T梁预应力波纹管压浆密实度超声检测试验研究
密士文，朱自强，彭凌星，李广瑞
(中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083)
摘要：在室内模型和试验梁上进行大量的超声阵列检测试验，研究影响检测效果的主要因素，并通过添加高阻尼材料的方法，压制直达波和面波的干扰；通过透射波首波起跳时间和频谱分析，总结塑料和金属波纹管压浆存在缺陷时的透射波波场响应特征；利用合成聚焦成像技术对反射波进行成像。通过这种反射和透射相结合的试验检测方法，在对压浆不密实区域的定性判断和定量计算方面，取得了较好的效果。
关键词：预应力波纹管；压浆密实度；超声波；波场特征；合成聚焦成像
中图分类号：U445.7+1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)06-2378-07
Experimental study of detecting grouting density of pre-stressed tendon ducts through ultrasonic
MI Shiwen, ZHU Ziqiang, PENG Lingxing, LI Guangrui
(School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: A large number of ultrasonic array testings were carried out on indoor models and experimental beams. Main factors which affect the detection results were summarized. And improved test methods were used to suppress the interference of the direct wave and surface wave. Response characteristics of the transmitted wave field in the plastic and metallic tendon ducts were summarized through the first arrival time of the transmitted wave and the spectrum. Images of the reflected waves were obtained by synthetic focus imaging technology. This new method has good effects in the qualitative judgment and quantitative calculation of the pre-stressed tendon ducts through the combination of the use of the reflected and transmitted wave.
Key words: pre-stressed tendon ducts; grouting density; ultrasonic; wave field characteristics; synthetic focus technology
预应力混凝土梁具有跨度长、质量轻等优点，近年来在高速公路桥梁建设中得到了广泛应用，我国新建的桥梁95%以上都是预应力混凝土梁。为保证梁体的预应力效果及结构的耐久性，避免水分侵入而锈蚀钢绞束,预应力管道中必须压满水泥浆。但由于压浆工艺和某些人为因素，预应力管道压浆常不饱满，导致桥梁预应力提前损失，大大降低了桥梁的耐久性，甚至引起结构失效或垮塌。如何保证桥梁的施工质量，以及对现存桥梁压浆质量进行评价，已成为交通建设领域一项重要任务。预应力孔道压浆密实度检测常用的方法有地质雷达法(GPR)、冲击回波法(IE)和超声回波法[1]。辛公锋等[2]通过室内试验和现场检测的方法，用地质雷达对预应力管道压浆密实性进行了检测，发现GPR对塑料波纹管的检测精度较高，但是不能用来进行金属波纹管的检测。栾健[3]通过试验发现利用GPR可以探知管道的位置和走向，但由于金属波纹管对电磁波的屏蔽作用，导致GPR难以发现金属波纹管的压浆缺陷。IE法[4-8]利用瞬时冲击产生的低频应力波对混凝土进行检测，该方法主要通过计算和比较接收回波的频谱响应特征来评价缺陷的有无及尺寸。但是，该方法有其局限性，如：低频率的应力波必然导致检测分辨率低；每次只能完成单点的检测，需要进行大量的重复工作才能完成1个面的检测，效率较低。超声回波法[9-11]利用接收回波的速度、振幅、频率和相位变化特征，可以定性判断管道压浆密实程度，然后，用合成孔径聚焦成像等方法可以进行缺陷的定量计算。但混凝土是多相复杂介质，会在超声回波数据中引入很强的结构噪声，给异常的解释带来困扰。为了获得较好的探测效果，本文作者采用反射和透射相结合的测量方式。在试验过程中，首先探索如何压制和去除表面直达波的影响，然后找到影响耦合效果的主要因素，提出改善耦合效果的方法；最后通过数据处理分析，提取波纹管压浆存在缺陷时的透射波波场响应特征，并应用合成聚焦成像技术对反射数据进行成像。
