鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土形成的一種復合結構體,1959年被引入到我國的公路橋梁建設中[1-3],由于其承載力高、塑性和韌性好、施工方便而被廣泛應用于高層建筑、大跨橋梁、地鐵站、電力塔架和橋墩等工程結構中,但在施工過程中易出現以下3種缺陷[4-7]：① 泵送混凝土過程中排氣不暢造成的氣孔缺陷；② 混凝土質量不合格或振搗不密實造成的局部脫空；③ 環境和材料溫差造成的裂縫和脫空。這些缺陷會使鋼管混凝土的承載力降低,影響結構安全性[8],目前常用的混凝土結構缺陷檢測方法主要有人工錘擊法和超聲法。人工錘擊法通過人耳和經驗快速判斷缺陷程度和位置,但受人的主觀因素影響大,缺乏理論依據,判斷結果誤差大[9]。楊科[10]基于瞬態沖擊原理,對鋼管混凝土脫空檢測進行了有限元仿真和模型試驗,提出了沖擊作用下的鋼管模態試驗方法和判別準則。楊勁等[11]對錘擊聲信號的時頻域進行分析后發現,振動幅度大小及衰減速率可用來判斷缺陷狀態,但受背景噪聲影響大,降噪困難。向麗[12]在背景噪聲基礎上,對錘擊聲用EMD和Hibert譜分析法變換得到沖擊聲瞬時幅值特征,并用模型試驗進行了驗證。聶此槿[13]建立了聲固耦合模型,采用基于聲固耦合的檢測方法來識別鋼管混凝土結構缺陷,證明了聲場特征識別缺陷的可行性。
超聲法通過在結構兩側分別安裝換能器,利用機械波傳播時在缺陷處波速、振幅和頻率發生變化的原理,來判斷缺陷位置和尺寸。該方法對檢測空洞和分層有優勢,但須進行逐點徑向檢測,連續性差、檢測效率低、精度差、易漏檢。王軍文等[14]運用超聲波、彈性波和紅外熱像法對不同壁厚和不同空洞大小的鋼管混凝土進行檢測,比較并分析了不同檢測方法的可行性和適用范圍,但缺少對脫空小于5 mm的缺陷檢測。陳禾等[15]和陳勁等[16]在用超聲法檢測鋼管混凝土內部空洞缺陷的同時,用熱成像法檢測脫黏缺陷,并得出室內外檢測的溫度變化梯度；該方法雖能進行全面檢測,但設備較多,耗能大,效率低。故研究快速有效的無損檢測方法,對鋼管混凝土結構的安全性檢測有重要意義。文章在人工錘擊的基礎上,從心理聲學和人耳識別角度出發,引入音色識別方法,提取錘擊聲中的音色特征來表征缺陷類型,達到根據聲音“逆向”識別缺陷的目的。
音色識別技術也廣泛應用于水下目標識別領域。陳克安等[17]從人耳聽覺角度出發,用音色識別水下目標；梁雍[18]從聽覺感知方面,識別木板、鋁板和PVC板的沖擊聲,取得了良好的效果。文章試驗在人耳能感知區別空洞的基礎上,引入音色指標并將其定量化,以為后續自動識別奠定基礎。
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1. 模型制作及錘擊聲獲取
1.1 模型制作
用鍍鋅不銹鋼管制作了多個同直徑的鋼管混凝土試件,并提前在試件中布置了不同尺寸和不同位置的空洞,從室內鋼管混凝土試件的錘擊聲著手,探討鋼筋混凝土不同缺陷類型對錘擊聲音色的影響,尋找能表征其不同缺陷類型的音色特征值。
為防止試驗過程中鋼管生銹等帶來的影響,選用內徑為155 mm,厚度為4 mm的鍍鋅不銹鋼管材,切割成長度為155 mm的試件若干,其長徑比約為1∶1。在室內制備強度等級為C35的混凝土,配比為水∶水泥∶砂∶石子∶粉煤灰=0.51∶1∶2.3∶3.25∶0.28。先用攪拌機將材料拌勻,再加水和2.56%（相對于混凝土中凝膠材料的質量百分比）的減水劑,攪拌時間不少于2 min。
用PVC制備不同大小的空洞,選用3根直徑分別為25,50,70 mm的PVC管,分別截取10 cm,并從中間切開,取一半安裝在鋼管內壁上,并以鋼管壁作為空洞的一個側面,用膠帶封堵住上下孔,用強力膠帶粘貼牢固,則空洞直徑分別近似為25,50,70 mm。將攪拌好的混凝土澆筑在鋼管試件內,并放在振搗臺上振搗密實。另外選取兩個同尺寸的試件,其中一個用來制作等比例的純混凝土試件,在其內壁上均勻涂抹脫膜油,以便混凝土凝固后脫模；另一個澆筑混凝土后振搗密實,作為密實鋼管混凝土。鋼管混凝土試件實物如圖1所示,尺寸如表1所示。
