灌浆套筒的冲击回波检测及信号处理方法_杨燕.pdf

第41卷 第4期2023年4月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.4Apr.2023收稿日期：2022-10-28基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（B200202086）作者简介：杨燕（1997-），女，硕士研究生，主要从事无损检测方面的研究通信作者：姚菲（1983-），女，副教授，博士，主要从事结构抗震与结构无损检测方面的研究文章编号：1004-3918（2023）04-0533-08灌浆套筒的冲击回波检测及信号处理方法杨燕，姚菲，曹逸民，褚金超（河海大学 土木与交通学院，南京210098）摘要：采用冲击回波法对不同灌浆程度、不同套筒布置的钢筋套筒-预制剪力墙模型试件进行检测试验，利用同步叠加平均算法和小波变换相结合的方法对冲击回波信号进行处理，并对试件的频谱特征进行了分析.结果表明：采用同步叠加平均算法对冲击回波信号进行去噪处理，可以有效提高信噪比；无论套筒位置如何，当套筒灌浆存在缺陷时，试件的厚度频率强度均会增加，套筒频率强度则随存在灌浆缺陷的套筒埋深的增大呈现先减小后增加的趋势；套筒尺寸较小而且套筒灌浆缺陷属于环状缺陷，相对于条带状缺陷，其更易受到材料和振型的干扰.后期可通过增加测试点数量或改进频率分析和信号处理的方法来进一步提高检测的精度和可靠性.关键词：冲击回波法；套筒灌浆；小波变换；灌浆缺陷；装配式剪力墙中图分类号：TU 375；TH 165+.3文献标识码：AImpact Echo Detection and Signal Processing Method of Grouting SleeveYANG Yan，YAO Fei，CAO Yimin，CHU Jinchao（College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）Abstract：The impact-echo method is used to detect and test the rebar sleeve-precast shear wall model specimenswith different grouting degrees and different sleeve arrangements.The impact-echo signal is processed by the methodof combining synchronous superposition average algorithm and wavelet transform，and the spectrum characteristics ofthe specimens are analyzed.The results show that the signal to noise ratio can be effectively improved by using thesynchronous superposition average algorithm to denoise the impact echo signal.Regardless of the position of thesleeve，when the sleeve grouting has defects，the thickness frequency strength of the specimen will increase，andthe strength of the sleeve frequency will first decrease and then increase with the increase of the buried depth of thedefect.The sleeve size is small and the defect of the sleeve grouting belongs to annular defect，which is more likelyto be disturbed by material and vibration mode than strip defect.In the later stage，the accuracy and reliability ofdetection can be further improved by increasing the number of test points or improving the frequency analysis andsignal processing methods.Key words：impact-echo method；sleeve grouting；wavelet transform；grouting defect；prefabricated shear wall相比现浇式建筑，装配式建筑是一种更加高效、优质、经济、环保的建筑形式.套筒灌浆连接是装配式混凝土结构主要的钢筋连接形式之一1.套筒灌浆质量不达标会导致混凝土内部应力集中，节点部位极易发生破坏，进而会影响整个结构的安全性能.然而，套筒灌浆是一种隐蔽性工程，难以直观地确定灌浆饱满度，因此需要一种成熟可靠的检测手段解决灌浆质量的缺陷检测和安全评估问题.冲击回波法是一种利用弹性波的反射特性对结构内部缺陷进行检测的方法，是目前应用最广泛的无损检测方法之一2-4.目前已有很多关于冲击回波法缺陷检测和分析的研究.万里等5采用冲击回波方法对不第41卷 第4期河 南 科 学2023年4月同尺寸、不同类型缺陷的混凝土试件进行了检测，结果显示通过该方法可以较为准确地判断出混凝土缺陷的位置.Liu等6提出用冲击回波法检测管道灌浆质量是方便有效的，且能弥补雷达法无法检测金属灌浆饱满度的缺陷.