1 压制和去除表面直达波
用超声波进行反射测量时，直达波特别是面波的能量比异常信号的能量要强的多，在超声波时间剖面上很难直观识别真正的异常信号，给解释工作带来了很大困难。因此，如何减小直波和面波的影响，突出异常信号就成了超声测量过程中的关键。单一的方法效果可能不是很好，作者在试验过程中提出以下方法，可以压制直达波，提高信噪比。
1.1 直达波的压制
通过大量的试验，发现在发射和接收换能器周围添加高阻尼材料(如泡沫)后，能够减小换能器接收到的旁侧信号，从而降低直达波和面波的影响。
图1所示为采用常规操作获得反射测量的结果，图2所示为在发射和接收换能器周围添加了高阻尼材料后的测量结果。
对比图1和图2可以看出：在换能器周围加了高阻尼材料以后，在0~60 μs之间出现的直达波和面波明显减弱；在100 μs左右出现的波纹管的反射明显增强。因此，通过在发射和接收换能器周围添加高阻尼材料的方法，可以压制直达波和面波的影响。
1.2 直达波的去除
去除直达波是一项复杂的工作，常用的方法有很多，但没有一种是万能的方法，需要根据实际情况选择合适的方法。
在时间域内相互叠加的复杂波场，变换到τ-p域以后，会各自分开。在τ-p域内具有线性同相轴的直达波和面波，由于p为一定值，在τ-p域内表现为 “点”状形式；具有双曲线性质的反射波变为1个椭圆。这样，就可以根据需要在τ-p域内去除直达波和面波[12]。对图2所示的测量数据利用τ-p变换及反变换进行处理，结果如图3所示。
对比图2和图3可以看出： 0~60 μs之间的直达波和面波基本不存在，100~130 μs之间的有效信号得到明显增强。因此，对采集到的超声数据利用τ-p变换及反变换进行处理，可以很好地去除直达波和面波等的影响。
图1 常规操作采集的数据
Fig. 1 Data collected by routine operating
图2 在换能器周围加高阻尼材料后采集的数据
Fig. 2 Data collected by transducers around damping material
图3 去掉直达波后的结果
Fig. 3 Result after get rid of direct waves
(2) 由于混凝土材料相当于低通滤波器，超声波的频率随传播深度的增加逐渐降低，因此，也可以通过频率滤波的方式滤除(削弱)直达波和面波，达到增强信噪比的目的。
(3) 由于反射信号具有相关性，利用不同位置的换能器进行发射和接收，然后对所有数据进行叠加计算，可以压制直达波和随机噪声，提高信噪比。Kozlov等[11]的研究表明：由于相关信号的叠加，信号的信噪比与所用换能器数量成正比。
(1)
式中：Q为信噪比增大倍数；M为所有的发射/接收换能器的组合数；N为换能器的总数量。
此外，也可以试验将多个换能器并联成1个通道，然后进行发射和接收，这样可以达到相干叠加的效果，同样能增强有效信号的幅度。
2 耦合效果的研究
在实际工作中，耦合效果对检测结果的影响很大。通过试验发现：影响耦合效果的主要因素中，除了检测对象本身存在的问题(如混凝土表面不平整)以外，还有对换能器施加的压力和耦合剂用量。在后面2个原因中，耦合剂的用量对采集的数据影响较大。图4所示为在发射和接收换能器上涂抹不同量的耦合剂的结果。
图4 耦合剂多少对振幅的影响
Fig. 4 Impact on amplitude of amount of coupling agent
由图4可见：耦合剂较多时，接收信号的振幅明显降低，而且首波的起跳时间稍微滞后。但是，耦合剂的用量没有改变波的整体形状，2种情况下波的变化趋势是一致的。
由于实际工作中常用黄油等作为耦合剂，这些材料的波速较低，衰减系数大，相当于在混凝土和超声换能器之间加了一层高阻尼层。当涂抹的耦合剂较多时，造成超声波振幅衰减较大，而且波的传播时间也会增长。因此，要获得较好的原始数据，在检测过程中耦合剂必须涂抹均匀，且用量不宜过多。
3 数据处理及分析
目前在用超声波进行混凝土检测的工作中，经常采用的测量方式有2种：一种是垂直反射的观测方式，即2个换能器在同一个侧面上，一个发射一个接收；另一种就是利用2个换能器进行透射测量。本文作者对检测方法进行改进，研发了多通道超声波阵列检测仪。仪器测量通道数为24道，根据不同的检测目的使用适当频率的换能器。在试验过程中，同时进行了反射和透射测量。对透射波进行了时间和频谱分析，对缺陷进行定性判断；利用合成聚焦成像技术对反射波进行成像，对缺陷进行定量分析。综合分析反射波和透射波的波场信息，大大地提高了缺陷定性及定量判断的准确性。
3.1 波纹管压浆不密实时的透射波波场响应特征分析