| 試件編號 | 類型 | 空洞直徑/mm | 空洞位置 | 直徑/mm | 洞徑比 | 備注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 純混凝土 | — | — | 155 | — | 脫模后 |
| 2 | 密實鋼管混凝土 | — | — | 155 | — | 密實 |
| 3 | 空鋼管 | — | — | 155 | — | — |
| 4 | 側邊空洞鋼管混凝土 | 25 | 側邊 | 155 | 0.15 | — |
| 5 | 側邊空洞鋼管混凝土 | 50 | 側邊 | 155 | 0.31 | — |
| 6 | 側邊空洞鋼管混凝土 | 70 | 側邊 | 155 | 0.43 | — |
1.2 錘擊方式及聲音獲取
為避免干擾,試驗選擇于24時后在無回聲、無干擾的混凝土攪拌室內進行。采用NV3602-C2（L）型聲波采集分析儀,INV9310力錘（錘頭材料為不銹鋼）,INV9206系列聲壓傳感器。
在梯子上橫插一根木棒,用不易拉伸的鋼線將試件懸吊在木棒上,人工錘擊試件朝面向上的中部,同時在距離錘擊點5 cm的位置用三腳架安裝聲音傳感器,對準錘擊位置的側上方,保證聲音傳感器既能采集到有效聲信號,又與鋼管混凝土保持一定距離,錘擊試驗現場布置如圖2所示。
試驗分3組進行：第一組是對同尺寸,不同類型的試件進行錘擊,并對采集到的聲音進行準確的特征提取并分類,試件分別是純混凝土、密實鋼管混凝土、有空洞鋼管混凝土和空鋼管。第二組是對同尺寸,不同尺寸空洞的側邊空洞鋼管混凝土進行錘擊。第三組是對同一鋼管混凝土的不同位置進行錘擊。試驗中每組錘擊位置采集70~80個錘擊聲,采樣頻率Fs為51 200 Hz。
1.3 錘擊聲信號的基本特性
在第一組錘擊試驗中,分別在每個試件中選取一個波形進行分析。經多次數據分析處理,得到在單次激勵聲信號中截取激勵瞬間向前256點,時長為0.6 s的聲音樣本,該樣本能將激勵聲音瞬間和聲波衰減段完全包括在內,保證了數據分析的完整性。將每個試件與音色特征進行歸一化分析,得到能表征土體壓實度的準確音色特征量。
第一組4個試件被力錘激勵后的聲信號時域圖如圖3所示,取其聲音樣本包括激勵瞬間在內的0.2 s時域圖進行分析,觀察得到相同錘擊力下側邊空洞鋼管混凝土的聲壓值最大,其次是密實鋼管混凝土的,空鋼管聲壓值最小,但衰減時間最長,約200 ms?，F場試驗過程中,人耳可明顯區分不同類型聲音,激勵瞬間持續時間約10 ms,故可進一步用頻譜圖和音色特征進行分析。
2. 錘擊聲特性分析及特征值的選擇
在空洞識別方面,基于人耳進行目標辨識是最直接有效的方法,聲壓變化是聲音的表現形式,空洞識別是指研究人耳聽覺系統對聲音參數（幅度、頻率和相位）的感受及辨別。
2.1 錘擊聲的特性分析方法
基于人耳聽覺感知對振動信號進行特征提取時,從時域和頻譜角度選取聽覺特征,用音色工具箱分析。時域特征有時域質心、上升和衰減斜率等,頻譜特征有譜質心、譜斜率、倒譜系數等。對提取的特征進行主成分分析,同時與聽覺感知空間進行線性回歸分析,得到每一維的線性表示[14],而經過多次試驗發現梅爾頻率倒譜系數（以下簡稱mfcc）指標可以很好地表征結構空洞。
將振動信號降頻后用導納和音色特征進行分析,將數據用Matlab分類和處理,引入MIRtoolbox音色工具箱,將其每個特征分為max、mean、min,共192維特征,計算其與壓實度的相關性,取相關性強的特征進行分析,結果證明音色特征中系數mfcc10max特征值能很好地區分鋼管混凝土密實狀態和空洞狀態[19]。
