为数字信号；对混合波动信号进行特征分析，并判断孔道内部注浆状况。本发明通过分析入射波动信号在遇到缺陷，或者阻抗差异较大的反射面时出现的反射波动信号与入射波动信号进行叠加后产生的特征变化，并通过对叠加后信号的拾取和分析以特征变化为主要依据判断被测对象孔道的内部是否存在压浆缺陷；该测试方法严谨、可靠性高，使得最终的判断结果更加准确。

Description

基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法

技术领域

本发明涉及工程质量检测技术领域，具体涉及一种基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法。

背景技术

随着我国社会的飞速发展，交通需求在逐渐扩大，国家也在基础交通建设领域投入了巨大资金，因我国地形复杂多变，河流、山脉纵横，桥梁就成为了连接各类天堑的重要纽带，为了提升桥梁的适用寿命、跨度、荷载能力、后张法预应力被广泛应用。

为了保证预应力钢绞线在桥梁服役过程中长期有效发挥作用，压浆质量是最为关键的因素，如果预应力孔道压浆不密实，一方面会影响桥梁应力的分散作用形成应力集中区，导致结构受损，另一方面高应力状态下钢绞线会快速锈蚀，一旦断裂桥梁荷载能力将极大降低，极易造成安全事故，因此对孔道压浆密实度的有效检测是极为重要的，一旦发现问题可指导工程技术人员及时修补，避免出现重大安全事故。

发明内容

基于此，针对上述问题，有必要提出一种基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法，其在被测对象孔道的一定区域内采用特制的刚性小锤发生入射波动信号，通过分析入射波动信号在遇到缺陷，或者阻抗差异较大的反射面时出现的反射波动信号与入射波动信号进行叠加后产生的特征变化，并通过对叠加后信号的拾取和分析以特征变化为主要依据判断被测对象孔道的内部是否存在压浆缺陷；其测试方法严谨、可靠性高，使得最终的判断结果更加准确。

本发明的技术方案是：

一种基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法，包括以下步骤：

a、在被测对象指定的测试区域内布置测线或测试面；其中,测试面由多条测线拟合而成；

b、将波动信号拾取装置放置于所布置的测点上，并利用信号源发生装置激发入射波动信号；

c、波动信号拾取装置拾取反射波动信号和入射波动信号重组后的混合波动信号，并将该混合波动信号传输至信号转化调理装置；

d、信号转化调理装置将混合波动信号由模拟信号转为数字信号，并进行调理；

e、对所拾取的混合波动信号进行特征分析，并通过分析出的特征判断孔道内部注浆状况。

本发明以预应力孔道压浆密实度作为阐述基础，也包括对混凝土内部缺陷与二次浇注混凝土粘接面的密实状况进行检测；其采用信号源发生装置，入射波在传播过程中遇到孔道不密实现象时，波动信号会出现反射，并与入射波动信号重组并持续传播，通过分析重组后的混合波动信号的特征差异判断孔道内部压浆质量问题；具体为在被测对象孔道的一定区域内采用特制的刚性小锤发生入射波动信号，通过分析入射波动信号在遇到缺陷，或者阻抗差异较大的反射面时出现的反射波动信号与入射波动信号进行叠加后产生的特征变化，并通过对叠加信号的拾取和分析以特征变化为主要依据判断被测对象孔道的内部是否存在压浆缺陷；其测试方法严谨、可靠性高，使最终的判断结果更加准确。

作为上述方案的进一步优化，在步骤a中，所布置的测点间距不大于测试面到被测对象缺陷距离的1.5倍；测试区域布置在被测对象的中心线与上边缘之间的区域向上或向下平移d/4位置处，或者布置在被测对象的中心线与下边缘之间的区域向上或向下平移d/4位置处；其中，d为被测对象的孔道直径。

测点布置，如图2a和图2b所示，根据测试精度要求可调整布点密度，一般情况下布点间距不应大于测试面距离孔道距离的1.5倍，布点位置应结合波的检测能力，不应布置于测试对象(孔道)中心线位置，应布置在中心线与上边缘或者下边缘之间的区域向上或者向下平移d/4的位置处；使得波动信号拾取装置能准确的拾取到入射波动信号与反射波动信号重组后形成的混合波动信号，提高所测试的波动信号的精度。

