混凝土路面板底脱空地震波法检测技术研究.pdf

156交通科技与管理工程技术0引言板底脱空是混凝土路面板常见的工程病害之一，影响路面载承能力，也威胁公路使用安全和路面健康应用寿命。及时检测、预防和治理脱空，是维护公路结构质量和运行安全必不可少的技术和管理任务，而准确评估板底脱空状态则是实现及时有效的脱空治理的前提。地震波检测法是一种便捷有的板脱空检测方法1。某高速公路工程应用该方法，通过大量的室内外试验，探讨不同脱空状态、不同震击位置、不同落锤高度、不同接触面下的地震波测试影响规律，为混凝土路面板底脱空地震波法检测实施积累了参考资料。1振动检测1.1振动检测用仪器设备（1）激振设备。振动检测离不开激振源，实际激振源可以来自结构自振，也可以由人工振源形成。路面行驶的车辆造成路面板振动是一种道路自振源，当然道路振动源也可以应用人工有控振源。人工有控振源由激振设备发生。激振设备类型及相关特点分类见表 1 所示。（2）测振感受器。在振动检测仪器中，感受器的品质与适用性对所得数据的精准度至关重要。感受器可以将感受到的压力、位移、速度或加速度等转换为电信号。根据检测坐标系的不同，感受器可以分为绝对式和相对式。相对式可以是非接触式或接触式，而绝对式需要接振动体。按照检测振动参数的不同，感受器可以分为位移式、应变式、加速度式和速度式等。在振动检测中，常用的感受器包括力感受器、应变片、涡流式移位感受器和电动式速度感受器等。选择感受器需要考虑线性范围、频率范围和灵敏度等因素。（3）采集数据系统。采集数据系统也是振动检测不可或缺的技术组成部分，不仅具有电信号的记录、显示和中间变换功能，而且动态数据系统可以将模拟信号转换为数字信号，便于信号快速传输、存储和分析。采集数据系统一般由信号适配器、取样保持器、模数转换器等功能部分构成，模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的核心组件。1.2振动分析参数在选择适当的检测点、合适的感受器和相应数据分析仪器后，按照检测预案进行振动检测，以获取包括结构固有振频、振型、阻尼比等动力特性参数，获取包括相位、频率、振幅等波形参数。振幅代表系统振动的强度和能力水平，可以用位移、速度或加速度的幅值表达2。时域振动的相位和频率可以通过 DFT 或 FFT 傅里叶变换方法获得。现今的数据采集与分析系统基本上都具备这个功能。1.3振动响应分析技术振动响应分析通常从 2 个方面入手，即振动信号的时域性或频域性分析，前者揭示振动信号的强度时变规律，后者揭示振动信号的单频信号频率结构分析。时域分析中，相同的时域参数并不意味着信号相同，因为信号特性还与相位、频率等信息相关，因此很有必要进一表 1激振设备类型及相关特点分类类型特点简易冲击锤结构简单，方便移动和操作，但对非线性系统适用性不足机械式振动发生设备激振形态为谐波，激振频率并不高，激振强度较大，适合大规格振动体电磁式振动发生设备激振可以是线性谐波、逐渐变轻谐波、随意波或随机波等，在激振力和频率方面变化范围较大液压式振动发生设备低频性能优，激励力度强，可实现随机波、任意波、谐波等多种振激形式，但在高频时，可能会引起波形干扰收稿日期：2023-08-15作者简介：张红宁（1995）,男,本科,助理工程师,从事公路试验检测工作。混凝土路面板底脱空地震波法检测技术研究张红宁,吴科廉（江西省天驰高速科技发展有限公司,江西 南昌 330100）摘要某高速公路工程应用地震波法进行混凝土路面的板底脱空检测。文章结合这一工程应用，介绍了振动检测、地震波检测相关基础理论知识，以及路面板底脱空地震波法室内试验检测、室外试验检测分析成果，揭示了不同脱空状态、不同震击位置、不同落锤高度、不同接触面下的地震波测试影响规律。研究表明，脱空状态与检测信号特征间存在良好的相关性，公路混凝土面板的板底脱空地震波法检测可行。关键词公路工程；混凝土路面；板底脱空；地震波法；检测技术中图分类号U416.216文献标识码A文章编号2096-8949（2023）18-0156-032023 年第 4 卷第 18 期157交通科技与管理工程技术步开展频率结构分析，如振动包含哪些频率成分、占主导的频率成分是谁、频率组分的振动能量等，从而在频域中描述振动信号，即频谱分析。从时域转换到频域可以通过傅里叶变换实现，非周期性信号的时频基于傅里叶积分法实现变换，周期性信号则基于傅里叶级数实现变换，两种方法都是傅里叶变换。2地震波检测方法等效简化后，当脱空混凝土板承受冲击或车辆载荷时，振频、振幅、周期等参数会存在差异。越严重的板底脱空程度，则振动系的等效刚度将受到越严重的削弱，其固有振动周期也将越长，振频将越低3。振动信号的最高振速随着脱空程度增加而呈现增加趋势，主频率则呈现明显降低趋势，同时也会发生振时逐步延长。多自由度振动是板体系统振动的特点，其矩阵形式表达见如下公式：（1）式中，m 质量矩阵；k 刚度矩阵；c阻尼矩阵；F(t)激振力列阵；x(t)位移列阵。3室内试验检测结果分析室内外检测结果可以互相验证和补充。室内浇筑脱空检测件，通过地震波检测法探讨振动特性与脱空状态对应规律。