2.2 聲音導納
在聲源識別中,導納是與材料物理屬性相關性較強的物理量,可將采集到的聲音進行導納計算來反向推導聲源物理特性[20-21]。導納函數一般根據觀測點不同分為原點導納和傳遞導納,原點導納的沖擊力作用點和觀測點的位置相同,故文章選用了原點導納。在采集錘擊聲音的過程中,將沖擊聲的產生過程看作一個系統,系統的輸入為錘擊力,輸出為聲音,整個系統的頻響可計算為
式中：S(f)為聲音復頻譜；F(f)為錘擊力復頻譜；H(f)為系統輸出的聲音導納。
錘擊聲會隨著接觸參數和錘擊力的不同發生變化,但導納計算時將不同接觸參數和錘擊力下系統輸出的聲音統一,頻響也保持一致,為提取音色特征提供了基礎。經換算可見,聲音導納與聲源物體中空洞尺寸的平方成反比。
3. 試驗分析
將空鋼管、純混凝土、密實鋼管混凝土和側邊空洞鋼管混凝土懸吊,分別進行人工錘擊,每次錘擊時盡量保持力的均勻,錘擊位置均在中部,需要注意的是側邊空洞鋼管混凝土的錘擊點在空洞所在區域的中部。采集錘擊聲和錘擊力,根據式（1）計算得到錘擊聲導納,計算過程中先將力用歐拉公式進行復數變換,再進行傅里葉級數計算。得到錘擊聲導納后,計算每個樣本錘擊聲導納的一級、二級和三級差分值,及max、mean、min值,將每個值與土體壓實度做相關性分析,取相關系數高的值來表征土體壓實度[22]。分析108維mfcc特征值發現,該特征值能很好地表征鋼管混凝土的空洞缺陷。
3.1 mfcc與材料的關系
不同類型試件的錘擊聲導納中的mfcc10max特征值圖像及其數據統計如圖4和表2所示,可知,?155 mm鋼管混凝土試件密實狀態時錘擊聲導納中mfcc10max特征值為?1~-0.5；側邊空洞（?25 mm）鋼管混凝土的錘擊聲導納中mfcc10max特征值為-0.4~0.4；純空鋼管的mfcc10max特征值介于二者中間；純混凝土錘擊聲導納中mfcc10max特征值最小?？梢婂N擊聲導納中mfcc10max特征值可明顯區分密實鋼管混凝土和側邊空洞鋼管混凝土。
| 序號 | 類型 | mfcc10max特征值 | mfcc10max特征值均值 |
|---|---|---|---|
| 1 | 純混凝土 | ?1.13~?0.9 | ?0.98 |
| 2 | 密實鋼管混凝土 | ?1~?0.5 | ?0.72 |
| 3 | 空鋼管 | ?0.71~?0.36 | ?0.53 |
| 4 | 側邊空洞鋼管混凝土 | ?0.4~0.4 | 0.06 |
3.2 mfcc與錘擊力的關系
對側邊空洞（?25 mm）鋼管混凝土用3種不同大小的錘擊力進行錘擊,采集錘擊聲并進行導納計算,提取的mfcc10max特征值如圖5所示,數據統計如表3所示。
| 序號 | 類型 | 錘擊力/N | mfcc10max特征值 | mfcc10max特征值均值 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 側邊空洞（?25 mm）鋼管混凝土 | 100 | ?0.14~0.37 | 0.14 |
| 2 | 700 | ?0.3~0.18 | 0.01 | |
| 3 | 1 100 | ?0.38~0.18 | 0.06 |
由圖5和表3可知,對同一空洞用不同錘擊力錘擊,提取的mfcc10max特征值相差不大,只有100 N左右的錘擊力計算得到的特征值稍大,另外兩個基本一致,說明了導納可以減小不同錘擊力對特征值的影響。
3.3 mfcc與不同尺寸空洞的關系
在鋼管混凝土內壁植入空洞直徑分別為25,50,70 mm的空洞,并以鋼管壁為空洞的一面,用1 100 N的力分別錘擊空洞中心位置,其結構示意如圖6所示（圖中箭頭表示錘擊）,得到的mfcc10max特征值與其數據統計如圖7與表4所示,同時與圖4及表2中密實鋼管混凝土的錘擊聲導納一起進行對比分析。