作为上述方案的进一步优化，在步骤b中，所述信号源发生装置在与波动信号拾取装置距离为D的同一条线上进行发振；其中，D＝0.3λ+0.05,λ为入射波动信号的波长。

将波动信号拾取装置放置于已布置好的测点上，采用可变频的信号源发生装置在远离波动信号拾取装置距离D的同一条直线上激振，其中，距离D＝0.3λ+0.05，λ为入射波动信号的波长，λ的取值不定，与激振锤的球体直径材质有关，一般情况下激振频率为D_c为激振锤的球体直径，发振过程中优先采用反射率较高的激振装置或激振方式(R∝f，R为信号反射率，f为信号入射频率)，以提高信号在遇到阻抗差的反射率，最大反射率可通过通用理论公式计算，也可通过现场试验获取。

作为上述方案的进一步优化，在步骤b中，所述信号源发生装置为钢制材料制成的激振锤，其硬度在HRC28-HRC35之间；所述激振锤包括球体、拉簧和锤把，所述球体通过拉簧与锤把连接，且球体的直径为6mm-28mm。

采用包括球体、拉簧和锤把的钢制激振锤作为信号源发生装置，其球体与锤把之间采用拉簧连接，使得该信号源发生装置可有效抑制脉冲信号后的干扰信号，为***提供一个稳态输入函数，便于进行信号分析。

作为上述方案的更进一步优化，所述步骤e包括以下步骤：

接收经过调理后的混合波动信号，并对该混合波动信号进行分析；

根据分析后的混合波动信号的特征变化，评价被测对象孔道内的压浆质量问题。

拾取入射波动信号和反射波动信号重组混合后的混合波动信号，对该混合波动信号的特征进行分析，从而判断孔道内部是否存在压浆缺陷；提高了对孔道内的压浆质量问题进行评价和判断的准确性，使对工况的质量检测更加可靠。

作为上述方案的更进一步优化，所述步骤e还包括以下步骤：

通过分析入射波动信号与混合波动信号以及压浆密实区域的区别，判断被测对象孔道的压浆质量问题。

实际工程中预应力孔道材质主要以3中形式存在，第一种是铁皮波纹管，第二种是PVC波纹管，第三种是抽拔形式的无管结构，其主要区别在于反射面的反射系数存在一定差异；当孔道没有压浆或者压浆密实度较低时，相同结构形态前提下3种孔道类型的***特性基本一致(由于波纹管材质不同***特性略有差别)，其反射信号响应也基本一致，表现为振幅(由于谐波的影响结构范围内的频谱和相位同时会出现基本一致的特性)基本一致；当孔道压浆密实且浆料达到设计要求强度(M50)时,3种孔道类型信号有所差别，但均与没有压浆或者压浆密实度较低时的有差别，此时***整体特性产生了变化，导致反射波动信号振幅会发生变化(由于谐波的影响结构范围内的频谱和相位同时会出现变化)；根据检测过程中通过密实孔道与存在缺陷的孔道信号特性的不同可准确判断预应力孔道在长度方向上的缺陷状态分布即检测区的密实度状况。

作为上述方案的更进一步优化，还包括以下步骤:

混合波动信号经信号转化及调理后,传输至信号显示装置进行信号显示。信号显示装置用于将调理后的混合波动信号显示出来，方便工作人员观测并分析。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用信号源发生装置，入射波在传播过程中遇到孔道不密实现象时，波动信号会出现反射，并与入射波动信号重组并持续传播，通过分析重组后的混合波动信号的特征差异判断孔道内部压浆质量问题。

2、根据测试精度要求可调整布点密度，布点间距不大于测试面距离孔道距离的1.5倍，布点位置应结合波的检测能力，布置在中心线与上边缘或者下边缘之间的区域向上或者向下平移d/4的位置处；使得波动信号拾取装置能准确的拾取到入射波动信号与反射波动信号重组后形成的混合波动信号，提高所测试的波动信号的精度。