在检测过程中，施加冲击载荷至预设位置，形成试件振动，以微振感受器进行信号采集，分析采集结果，获得脱空状态下振动规律，包括频谱和时程曲线等内容。该研究的脱空状态采用 x-y-z-h 模式表达，x 代表脱空深度（mm），y 和 z 代表脱空区直角等腰三角形2 条直边的边长（cm），h 代表落锤高度（cm）。例如3-25-25-3 表达板底脱空为 3 mm 深度，脱空面积为 25 cm25 cm1/2，落锤高度3 cm。0-0-0-3则表达落锤3 cm高度，无板底脱空。3.1基于脱空状态的检测结果分析abcd 四种试件的脱空分别为无脱空（0-0-0）、微脱空（3-25-25和5-25-25）、严重脱空（3-50-50和5-50-50），且均为 3 cm 落锤高度，板角激励并且接触面采取无垫状态。振动采集仪 3 个信道采集数据，每道固定对应 1 个感受器。其中，1 道对应垂向感受器，2、3 道对应 2 个水平向感受器。各测点均重复性检测 8 次，取均值作为分析数据。地震波检测时，每信道测得结果形成振速或振幅时程曲线与离散傅里叶变换快 FFT 分析结果，时程曲线及频谱以 IDTS3850 微振感受器记录获取。检测结果见表 2。检测结果显示，震波检测中，脱空面规格显著影响振动时、主频率、最高振速等信号特征，而相同脱空面积下，脱空深度基本不发生影响。依次进行无脱空、轻微脱空、严重脱空检测时：（1）信道 1 主频率均值分别在 1 013 Hz、184 Hz、188 Hz、50 Hz、49 Hz，明显呈现递减变化趋势。（2）信道1最高振速分别在3.20 cms1、10.30 cms1、10.00 cms1、14.40 cms1、14.60 cms1，明显呈现递增变化趋势。（3）信道1振时分别在8.80 ms、17.50 ms、18.90 ms、21.80 ms、25.10 ms，具有一定递增变化趋势。（4）信道 2 和 3 的振时、最高振速和主频率随脱空面积的增大，大致与信道 1 保持相同的演变规律。随着脱空面积的增大，振动系等效刚度的消减程度也增大，因而振频变低。显示用地震波开展脱空检测是可行的。表 2不同脱空状态的地震波检测数据均值脱空状态信道 振动时/ms 主频率/Hz 最高振速/(cms1)0-0-0-318.830 51 012.725 03.178 13-25-25-317.467 8184.067 610.340 15-25-25-318.889 4187.595 29.934 03-50-50-321.787 250.213 514.437 55-50-50-325.076 548.833 714.641 20-0-0-3232.356 6427.515 71.067 13-25-25-338.484 2180.926 34.398 55-25-25-339.027 0175.556 54.512 13-50-50-354.441 548.454 74.786 45-50-50-354.102 750.866 34.922 40-0-0-3326.835 8461.672 71.097 73-25-25-337.936 65170.655 82.537 05-25-25-338.507 2158.936 62.539 83-50-50-340.175 055.542 15.270 45-50-50-335.408 455.423 05.493 23.2基于震击点的检测结果分析感受器配置在板角，震击点分别采取板角、板中，信号记录同上。这里主要展示是对无脱空（0-0-0-3）、微脱空（3-25-25-3）、严重脱空（3-50-50-3）等三种脱空情况进行的检测，不同震击位置影响的地震波检测数据均值见表 3。表 3不同震击位置影响的地震波检测数据均值脱空状态 信道震击点振动时/ms 主频率/Hz 最高振速/(cms1)0-0-0-31板角8.830 51 012.725 03.178 1板中7.764 7798.854 52.315 23-25-25-31板角17.467 8184.067 610.340 1板中8.854 9176.544 03.226 53-50-50-31板角21.787 250.213 514.437 5板中11.136 547.564 83.634 2数据显示，振动信号特征在一定程度上受到不同震击位置影响，影响程度与板底脱空状态有关，具体如下：（1）0-0-0-3 无板底脱空时，震击板中，板中和板角位置均无脱空。因为板件存在阻尼，会使振动信号在传输过程中衰减，因此相对于震击板角，由震击板中并经信道 1 测得的主频率和最高振速都会有所降低。（2）3-25-25-3 轻微板底脱空时，震击板中，由于轻微脱空存在板角，板中不存在脱空，相对于震击板角，由震击板中并经信道 1 测得最高振速降低明显，主频率158交通科技与管理工程技术则略微降低，振时也有所减小。（3）3-50-50-3 严重板底脱空时，震击板中，因为板角存在严重脱空，板中不存在脱空，相对于震击板角，信道 1 测得的最高振速降低明显，主频率明显变大，振时也有所降低。