| 序號 | 類型 | 空洞直徑/mm | mfcc10max特征值 | mfcc10max特征值均值 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 密實鋼管混凝土 | 0 | ?1~?0.5 | ?0.72 |
| 2 | 側邊空洞鋼管混凝土 | 25 | ?0.4~0.4 | 0.06 |
| 3 | 側邊空洞鋼管混凝土 | 50 | ?0.4~0.3 | 0.1 |
| 4 | 側邊空洞鋼管混凝土 | 70 | ?0.42~0.2 | ?0.23 |
由圖7和表4可知,人工錘擊不同尺寸空洞的鋼管混凝土時得到的mfcc10max特征值相差不大,基本為-0.4~0.4,均值為-0.23~0.1；密實鋼管混凝土錘擊聲導納中mfcc10max特征值為-1~-0.5,均值為-0.72,二者有明顯區別,進一步證明了mfcc10max特征值能很好地識別鋼管混凝土中有無空洞缺陷。
3.4 mfcc與同一鋼管混凝土徑向錘擊的關系
選用直徑為155 mm,側邊空洞大小分別為25,50,70 mm的鋼管混凝土試件,在管周向的不同位置采集徑向錘擊聲。5個錘擊點沿試件半周長范圍均勻分布,其中錘擊點1在空洞位置,錘擊點5在空洞對角位置。試件外徑為165 mm,外周長為518.1 mm,半周長為259 mm,錘擊點距離空洞中心的弧長分別為0 mm（錘擊點1）,65 mm（錘擊點2）,130 mm（錘擊點3）,195 mm（錘擊點4）,259 mm（錘擊點5）,錘擊位置示意如圖8所示。同時將其與密實鋼管混凝土錘擊聲導納提取的特征值進行比較。不同直徑鋼管混凝土的徑向錘擊聲導納特征圖如圖9~11所示,mfcc10max特征值數據統計如表5所示。
| 序號 | 類型 | 空洞直徑/mm | 錘擊點 | mfcc10max特征值 | mfcc10max特征值均值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 密實鋼管混凝土 | 0 | 中部 | ?1~?0.5 | ?0.72 |
| 2 | 側邊空洞鋼管混凝土 | 25 | 1 | ?0.4~0.4 | 0.1 |
| 2 | ?0.8~?0.2 | ?0.52 | |||
| 3 | ?1~?0.3 | ?0.69 | |||
| 4 | ?1.1~?0.4 | ?0.74 | |||
| 5 | ?1.1~?0.5 | ?0.77 | |||
| 3 | 側邊空洞鋼管混凝土 | 50 | 1 | ?0.4~0.3 | 0.06 |
| 2 | ?0.9~?0.2 | ?0.49 | |||
| 3 | ?1~?0.2 | ?0.57 | |||
| 4 | ?0.9~?0.2 | ?0.58 | |||
| 5 | ?0.9~?0.1 | ?0.59 | |||
| 4 | 側邊空洞鋼管混凝土 | 70 | 1 | ?0.5~0.2 | ?0.23 |
| 2 | ?0.7~?0.2 | ?0.49 | |||
| 3 | ?1~?0.5 | ?0.72 | |||
| 4 | ?1.2~?0.5 | ?0.82 | |||
| 5 | ?1~?0.5 | ?0.74 |
由圖9~11及表5可知,錘擊點徑向距離空洞越遠特征值越小,錘擊點2的部分特征值與空洞位置特征值接近,均值為0.49~0.52；錘擊點3,4,5得到的特征值與密實鋼管混凝土的基本一致,均值為-0.6~-0.8。由此可見,通過距離空洞弧長超過68 mm的相鄰區域的錘擊聲導納中mfcc10max特征值無法識別空洞,當錘擊聲導納中mfcc10max均值在-0.5左右,可初步判斷臨近錘擊點弧長68 mm區域內可能有空洞,進一步采集信號并進行分析,發現當錘擊聲導納中mfcc10max特征值大于-0.4,均值大于-0.23時,錘擊點位置有空洞缺陷。