3、将波动信号拾取装置放置于已布置好的测点上，采用可变频的信号源发生装置在远离波动信号拾取装置距离D的同一条直线上激振，其中，距离D＝0.3λ+0.05，发振过程中优先采用反射率较高的激振装置或激振方式(R∝f，R为信号反射率，f为信号入射频率)，有效提高了信号在遇到阻抗差的反射率。

4、对该混合波动信号的特征进行分析，从而判断孔道内部是否存在压浆缺陷；提高了对孔道内的压浆质量问题进行评价和判断的准确性，使对工况的质量检测更加可靠。

5、根据检测过程中通过密实孔道与存在缺陷的孔道信号特性的不同可准确判断预应力孔道在长度方向上的缺陷状态分布即检测区的密实度状况，提高检测准确度和安全性。

附图说明

图1是本发明实施例所述基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法的流程图；

图2a是本发明实施例所述测试区域的侧视图；

图2b是本发明实施例所述测试区域的正视图；

图3是本发明实施例所述测试点及波动信号发生点关系示意图；

图4是本发明实施例所述信号源发生装置的结构示意图；

图5是本发明实施例所述孔道未压浆或者压浆质量较差时的波动信号传播示意图；

图6是本发明实施例所述孔道压浆密实时的波动信号传播示意图；

图7是本发明实施例所述单自由度振动***模型示意图；

图8是本发明实施例所述入射波动信号与反射波动信号的信号叠加示意图；

图9是本发明实施例所述谐波影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法，包括以下步骤：

a、在被测对象指定的测试区域内布置测线或测试面；其中,测试面由多条测线拟合而成；

b、将波动信号拾取装置放置于所布置的测点上，并利用信号源发生装置激发入射波动信号；

c、波动信号拾取装置拾取反射波动信号和入射波动信号重组后的混合波动信号，并将该混合波动信号传输至信号转化调理装置；

d、信号转化调理装置将混合波动信号由模拟信号转为数字信号，并进行调理；

e、对所拾取的混合波动信号进行特征分析，并通过分析出的特征判断孔道内部注浆状况。

本发明以预应力孔道压浆密实度作为阐述基础，也包括对混凝土内部缺陷与二次浇注混凝土粘接面的密实状况进行检测；其采用信号源发生装置，入射波在传播过程中遇到孔道不密实现象时，波动信号会出现反射，并与入射波动信号重组并持续传播，通过分析重组后的混合波动信号的特征差异判断孔道内部压浆质量问题；具体为在被测对象孔道的一定区域内采用特制的刚性小锤发生入射波动信号，通过分析入射波动信号在遇到缺陷，或者阻抗差异较大的反射面时出现的反射波动信号与入射波动信号进行叠加后产生的特征变化，并通过对叠加信号的拾取和分析以特征变化为主要依据判断被测对象孔道的内部是否存在压浆缺陷；其测试方法严谨、可靠性高，使最终的判断结果更加准确。

在其中一个实施例中，如图2a和图2b所示，在步骤a中，所布置的测点间距不大于测试面到被测对象缺陷距离的1.5倍；测试区域布置在被测对象的中心线与上边缘之间的区域向上或向下平移d/4位置处，或者布置在被测对象的中心线与下边缘之间的区域向上或向下平移d/4位置处；其中，d为被测对象的孔道直径。

测点布置，根据测试精度要求可调整布点密度，一般情况下布点间距不应大于测试面距离孔道距离的1.5倍，布点位置应结合波的检测能力，不应布置于测试对象(孔道)中心线位置，应布置在中心线与上边缘或者下边缘之间的区域向上或者向下平移d/4的位置处；使得波动信号拾取装置能准确的拾取到入射波动信号与反射波动信号重组后形成的混合波动信号，提高所测试的波动信号的精度。

在另一个实施例中，如图3所示，在步骤b中，所述信号源发生装置在与波动信号拾取装置距离为D的同一条线上进行发振；其中，D＝0.3λ+0.05,λ为入射波动信号的波长。

将波动信号拾取装置放置于已布置好的测点上，采用可变频的信号源发生装置在远离波动信号拾取装置距离D的同一条直线上激振，其中，距离D＝0.3λ+0.05，λ为入射波动信号的波长，λ的取值不定，与激振锤的球体直径材质有关，一般情况下激振频率为D_c为激振锤的球体直径，发振过程中优先采用反射率较高的激振装置或激振方式(R∝f，R为信号反射率，f为信号入射频率)，以提高信号在遇到阻抗差的反射率，最大反射率可通过通用理论公式计算，也可通过现场试验获取。

