桥梁混凝土结构内部缺陷iTECS检测探讨

廖玲玲，李昊

（江西省天驰高速科技发展有限公司，江西南昌 330000）

随着我国公路桥梁工程建设速度的加快，桥梁结构类型也日渐复杂，对桥梁结构实用性、安全性方面的要求也不断提高。iTECS 检测技术属于多功能混凝土结构非破损检测技术，能实现对混凝土结构厚度、弹性波波速、结构表面蜂窝麻面缺陷、结构内部空洞等缺陷同一时间同一地点的集成性检测，测量时间短、检测精度高、在国内外混凝土结构病害检测方面应用越发广泛。

1.1 iTECS检测原理

iTECS（Integrity Test Equipment for Concrete Structures）为多功能混凝土结构无损检测技术，能够在同一时间、同一地点实现对结构体厚度、混凝土表面蜂窝麻面等缺陷以及结构内部空洞缺陷等的集成检测。iTECS 检测技术实施必须配备设备本体和笔记本电脑，检测精度有保证，数据处理能力强，敲锤与传感器一体化设计。当混凝土表面受到敲锤敲击后便会在瞬间形成强有力的应力脉冲，所激起的结构内的应力波主要分为横波、纵波、表面波，其中，横波和纵波均沿圆形波振面传入待测结构体内部；
表面波则沿待测结构体表面传播。当横波纵波在传递过程中遇到结构缺陷或边界，则会因两种介质具备不同的声阻抗率，应力波在界面处表现为反射、折射、绕射[1]。结构内应力波被传感器接收到后再借助频谱分析，便能将时域信号转换为频域信号，并确定出信号与待检测混凝土质量间的量化关系。在进行冲击发射测试时，纵波是主要考虑的应力波形式，因为冲击点附近纵波波幅最大，横波波幅最小，因纵波而引发的表面位移较大。

敲击锤作用于混凝土结构表面后，结构内部将产生球面波形式传播的机械应力波，这种应力波传递过程中如果遭遇界面或缺陷，便会因界面两侧材料具备不同波阻抗而引发反射。当应力波结构内部缺陷或自有界面发生多次反射便会形成瞬时共振，其波形也会因此而具备周期性特征，在幅度谱中则表现为缺陷或边界深度所对应的频率峰值。为获得换能器接收到的纵波频率，本文采用快速傅里叶变换将时域波形转换为幅度谱[2]。待检构件结构厚度或结构内部缺陷为：

式中：CP为结构内纵波波速（m/s）；
f为发射波纵波主频率（Hz）。

若待检测结构内部无缺陷，则应力波传递形式详见图1（a），通过所测定的敲击面和背面间应力波往复传播时间便可推算出待检测结构厚度。若待检测结构内存在空洞等缺陷，则弹性波在传递过程中会被空洞界面反射，通过iTECS 所检测到的结构厚度变薄，具体见图1（b）。若待检测结构内存在离析等缺陷，则会降低弹性波传递速度、延长其反射时间，通过iTECS 所测得的结构厚度也会大于结构实际厚度，具体见图1（c）。

图1 弹性波传播模式

1.2 数据处理方法

傅里叶变换是经典谱分析方法的基础，傅里叶变换对整个空域和时域均具有理论上的适用性，但受限于实测数据，其不得不截断无线长信号而使其得到长度有限的测量数据，这种截断效应必将加宽谱峰、泄露频谱，故传统的傅里叶变换经典谱分析方法在实际应用中受到诸多限制。

1.2.1 最大熵谱分析

该分析技术就是在信号处理中收入信息熵概念，又叫做时序谱分析技术，属于自相关函数外推分析，其在分析过程中并无固定窗函数。在每一步外推处理时应使所估计的相关函数含有的过程信息最大化，也就是使过程熵达到最大，从而进行未知自相关函数值的确定，以达到最佳的稳定程度和最逼真的谱估计状态。熵的本意是信息论中信息量大小的度量，其在随机过程中也常用于衡量某个序列随机性的强弱，一般情况下，随机性越强的序列则谱熵越大。在进行最大谱熵分析时，并不对所测量的有限数据之外的其余数据做出确定性假设，仅在已知过程及所包含的若干相关函数条件下，按照最大熵进行相关函数外推[3]。

