基于振動特性判別鋼管混凝土兩種材料間的脫粘規(guī)律

王軍+曹暉

摘 要：通過鋼管混凝土推出試驗，分析比較推出過程中各階段鋼管混凝土非線性振動特性的差異，研究影響鋼管混凝土非線性特性的因素。利用解析模式分解提取鋼管混凝土振動信號的第一階振動分量，通過Hilbert變換得到頻率振幅關(guān)系，分析鋼管混凝土的非線性振動特性。3根鋼管混凝土構(gòu)件試驗結(jié)果表明，構(gòu)件非線性在整個加載過程中呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，鋼管混凝土非線性振動特性受其界面作用影響。在未發(fā)生加載脫粘的情況下，混凝土澆筑質(zhì)量不良將削弱其界面的膠結(jié)作用，從而降低非線性特性。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；推出試驗；非線性分析；AMD濾波

中圖分類號：TU311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2018）01-0048-07

Discriminant analysis of conrete debonding of CFST based on nonlinear vibration characteristics

Wang Juna，Cao Huia，b

（a.School of Civil Engineering；b.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area， Ministry of Education， Chongqing University，Chongqing 400045，P.R. China ）

Abstract：This paper firstly conducted push-out test and dynamic signal test on CFST. The difference of nonlinear vibration characteristics of CFST in different working conditions in push-out test was analyzed. And the influence factors of nonlinear characteristics of CFST were studied. The first order of vibration signal was extracted by utilizing analytical mode， the relationship of frequency- amplitude was obtained by Hilbert transform. The test results of three CFST members show that the nonlinear vibration characteristics first increase then decrease in all loading process， and the characteristics are affected by the interaction between steel tubular and concrete. The interface of cementation is weaken by the poor quality of concrete placement， thus the nonlinear characteristics is relatively low when the concrete debonding isnt occurred.

Keywords：concrete filled steel tube； push-out test； nonlinear analysis； AMD filtering

鋼管混凝土的脫粘缺陷可以分為2種：1）結(jié)構(gòu)受到荷載作用導(dǎo)致脫粘，如溫度以及軸向力等因素的影響；2）由于混凝土的澆筑不良，導(dǎo)致混凝澆筑不密實，從而形成的鋼管混凝土的界面脫粘。

目前，鋼管混凝土檢測主要是基于聲光學(xué)以及基于彈性假設(shè)的力學(xué)檢測方法。超聲波檢測方法應(yīng)用較早，但該方法僅適用于管壁與混凝土膠結(jié)良好的界面，首波沿鋼管壁傳播會對檢測結(jié)果產(chǎn)生干擾。郝放等[1]在超聲波方法實際檢測過程中指出：對聲能的衰減和波形的變化只能做定性和經(jīng)驗性的判斷。丁睿等[2]提出了利用分布式光纖傳感系統(tǒng)檢測鋼管混凝土脫空，表明利用光纖傳感器檢測鋼管混凝土脫空脫粘可行，但此方法必須在施工過程中預(yù)埋傳感器，無法用于已建成結(jié)構(gòu)的檢測。許斌等[3]采用基于壓電陶瓷的波動法和阻抗法來監(jiān)測鋼管混凝土界面剝離，以小波包能量譜的變化情況，來判斷界面剝離狀況。

CFST核心混凝土與鋼管的內(nèi)壁存在相互作用，這種界面作用由化學(xué)膠結(jié)力、機(jī)械咬合力和摩阻力構(gòu)成。當(dāng)鋼管混凝土發(fā)生自由振動時，界面作用復(fù)雜的動態(tài)變化（微粘滯、微碰撞、微滑動），導(dǎo)致振動呈現(xiàn)頻率隨振幅改變的非線性特征。通過識別鋼管混凝土振動信號中的非線性特征，能夠推測鋼管與核心混凝土的界面狀況。

目前，基于非線性動力檢測進(jìn)行損傷識別方面的研究還很少。Neild等[4]、Chajdi[5]、鄭星[6]、曹暉等[7]通過對混凝土梁的非線性動力研究，探討了將其運(yùn)用到損傷識別的可能。許鑫[8]通過3根鋼管混凝土懸臂柱證實基于非線性振動特性的鋼管混凝土脫粘識別可行；曹平[9]通過實驗室CFST短柱和工地實測，研究CFST脫粘與非線性特性的影響關(guān)系。

在鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)中，橋面荷載一般通過吊桿或者立柱先傳遞給拱肋鋼管，然后，通過鋼管與混凝土的界面相互作用傳遞給混凝土，最終使鋼管與混凝土共同受力。在實際高層建筑工程結(jié)構(gòu)中，荷載作用于鋼管混凝土柱的形式有兩種：一種是荷載直接作用于柱頂，此種傳力方式鋼管與混凝土共同受力，變形協(xié)調(diào)；另外一種則是梁間荷載先傳遞給鋼管側(cè)壁，再通過鋼管與混凝土的粘結(jié)作用傳遞給混凝土，實際工程中的大部分鋼管壁脫粘情況與推出試驗的傳力方式一致。因此，采用推出試驗的振動特性來分析鋼管混凝土的粘結(jié)質(zhì)量對于實際工程具有非常重要的參考價值。endprint

在推出試驗[10-11]過程中，當(dāng)采用壓力將核心混凝土推出鋼管的時候，混凝土通過界面作用將荷載傳遞給鋼管壁。在此過程中，由開始的膠結(jié)良好，到最后的整體剛體滑移，CFST的界面作用不斷變化。這非常有助于分析界面作用與非線性振動特性的相互關(guān)系。對3根鋼管混凝凝土構(gòu)件進(jìn)行推出試驗，在不同的加載工況下，分別測試鋼管的縱向應(yīng)變以及鋼管與混凝土的相對滑移，并同時采用動測方法記錄不同工況下構(gòu)件的振動加速度信號。對加速度信號采用解析模式分解（AMD）方法和Hilbert變換得到頻率振幅關(guān)系。通過分析比較，探討鋼管混凝土界面作用和非線性特性之間的關(guān)系和規(guī)律，并探討將其運(yùn)用到脫粘識別的可能。

1 基于信號處理的非線性振動分析方法

1.1 信號采集及前期信號處理

利用IEPE型加速度傳感器采集試件被人工激勵后的振動加速度信號。由于實驗室的各種實驗操作，采集的信號往往夾雜較多的噪聲。為改善分析效果，采用小波軟閾值方法對信號進(jìn)行前期去噪處理[12]。對于閾值的選擇，應(yīng)本著盡量去掉噪聲，又避免信號產(chǎn)生過大失真的原則。通過小波去噪，能夠使加速度的信號包線更加平滑，同時，對信號的功率譜影響又很小。

1.2 解析模式分解方法分離一階信號

采用解析模式分解方法對經(jīng)過小波去噪后的振動信號進(jìn)行濾波處理，得到一階振動分量。Chen等[13]提出的解析模式分析（AMD）方法，可以實現(xiàn)對多組分信號進(jìn)行分解，該方法能夠?qū)︻l率混疊信號、窄帶信號以及間歇性波動信號進(jìn)行較好的處理。

解析模式分解方法是通過構(gòu)造兩個具有相同指定頻率的正交函數(shù)，將正交函數(shù)與原信號的乘積作希爾伯特變換，從而分解出原信號中小于正交函數(shù)指定頻率的成分。解析模式分解方法理論如下[14-15]：對于任意由n個信號分量xdi（t）（i=1，2，…，n）組成的原信號x（t）

式（3）中：H[·]為示希爾伯特變換運(yùn)算。

1.3 時頻分析

采用Hilbert[16]變換，將經(jīng)過AMD方法分離得到的信號一階振動分量進(jìn)行時頻分析，最終得到頻率振幅曲線以分析CFST構(gòu)件的非線性振動特征。為消除Hilbert變換時頻曲線首尾容易出現(xiàn)的端效應(yīng)，需要先采用鏡像法對位移信號進(jìn)行處理，鏡像信號的中間的1/3段為原始信號。由于分析目的是找到曲線的變化趨勢，因此，可以對振幅時間曲線進(jìn)行擬合，選取同一振幅段頻率的變化值作為非線性振動特性指標(biāo)，來反應(yīng)構(gòu)件的非線性振動特性。