在另一个实施例中，如图4所示，在步骤b中，所述信号源发生装置为钢制材料制成的激振锤，其硬度为HRC28；所述激振锤包括球体、拉簧和锤把，所述球体通过拉簧与锤把连接，且球体的直径为6mm。

在另一个实施例中，如图4所示，在步骤b中，所述信号源发生装置为钢制材料制成的激振锤，其硬度为HRC35；所述激振锤包括球体、拉簧和锤把，所述球体通过拉簧与锤把连接，且球体的直径为28mm。

在另一个实施例中，如图4所示，在步骤b中，所述信号源发生装置为钢制材料制成的激振锤，其硬度为HRC32；所述激振锤包括球体、拉簧和锤把，所述球体通过拉簧与锤把连接，且球体的直径为17mm。

采用包括球体、拉簧和锤把的钢制激振锤作为信号源发生装置，其球体与锤把之间采用拉簧连接，使得该信号源发生装置可有效抑制脉冲信号后的干扰信号，为***提供一个稳态输入函数，便于进行信号分析。

在另一个实施例中，所述步骤e包括以下步骤：

接收经过调理后的混合波动信号，并对该混合波动信号进行分析；

根据分析后的混合波动信号的特征变化，评价被测对象孔道内的压浆质量问题。

拾取入射波动信号和反射波动信号重组混合后的混合波动信号，对该混合波动信号的特征进行分析，从而判断孔道内部是否存在压浆缺陷；提高了对孔道内的压浆质量问题进行评价和判断的准确性，使对工况的质量检测更加可靠。

在另一个实施例中，所述步骤e还包括以下步骤：

通过分析入射波动信号与混合波动信号以及压浆密实区域的区别，判断被测对象孔道的压浆质量问题。

实际工程中预应力孔道材质主要以3中形式存在，第一种是铁皮波纹管，第二种是PVC波纹管，第三种是抽拔形式的无管结构，其主要区别在于反射面的反射系数存在一定差异；当孔道没有压浆或者压浆密实度较低时，相同结构形态前提下3种孔道类型的***特性基本一致(由于波纹管材质不同***特性略有差别)，其反射信号响应也基本一致，表现为振幅(由于谐波的影响结构范围内的频谱和相位同时会出现基本一致的特性)基本一致；当孔道压浆密实且浆料达到设计要求强度(M50)时,3种孔道类型信号有所差别，且均与没有压浆或者压浆密实度较低时有差别，此时***整体特性产生了变化，导致反射波动信号振幅会发生变化(由于谐波的影响结构范围内的频谱和相位同时会出现变化)；根据检测过程中通过密实孔道与存在缺陷的孔道信号特性的不同可准确判断预应力孔道在长度方向上的缺陷状态分布即检测区的密实度状况。

在另一个实施例中，还包括以下步骤:

混合波动信号经信号转化及调理后,传输至信号显示装置进行信号显示。信号显示装置用于将调理后的混合波动信号显示出来，方便工作人员观测并分析。

在本发明中,采用信号源发生装置，入射波动信号在传播过程中遇到孔道不密实现象是波动信号会出现反射，并与入射波动信号重组并持续传播，通过分析重组后信号的特征差异判断孔道内部压浆质量问题，在实际工程中预应力孔道材质主要以3中形式存在:

第一种是铁皮波纹管，第二种是PVC波纹管，第三种是抽拔形式的无管结构，其主要区别在于反射面的反射系数存在一定差异。

波动理论信号的反射系数：R_b＝ρvA(式1)，其中ρ为材料的密度,v为波动信号在介质中的传播速度,A为介质的截面积；

由于3种孔道类型均未压浆或者压浆质量较差时空气与混凝土反射系数差异较大,如图5所示,信号几乎在缺陷处全反射，此时反射波动信号(含谐波反射信号)与入射波动信号会重组形成新的混合波动信号在结构中传播，得到如图8所示入射波动信号与反射波动信号的信号叠加示意图,通过拾取新的混合波动信号特征对其进行分析可判断孔道内部是否存在压浆缺陷。