刘辉等7通过研究得出，采用冲击回波法检测套筒灌浆密实度是可行的，但该方法无法定性判断双排钢筋套筒布置的试件密实区和非密实区，其检测精度和可靠度需进一步提高.Kang等8采用冲击回波法检测管道泄漏形成的地下空洞，并提出了一种新的基于谐振频率和频谱图的量化指标（持续时长）用于检测空洞.胡光鑫9为提高检测精度，提出了一种将红外热成像法和冲击回波法相结合的方法，并用该方法对混凝土内部缺陷进行检测.许玉德等10研究了空气耦合冲击回波法检测无砟轨道层间脱空的适用性.目前快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）被广泛用于冲击回波信号的频域分析中11-13.但是冲击回波法产生的信号是随时间而变化的，而傅里叶变换处理的是平稳信号，其中包含很多干扰信号，而且FFT处理的结果只有全局的频域信息，不能够全面表示结构的内部特征，故需要结合其他方法分析冲击回波信号.Medina和Garrido14通过研究指出，与直接应用FFT相比，应用交叉谱密度对冲击回波信号进行处理可有效降低频域内的噪声和非理想峰值.Yeh和Liu15将小波变换用于冲击回波法信号分析，并指出采用傅里叶谱和小波边缘谱相结合的方法可精确确定峰值位置、判断缺陷.Yao等16-17结合各类信号分析方法的特点，综合运用了FFT、短时傅里叶变换（STFT）、小波变换（WT）等方法对冲击回波信号进行处理，并对冲击回波法在混凝土质量检测方面的应用进行了深入研究，通过分析频率分布特点，为识别混凝土缺陷提供了有效的参考.冲击回波法检测过程中常受到各种噪声以及人为因素的影响，从而使信号无法正确反映构件内部情况，而目前关于有效提高信噪比的研究较少.本研究首先设计了不同灌浆程度、不同套筒布置的钢筋套筒-预制剪力墙（Rebar Sleeve-Precast ShearWall，SW）模型试件，并采用冲击回波法对试件的灌浆密实度进行检测；为提高信噪比，提出采用同步叠加平均算法与小波变换相结合的方法对获得的时域信号进行去噪处理，最后对不同灌浆程度、不同套筒布置的试件的厚度频率强度和套筒频率强度的变化规律进行了分析.本研究可为灌浆套筒的质量评估提供一定的参考.1试验方案1.1试验材料试验所用混凝土强度等级为C30.钢筋采用HRB400热轧带肋钢筋，钢筋直径为25 mm.套筒灌浆时采用高强度无收缩灌浆料，其基本性能满足 钢筋连接用套筒灌浆料（JG/T 4082013）要求，按其质量的12%加水搅拌，并进行灌浆.套筒基本性能满足 钢筋连接用灌浆套筒（JG/T 3982012）要求，套筒内径为4041 mm，外径为49 mm，外壁厚度为89 mm，套筒长度为440 mm.通过测量获得各材料的声学性能，如表1所示.表1各材料的声学性能Tab.1Acoustic property of each material材料混凝土钢筋灌浆料钢筋套筒弹性模量/Pa31010210113.2101021011密度/（kgm-3）2350780023507800泊松比0.20.30.20.3纵波波速Cp/（ms-1）3650587537805875声阻抗率/（kgm-2s-1）91064.710791064.71071.2试件设计采用直径25 mm的钢筋及相配套规格的全灌浆钢筋套筒进行试验.为模拟工程中的缺陷存在形式，分别设计不同灌浆程度、不同套筒布置的钢筋套筒-预制剪力墙（Rebar Sleeve-Precast Shear Wall）模型试件，简称SW试件，SW试件厚度均为200 mm.如图1（a）所示，套筒布置方式共4种，分别为双排套筒布置（D）、中心套筒布置（M）、单侧套筒布置（E）、无套筒布置（N）.中心套筒布置（M）和单侧套筒布置（E）这两-534引用格式：杨燕，姚菲，曹逸民，等.灌浆套筒的冲击回波检测及信号处理方法 J.河南科学，2023，41（4）：533-540.种套筒布置方式都是在SW试件中只布置一根套筒，目的是用来模拟剪力墙中梅花型套筒的布置形式.为了设计具有不同灌浆程度的SW试件，试验前通过计算灌浆量来控制灌浆程度.套筒中灌浆程度分别设计为1/3、2/3，如图1（b）所示.1）双排套筒布置（D）：在SW试件的上下位置对称各布置一根套筒.上套筒轴心与SW试件上底面的距离为50 mm，套筒中灌浆程度为2/3.下套筒轴心与SW试件下底面的距离为50 mm，套筒中灌浆程度为1/3.当采用冲击回波法从试件的上底面进行测试时，即可获得3个测区：上下套筒均密实区（A测区）、上排套筒密实下排套筒空洞区（B测区）、上下套筒均空洞区（C测区）.测区距SW试件底面的距离最小为200 mm.2）中心套筒布置（M）：在SW试件中心位置布置一根套筒，套筒中灌浆程度为2/3.当采用冲击回波法从试件的上底面进行测试时，即可获得2个测区：套筒密实区（A测区）、套筒空洞区（B测区）.测区距SW试件底面的距离最小为200 mm.3）单侧套筒布置（E）：在靠近SW试件下底面的位置处布置一根套筒，套筒轴心与SW试件下底面的距离为50 mm，套筒中灌浆程度为2/3.当采用冲击回波法从试件的上底面进行测试时，即可获得2个测区：套筒密实区（A测区），套筒空洞区（B测区）.测区距SW试件底面的距离最小为200 mm.4）无套筒布置（N）：不在SW试件中布置套筒，作为对照组获取P波速度.根据以上设计方案，共设计出3个SW试件，每个SW试件中都包含了4种套筒布置方式和2种灌浆程度，如图1（c）所示.试件浇筑完成后，在SW试件上底面绘制测区线，测区线位置对应套筒中心位置，沿测区线每间隔 10 mm依次划上刻度线，并对各测区进行编号.完成后的SW试件如图2所示.为了便于分析，将划分的测区按照钢筋直径、套筒数量、缺陷形式进行编号，各测区编号及情况如表2所示.如SW25-DA代表“位于该测区的SW试件的钢筋直径为25 mm，并配置有上下双排相同尺寸的套筒，且套筒内灌浆均密实饱满”，其他测区编号以此类推.由于ND、DA、DC、MA、MB测区具有对称性，因此只需要从SW试件上底面冲击测试一次即可.由于