1.2.2 傅里叶频谱分析

任何形状的信号均为无数个不同频率正弦交变信号的叠加，数学上可以通过傅里叶序列表示。傅里叶频谱分析也称为线性频谱分析，其频谱图可能存在较大起伏，为改善这种起伏状态，可以应用各种窗函数进行加权和傅里叶运算。该分析技术的另一缺陷在于分辨力不高，可通过补充大量零值的做法控制傅里叶运算过程中的离散化间隔，但是如此处理后会因零点数的增加而增加傅里叶点数，降低运算速度。

某桥梁建成于1998 年，采用T 梁结构形式，翼缘板厚0.2m，宽1.6m，梁肋宽0.4m，高0.4m，T 梁每跨设计长度15m。在长期的运行过程中，该桥梁T 梁结构先后表现出麻面及表面缺陷，为制定养护方案，桥梁管理部门决定对T 梁结构厚度及表面内部缺陷进行iTECS 无损检测。本桥梁工程所用iTECS 检测仪器长×宽×厚尺寸为260mm×186mm×35mm，主体质量约为0.9kg，内置传感器的敲锤重18g，PCB-352C66 型传感为iTECS-6专用传感器，包装箱为铝合金材质的方箱。

2.1 T梁厚度检测

该桥梁结构T 梁检测处表面完好，设计厚度40cm。应用iTECS 进行T 梁厚度检测时应选择弹性波速度测定模式，并在T 梁侧面按照10cm 间距设置三条测线，在每条测线上按20cm 间距设置3 个测点（具体见图2），按照测定方案所测得的T 梁弹性波速为3 500m/s。在此基础上再采用厚度测试模式，将传感器置于上方测线测点1 处，通过敲锤敲击测线上测点3，各测点均记录两个数据。沿着测线从左向右移动传感器与敲锤20cm，并按照2 组数据/条测线的检测频次检测。T 梁下方及中间均通过同样方式进行检测，检测结果汇总至表1。

图2 T梁厚度检测测点布置情况

表1 T梁厚度检测结果

表1 检测结果中的T 梁厚度检测频率最大值和最大熵谱厚度分析值均从iTECS 检测结果中直接读取，而傅里叶频谱厚度分析结果则通过式（1）计算得出。

结合T 梁内部缺陷检测结果，该桥梁T 梁实际厚度40cm，通过iTECS 技术进行T 梁厚度检测，应用最大熵谱分析法所得出的两组检测数据均值为39.5cm，误差率1.2%；
通过傅里叶频谱分析法所得到的两组检测数据均值为39.4cm，误差率1.4%。可见，最大熵谱分析结果误差率更小。各测点所测T梁厚度值与实际厚度值偏离情况具体见图3所示。由图3可知，测点7和9所得T梁厚度值明显大于测点1、3、4、6 厚度值，表明测点7 和9两个区域可能存在混凝土离析、结构不密实等缺陷，使其弹性波速减小，厚度测量值明显大于实际厚度。

图3 各测点所测T梁厚度值与实际厚度值偏离情况

2.2 T梁内部缺陷检测

该病害桥梁T梁外表面存在诸多蜂窝、麻面，通过外部情况的观察可以推断，结构内部存在混凝土离析、结构不密实、内部空洞等缺陷的可能性较大。为进行该T 梁内部缺陷检测，在其梁体结构侧面按10cm 间距画4条测线，并在每条测线上按10cm 间距均匀布设5 个测点，具体见图4。先按照厚度测试模式将传感器放入首条测线第1测点处，通过敲锤敲击第3测点两次，并记录两组数据；
在沿测线由左至右移动传感器和敲锤10cm。采用同样方式测试其余测线，试验结果汇总至表2。