3.3基于落锤高度的检测结果分析分别采取 3 cm 和 10 cm 的落锤高度，冲击功对应为1.32 J 和 4.41 J。数据记录同上。这里展示的是 10 cm 落锤高度时信道1测得的地震波检测数据均值，具体见表4。表 4落锤高度影响的地震波检测数据均值脱空状态信道落锤高度/cm 振动时/ms 主频率/Hz 最高振速/(cms1)0-0-0-3138.830 51 012.725 03.178 10-0-0-101012.015 4955.375 06.539 83-25-25-31317.467 8184.067 610.340 13-25-25-101021.375 2176.385 022.445 83-50-50-31321.787 250.213 514.437 53-50-50-101032.385 247.678 331.458 0数据显示，落锤高度从 3 cm 提高到 10 cm 时，信道1 的最高振速明显上升，振时也略有增加，但是主频率基本没有变化，仍然保持在自然频附近。表明主频率与板底脱空状态之间存在较好的相关性。3.4基于接触面的检测结果分析面板和落锤之间采取无衬垫、橡胶衬垫和铁衬垫的接触面4。数据记录同上。这里展示的是 3 种脱空状态、3 种震击接触面下、信道 1 检测获得的地震波检测数据均值，见表 5。表 5震击接触面影响状态的地震波检测数据均值脱空状态信道接触面振动时/ms 主频率/Hz 最高振速/(cms1)0-0-0-31无垫8.830 51 012.725 03.178 1橡胶垫23.390 5 1 033.475 02.357 4铁垫9.130 5997.894 51.857 83-25-25-31无垫17.467 8184.067 610.340 1橡胶垫40.567 2189.564 88.435 9铁垫15.838 4176.668 56.538 63-50-50-31无垫21.787 250.213 514.437 5橡胶垫45.663 953.768 711.485 9铁垫25.647 748.836 58.845 3数据显示，接触面的不同对试验结果会产生影响。（1）不同脱空状态下，模板等效刚度不同，板底脱空越严重，振动系的等效刚度消减越大，会导致主频振动降低。（2）铁垫具有应力扩散作用，相对于无垫而言，铁垫导致信道 1 最高振速稍有下降，但是主频率变化较小，振时变化不明显。（3）橡胶垫具有应力吸收作用，相对于无垫而言，橡胶垫导致信道 1 振时增加，最高振速降低，但是主频率变化很小。相对于铁垫而言，橡胶垫导致信道 1 信道最高振速增加，主频率变化不明显，振时增加明显。显示接触面对信道 1 的振时和最高振速会产生影响，但对主频率变化影响微乎其微。4室外试验检测结果分析混凝土板底部脱空地震波室外检测实验在一条高速公路的改造区段和一座收费站附近进行。分别选择 4 块混凝土板试验检测，数据均取均值，详细见表 6。表 6混凝土板底部脱空地震波室外检测数据脱空状态信道振时/ms 主频/Hz 最高振速/(cms1)未脱空16.981 6657.779 19.881 4脱空24.679 7196.806 913.339 5未脱空248.478 8183.680 33.296 2脱空51.492 0139.160 04.631 1未脱空316.671 9246.659 94.425 1脱空63.505 8116.537 74.737 5地震波室外检测数据显示，室外地震波检测所揭示的变化规律与室内检测相似。存在板底脱空情况时，信道 1 的振时和最高振速均比较大，主频率则下降明显。信道 2 和 3 也呈现类似趋势。综合看来，混凝土路面板底脱空状态与各信道检测参数如振时、最高振速、主频率等存在较好的相关性，特别是信道 1 的主频率，由此可见公路混凝土面板的板底脱空地震波法检测可行。5结语该文进行了混凝土路面板底脱空地震波法检测技术研究。介绍了振动检测、地震波检测相关基础理论知识，介绍了某公路工程路面板底脱空地震波法室内试验检测、室外试验检测分析成果。室内外试验结果显示，脱空状态与信号参数（最高振速、主频率、振时）间相关性明显。无脱空、稍微脱空和严重脱空的不同状态有不同的振动规律相对应。脱空越严重，振动信号振时越长，主频率越高，最高振速越大。不同落锤高度、震击位置和接触面对检测结果会产生一定程度影响。室外地震波检测所揭示的变化规律与室内检测相似，脱空状态与检测参数如振时、最高振速、主频率等存在较好的相关性，由此可以得出公路混凝土面板的板底脱空地震波法检测可行。参考文献1 刘会勋,丁红岩.水泥混凝土路面脱空振动映象测试技术 J.振动与冲击,2009(1):99-103+199.2 杨明理,余志刚.利用瞬态冲击法进行混凝土路面板脱空检测的研究 J.公路,2007(6):104-109.3 葛如冰,孟凡强.探地雷达检测路面脱空大小的模型试验 J.物探与化探,2009(5):599-602.4 易志坚,韩西,钟厉,等.基于频率参数变化的混凝土路面脱空识别研究 J.中外公路,2010(3):80-83.