通过试验对透射波的首波起跳时间进行了对比，同时利用傅里叶变换对透射波进行频谱分析，提取塑料和金属波纹管中压浆不密实时的波场响应特征。
3.1.1 透射波首波起跳时间分析
分别测试收发距离相同时，波纹管压浆密实和压浆不密实情况下的透射波首波起跳时间，结果如图5所示。此处波纹管压浆不密实表示其中存在1个宽为2 cm、长约为10 cm的空洞。
从图5可以看出：波纹管压浆不密实时的首波起跳时间要比压浆密实时的稍晚。这是由于波纹管内部压浆不密实时，引起超声波发生绕射现象，波传播路径变长，透射波到达时间自然也会变长。
图6所示为在2号试验梁上面采集到的透射波起跳时间。该波纹管为金属波纹管，压浆密实，无缺陷。
由图6可见：各道透射波首波到达时间基本相同，无明显区别。表明超声波在该范围内所经过的路径基本相同，未发生明显的绕射。图7所示为在1号试验梁上面采集到的透射波起跳时间，该起跳时间对应波纹管为塑料波纹管。波纹管中设置了1个直径为2 cm，长为5 cm的含水缺陷，缺陷中心位于图7中的第10道。
图5 透射波首波起跳时间对比
Fig. 5 Comparison of first arrival time for transmitted waves
图6 波纹管压浆密实区域的透射波起跳时间对比
Fig. 6 Comparison of first arrival time for transmitted waves from densely grouted region
图7 波纹管压浆不密实区域的透射波起跳时间对比
Fig. 7 Comparison of first arrival time for transmitted waves from less densely grouted regions
由图7可以看出：在第10道及其附近首波起跳时间增加了5 μs左右。由于塑料波纹管的反射较大，造成透射波振幅较小，因此，图中各道振幅变化较大，两侧振幅明显减小。
通过以上3个例子可以得出：不管是金属波纹管还是塑料波纹管，只要管中压浆不密实，超声波都会发生绕射，透射波首波起跳时间会变长，时间剖面会变成向下凹的“双曲线”型。因此，通过比较透射波首波起跳时间的变化，可以定性判断波纹管压浆是否密实。
3.1.2 透射波频谱分析
分别对金属波纹管和塑料波纹管进行测试，提取了压浆密实和不密实时的频谱特征。图8和图9所示分别为金属及塑料波纹管中压浆不密实与压浆密实时的频谱对比。从图8及图9可以看出：
(1) 不管是塑料波纹管还是金属波纹管，其中存在压浆不密实的缺陷时，透射波的频率特征差别不大，都有多个主频，并且主频低于发射主频(50 kHz)。
(2) 透射波的能量差别明显，由于压浆不密实时，造成反射变强，透射波能量变弱。从图5也可以看到这一点，压浆不密实时的振幅明显小于压浆密实时的振幅。
(3) 不管压浆是否密实，梁体中是塑料波纹管时接收到的能量均比金属波纹管时小很多。这是由于塑料波纹管与混凝土的波阻抗差别较大，造成波纹管本身反射较强，其中存在压浆不密实的情况时，反射更强，接收到的透射波能量很小。
图8 金属波纹管压浆密实与不密实的频谱对比
Fig. 8 Comparison of spectrum between densely and less densely grouted metallic ducts
图9 塑料波纹管压浆密实与不密实的频谱对比
Fig. 9 Comparison of spectrum between densely and less densely grouted plastic ducts
3.2 反射波合成聚焦成像
合成孔径聚焦成像是目前应用较广的超声成像方法，本文作者利用合成孔径成像方法，对在试验梁和多条高速公路上采集到的数据进行成像，为定量分析压浆缺陷提供了较大的帮助。
3.2.1 合成聚焦成像原理
合成孔径聚焦成像是把超声换能器阵列分为若干个发射单元或接收单元，在发射信号期间，各发射单元依次作为点元发射；在接收信号期间，各接收单元同时接收来自物体各点的信号并加以存储。然后，根据成像点的空间位置，对各阵元接收的信号引入适当的延时，以得到被成像物体的逐点聚焦声像。理论和实践表明：合成孔径成像分辨率较高，成像质量较好[13-16]。
合成孔径成像有多种工作方式，本文应用的是合成聚焦成像方法。合成聚焦的工作原理就是，所有的换能器依次作为震源，每次都是一个换能器发射，剩下所有换能器接收。其原理如图10所示。
假设所用换能器的总数为n，间距Δx根据实际使用换能器的尺寸和噪声水平确定。每次测量时都从第1个换能器开始发射信号，剩下的换能器同时接收反射信号；然后间隔1 ms后第2个换能器发射信号，剩下的接收信号，依次类推直到第n个。则所有的发射和接收的组合数量为
N=n(n-1) (2)
同一个换能器阵列中，第i个换能器发射、第j个换能器接收到的数据，与第j个换能器发射、第i个换能器接收到的数据是一样的，因此，在实际操作过程中，也可以将上述的采集数据总组合数N减少一半，可以节约一定时间。