图4 T梁内部缺陷检测测点布置

表2 T梁内部缺陷检测结果汇总

T 梁实际厚度40cm，根据表2 检测结果，测点1～测点3处检测厚度明显比实际厚度小，故此区域内结构内部存在空洞的可能性较大。弹性应力波在空洞处发生反射后测试距离缩小，导致检测厚度远小于实际厚度。而对于测点6～测点16所在的测试区域，厚度检测结果比实际厚度大，说明该区域构件结构内部存在不密实缺陷的可能性大，使得弹性应力波传播速度减小，所测得的厚度大出实际厚度。考虑到该桥梁正处于服役过程中，无法通过钻芯取样方式进行测试结果的验证。只能借助混凝土试件内部缺陷室内检测方式进行无损检测结果准确性的验证。

2.3 混凝土试件内部缺陷室内检测

根据该桥梁设计方案，采用与该桥梁相同的材料及配合比试制长3.35m、宽1.8m、厚0.5m 的钢筋混凝土试块，并应用iTECS 无损检测技术进行试块厚度检测。检测前，在试块两侧分别设置两个直径10cm且贯穿深度均为50cm 的空洞，并在试块侧面按照10cm 间距设置3 条测线，每条测线上分别按5cm间距设置17个测点；
试块左侧空洞位于测点3和测点5之间，而右侧空洞位于测点13和测点15之间。测试开始后先将传感器置于首条测线第1测点处，并通过敲锤敲击首条测线上的测点3，再沿着测线从左至右同时移动传感器和敲锤，以使每条测线共采集到8组检测数据。其余测线也通过同样方式测试。

经检测，测点3、5、7、9、11、13、15、17处测线1 的测试厚度分别为87.4cm、65.0cm、77.3cm、77.8cm、78.2cm、78.1cm、71.4cm 和80.2cm；
测线2 的测试厚度分别为86.5cm、52.8cm、85.1cm、86.0cm、85.8cm、86.1cm、71.3cm和71.3cm；
测线3的测试厚度为89.0cm、76.8cm、87.5cm、86.7cm、87.1cm、93.8cm、71.2cm、91.9cm。由检测结果可以看出，空洞对应测点处厚度变化较为明显；
而左边空洞正对测点5和右边空洞正对测点15处厚度明显较小，空洞附近的测点3、7及测点13、17厚度明显较大。当敲击锤敲击空洞正对测点时，弹性应力波在空洞界面发生反射，导致弹性波传递时间缩短，所测得的厚度变小；
而对于空洞四周的测点，弹性应力波则绕过空洞传播，传播路径增大，反射周期加长，所测得的结构厚度将超出实际厚度。最后，由于试块侧面厚度较大，弹性应力波发生较为复杂的反射和折射，导致所测空洞深度与其实际深度差异较大。

采用iTECS 无损检测技术所测得的桥梁混凝土结构厚度及内部空洞、不密实、离析等缺陷结果较为准确。对所测得的信号分别应用最大熵谱分析及傅里叶频谱分析发现，最大熵谱分析结果精度和分辨率均较高。桥梁混凝土结构内部缺陷类型不同，弹性应力波变化形式也不尽相同，根据实测厚度值与构件实际厚度值的对比，便可根据厚度测定结果判断出桥梁混凝土结构内部空洞、不密实、离析等缺陷，即当测试厚度明显比实际厚度小时，说明结构内部存在空洞的可能性较大；
而当测试厚度明显比实际厚度大时，说明结构内存在离析、不密实等缺陷的可能性较大。大厚度混凝土构件室内测试结果显示，在结构内部缺陷深度超出一定范围后，采用iTECS无损检测技术只能测出结构内部缺陷的大致位置，无法精确探测缺陷实际深度。为此，对于大厚度混凝土结构内部缺陷检测时必须综合使用iTECS 无损检测及其余检测技术，以保证检测结果的精确性。