混凝土属于固体结构，在作用力范围内可认定为均匀弹性体，波动信号在其内部传播时可视为阻尼衰减***，可将其等效为如图7所示的单自由***，其在信号源发生装置产生的F(t)＝F₀sin ωt函数信号作用下的波动微分方程可表示为：

其中k为***刚性，c为***阻尼，m为振动结构体质量；

设：输入信号形成的入射波动信号：

孔道处的反射波动信号：

重组后的混合波动信号：Y_x＝X₁+X₂ (式5)

其中，为材料相对阻尼系数，为临界阻尼系数，B为振幅，为相位角；

通过式2和式4可求得：

另外，采用谐波分析法将反射波动信号按照傅里叶级数展开，得：

其中， j为1，2，3......；取平衡点为坐标原点，则式8可表示为：

由式6、式7和式9可知，反射波动信号的振幅、相位、频率与结构自身特性(m、k、c)存在关系。

如图5所示，当孔道没有压浆或者压浆密实度较低时，相同结构形态前提下3种孔道类型的***特性基本一致(由于波纹管材质不同***特性略有差别)，其反射波动信号响应也基本一致，表现为振幅(由于谐波的影响结构范围内的频谱和相位同时会出现基本一致的特性，如图9所示)基本一致；

如图6所示，当孔道压浆密实且浆料达到设计要求强度(M50)时,3种孔道类型信号有所差别，但均与没有压浆或者压浆密实度较低时有差别，此时***整体特性k、m、c产生了变化，导致反射波动信号振幅会发生变化(由于谐波的影响结构范围内的频谱和相位同时会出现变化)；

根据检测过程中通过密实孔道与存在缺陷的孔道信号特性的不同可准确判断预应力孔道在长度方向上的缺陷状态分布即检测区的密实度状况。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、在被测对象指定的测试区域内布置测线或测试面；其中,测试面由多条测线拟合而成；

b、将波动信号拾取装置放置于所布置的测点上，并利用信号源发生装置激发入射波动信号；

c、波动信号拾取装置拾取反射波动信号和入射波动信号重组后的混合波动信号，并将该混合波动信号传输至信号转化调理装置；

d、信号转化调理装置将混合波动信号由模拟信号转为数字信号，并进行调理；

e、对所拾取的混合波动信号进行特征分析，并通过分析出的特征判断孔道内部注浆状况。

2.根据权利要求1所述的基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法，其特征在于，在步骤a中，所布置的测点间距不大于测试面到被测对象缺陷距离的1.5倍；测试区域布置在被测对象的中心线与上边缘之间的区域向上或向下平移d/4位置处，或者布置在被测对象的中心线与下边缘之间的区域向上或向下平移d/4位置处；其中，d为被测对象的孔道直径。

3.根据权利要求1所述的基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法，其特征在于，在步骤b中，所述信号源发生装置在与波动信号拾取装置距离为D的同一条线上进行发振；其中，D＝0.3λ+0.05,λ为入射波动信号的波长。

4.根据权利要求3所述的基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法，其特征在于，在步骤b中，所述信号源发生装置为钢制材料制成的激振锤，其硬度在HRC28-HRC35之间；所述激振锤包括球体、拉簧和锤把，所述球体通过拉簧与锤把连接，且球体的直径为6mm-28mm。

5.根据权利要求1所述的基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法，其特征在于，所述步骤e包括以下步骤：

接收经过调理后的混合波动信号，并对该混合波动信号进行分析；

根据分析后的混合波动信号的特征变化，评价被测对象孔道内的压浆质量问题。

6.根据权利要求1所述的基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法，其特征在于，所述步骤e还包括以下步骤：

通过分析入射波动信号与混合波动信号以及压浆密实区域的区别，判断被测对象孔道的压浆质量问题。

7.根据权利要求1所述的基于波动信号特征分析的预应力孔道压浆密实度测试方法，其特征在于，还包括以下步骤:

混合波动信号经信号转化及调理后,传输至信号显示装置进行信号显示。