图10 换能器阵列的布置及采集方式示意图
Fig. 10 General outline of transducer array and collection mode during operation
对于接收到的数据，利用时间域二维或三维SATF算法进行重建。对于二维重建，每个点对应的像素值F(x,y)可由下式算出：
(3)
式中：i和j 分别为发射和接收换能器的编号；A(Qi,Qj)为权重系数，与换能器的空间位置有关；Uij为第i个换能器发射、第j个换能器接收到得数据；t0为系统硬件延迟时间；ri和rj分别为聚焦点到发射和接收换能器的距离；v是混凝土内部的超声波波速。
3.2.2 试验梁成像试验
在本文的2号试验梁中，放置3根金属波纹管，波纹管内部布置12个压浆不密实的缺陷。通过试验，对其中长度为20 cm，中心深度为13 cm的压浆不密实的区域进行成像处理，结果如图11所示。
图11所示为振幅归一化后的结果，其中白色部分表示强反射。图11中深度为120 mm、长度为100~230 mm范围内出现3处较强的反射(白色部分)，表明该范围内压浆不密实。与模型实际设计相比，图11中的不密实范围偏小。可能是由于波纹管本身造成的反射较强，部分不密实区域的反射被掩盖。梁体(非波纹管位置)可能存在小范围不密实的情况，导致图11中出现了多处强反射。
3.2.3 工程检测应用
在湖南省多条高速公路上面进行了检测试验工作，在检测试验过程中发现了多处压浆不密实的区域。经过开窗、钻孔等破坏性方法，这些检测结果基本都得到了验证。
某梁场由于压浆工艺不完善和施工过程控制不严格，导致预应力压浆管道(金属波纹管)端口处压浆不密实。为了检测压浆孔道内部不密实的程度，首先根据施工图纸标出波纹管的走向，然后沿着波纹管走向进行检测。根据现场采集到的数据，利用合成聚焦成像方法，得到了如图12所示的成像结果。
图11 压浆不密实区域成像结果
Fig. 11 Result of imaging of less densely grouted region
由图12可见：在深度为150~220 mm、长度为200~250 mm范围内出现了明显的连续强反射，反射振幅较大，且有多次反射。尤以深度170 mm附近的反射最强，推测该部分压浆不密实，可能含少量积水。经过现场开窗验证，在波纹管内部存在1个长约为5 cm，高约为2 cm形状不规则的不密实区域，其中存在少量积水，在打钻过程中有水流出。
图12 压浆不密实区域成像结果
Fig. 12 Result of imaging of less densely grouted region
4 结论
(1) 在超声反射法检测中，可以在换能器周围添加适当的高阻尼材料，使直达波和面波的能量极大衰减；然后通过数值处理方法，对直达波等干扰进一步剔除。这样可以获得较好的数据，为处理解释提供方便。
(2) 在检测过程中，要使采集到的原始振幅不产生剧烈变化，必须保持对换能器施加均匀一致的压力，而且耦合剂必须涂抹均匀。
(3) 由于压浆不密实引起超声波发生绕射，透射波到达时间变长。通过比较收发距相同时，透射波首波的起跳时间，可以定性判断波纹管内部压浆是否密实。
(4) 不管是塑料波纹管还是金属波纹管，其中压浆不密实时，透射波都有多个主频，并且主频略低于发射主频。压浆不密实时，造成反射变强，接收到的透射波能量明显变弱。这也可以定性地判断波纹管内部压浆是否密实。
(5) 由于塑料波纹管与混凝土的波阻抗差别较大，造成波纹管本身反射较强。其中存在压浆不密实时，不密实的缺陷引起的异常反射可能会被掩盖，且接收到的透射波能量也很小。因此，超声波法检测塑料波纹管压浆密实度的效果，比检测金属波纹管中的压浆密实度效果要差很多。
(6) 利用合成聚焦成像方法，可以对反射测量的数据进行二维成像。但是在成像之前，需要对采集数据进行预处理，直达波等干扰的去除对成像结果影响很大。
(7) 合成聚焦成像的优点是算法简单，便于快速计算。但是，该方法中声速为混凝土结构的整体速度，这点与实际情况不符，梁体中各种介质声速的差异是比较大的，而且该方法的成像结果是振幅值的叠加效果，孔洞等异常造成的振幅变化往往较小，因而导致合成聚焦成像法在实际应用中有时难以取得较好的效果。但是，当超声波传播到混凝土与孔洞界面时，相位会发生180°变化，且会在接收波形中引入高频率的波动。若在今后的研究工作中能够利用频率和相位特征成像，则将会取得更好的效果。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2012-06-25；修回日期：2012-08-02
基金项目：国家自然科学基金资助项目(41174061)；中南大学自由探索计划项目(2011QNZT011)
通信作者：密士文(1984-)，男，山东临沂人，博士研究生，从事波纹管压浆质量检测理论研究；电话：13507401815；E-mail：mishiwen@sina.com