4. 檢測應用
深圳某大型超高層塔樓,地上72層,地下4層,采用鋼管混凝土柱和鋼梁構成的框筒結構體系,共布置44根鋼管混凝土柱,其中周邊布置了16根鋼管混凝土外框柱,直徑由下向上分別為1.6,1.5,1.4,1.3 m,核心筒每邊布置8根直徑分別為0.8 m和1.1 m的鋼筋混凝土柱。施工時每3個樓層為一個安裝段,管內混凝土一次澆筑高度約為12 m,同時采用了高拋免振搗自密實混凝土施工技術。2021年5月,該大廈中上層部分發生了異常搖晃,筆者所在單位迅速對振動進行監測和分析,并重點對鋼管混凝土的缺陷進行了檢測,采集及開孔驗證現場圖片如圖12,13所示。檢測時,用力錘擊塔樓的鋼管混凝土柱,密實位置聲音脆而短,其聲波曲線如圖14所示；空洞位置聲音相對沉悶且長,其聲波曲線如圖15所示。塔樓鋼管混凝土柱的錘擊聲導納中mfcc10max特征圖如圖16所示,數據統計如表6所示。
| 序號 | 狀態 | 錘擊力/N | mfcc10max特征值 | mfcc10max特征值均值 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 空洞 | 1 000~1 100 | 0.35~0.55 | 0.48 |
| 2 | 密實 | ?0.8~?0.3 | ?0.59 |
由圖14,15可知,空洞位置的聲波持續時間較長,約為0.016 s,密實位置的聲波持續時間較短,約為0.008 s,后者聲壓幅值相對較大。由圖16和表6可知,兩種情況下的mfcc10max特征值有明顯區別,空洞位置處的特征值較大,均值約為0.48,大于室內試驗中的最大均值0.1,分析原因為聲音采集條件不同,空洞尺寸和形態與室內試驗時的不同。密實位置特征值及均值與室內試驗數據相差不大,用非密實即空洞的排除法,可以將此指標應用在現場鋼管混凝土的空洞識別中。對計算預測有空洞的位置進行了鉆孔,驗證了空洞的存在,證明了該方法的準確性。
5. 表征鋼管混凝土空洞缺陷的特征值分析
試驗結果表明,mfcc10max特征值能很好地識別鋼管混凝土有無空洞缺陷,密實鋼管混凝土mfcc10max特征值為-1~-0.5,均值為-0.72；而有空洞鋼管混凝土在空洞位置錘擊聲導納中mfcc10max特征值為-0.4~0.4,均值為-0.23~0.1,即mfcc10max特征值大于-0.4,均值大于-0.23時,即可逆向初步判定該錘擊位置有空洞或脫空缺陷,提高了空洞檢測的效率,為后續空洞檢測打下了基礎。而從空洞徑向弧長超過68 mm的鄰近區域的錘擊聲導納中無法識別空洞,計算得到的mfcc10max特征值與密實鋼管混凝土的一致。
在對現場塔樓鋼筋混凝土檢測后發現,由于采集條件和實際空洞狀態的區別,空洞位置的mfcc10max特征值較室內試驗指標要大,但與密實狀態的特征值有明顯區別,且密實狀態的特征值與室內試驗指標幾乎一致,說明了此指標在現場鋼管混凝土空洞檢測中的適用性。
mfcc10max特征值能表征空洞的物理本質是：空洞的存在改變聲壓的同時也產生了不同的泛音,同時空洞的大小也改變了不同泛音與基音的混合比例,即組合形成了音色,從而讓人耳感受了錘擊聲的不同,并將其具體化成相應的音色指標。
6. 無損檢測掛證網結論
對多個不同工況和類型的鋼管混凝土用力錘錘擊,并采集錘擊聲和錘擊力,計算得到錘擊聲導納,提取108維mfcc音色特征并做相關性分析,得到以下結論。
（1）?對側邊空洞鋼管混凝土,當錘擊聲導納中提取得到的mfcc10max特征值大于-0.4時,可逆向初步判定該位置有空洞缺陷。
（2）?對側邊空洞鋼管混凝土,通過距空洞徑向弧長大于68 mm區域的錘擊聲,無法探測到空洞。
（3）?現場鋼管混凝土結構錘擊聲導納中mfcc10max特征值不大于-0.59時,可認為是密實狀態,反之可能有空洞存在。
