混凝土路面板底脱空地震波法检测技术研究
2023-10-16张红宁吴科廉
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)
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。
表1 激振设备类型及相关特点分类
(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:
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 cm×25 cm×1/2,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。
表2 不同脱空状态的地震波检测数据均值
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 cm·s-1、10.30 cm·s-1、10.00 cm·s-1、14.40 cm·s-1、14.60 cm·s-1,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。
3.2 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
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
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
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
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。