2 試驗及數(shù)據(jù)分析

2.1 鋼管混凝土構(gòu)件

試驗構(gòu)件尺寸參考實際工程中1.5 m×1.5 m方形截面、高4 m的鋼管混凝凝土柱。綜合考慮實驗室加載設(shè)備的加載能力和傳感器的布置，根據(jù)結(jié)構(gòu)模型相似理論，采用1∶5的縮尺比例確定構(gòu)件的尺寸。鋼管截面形式為30 cm×30 cm方形截面，鋼管厚6 mm，高度為800 mm。材質(zhì)為Q235?；炷翝仓?，預(yù)先在兩側(cè)鋼管壁兩端及中部開槽并插入鋼筋進(jìn)行預(yù)埋?；炷敛捎肅30等級商品混凝土。澆筑前應(yīng)對鋼管內(nèi)壁進(jìn)行人工除銹。CFST1采用機(jī)械振搗的方式澆筑；CFST2采用人工振搗的方式澆筑；CFST3設(shè)計為人為脫粘，通過在鋼管內(nèi)壁涂抹黃油的方法進(jìn)行人為脫粘，每側(cè)鋼管內(nèi)壁中央分別設(shè)置15 cm×15 cm的方形脫粘區(qū)域?；炷翝仓繚仓欢窟M(jìn)行逐層振導(dǎo)，混凝土澆筑至鋼管頂端50 mm處。過幾天后混凝土施工表面由于收縮下凹，采用高標(biāo)號水泥砂漿抹平。

2.2 試驗裝置

試驗采用500T電液伺服式長柱壓力試驗機(jī)加載。采用推出法，荷載首先通過鋼墊板傳遞給混凝土，然后通過鋼管與混凝土的界面作用傳遞給鋼管壁，最終傳遞給支座如圖1。試驗采用單調(diào)分級加載，出現(xiàn)明顯滑移后緩慢加載，至下端混凝土與鋼板接觸為止，然后開始卸載。荷載及位移采用荷載傳感器和位移傳感器電腦采集。

2.3 鋼管縱向應(yīng)變測試

在鋼管外表面粘貼縱向應(yīng)變片測試分級加載情況下鋼管表面的應(yīng)變值，分析鋼管混凝土在粘結(jié)破壞試驗過程中的鋼管縱向應(yīng)變沿鋼管長度的分布規(guī)律。鋼管外表面應(yīng)變片之間的豎向間距為100 mm。

在推出試驗的過程中，混凝土通過界面粘結(jié)力將荷載傳遞給鋼管壁，其傳遞過程見圖2。

假設(shè)鋼管混凝土的粘結(jié)應(yīng)力沿高度方向均勻分布[17]。則混凝土的縱向應(yīng)變可以表示為

圖3是CFST1在推出試驗過程中鋼管縱向應(yīng)變沿高度的分布曲線，圖中橫坐標(biāo)為試件高度位置，橫坐標(biāo)為各相應(yīng)位置處在各個試驗荷載下對應(yīng)的應(yīng)變值，P為施加的荷載?？v向應(yīng)變沿高度呈近似三角形分布。在加載初期，鋼管的各位置的應(yīng)變值都很小，表明鋼管與混凝土粘結(jié)緊密，不存在相對滑移；當(dāng)荷載逐步增大，鋼管頂部與底部的應(yīng)變應(yīng)變差距逐漸增大，鋼管與混凝土應(yīng)變的連續(xù)性遭到破壞，說明鋼管與混凝土之間逐漸出現(xiàn)相對滑移；當(dāng)荷載加載至約700 kN，應(yīng)變分布曲線與荷載為600 kN平行，鋼管應(yīng)變沿高度均勻增大，說明鋼管與混凝土之間發(fā)生明顯的整體剛體滑移。

2.4 鋼管混凝土相對滑移量測試

鋼管與混凝土的相對滑移與其界面的抗剪粘結(jié)性能有關(guān)。鋼管與混凝土的界面作用由化學(xué)膠結(jié)力、機(jī)械咬合力和摩阻力[18]構(gòu)成。

試驗預(yù)先在兩側(cè)鋼管壁上開槽并插入鋼筋進(jìn)行預(yù)埋。混凝土澆筑完成后，通過測量鋼筋棒與鋼管壁的相對位移，從而獲得鋼管與混凝土在不同部位的相對滑移。3根構(gòu)件的滑移測試結(jié)果見圖4～圖6。

從圖4～圖6可以看出，構(gòu)件荷載滑移曲線均可以劃分為3個階段：膠結(jié)良好階段、線性滑移階段和快速曲線滑移階段。

分析圖4中CFST1荷載滑移曲線可知，當(dāng)荷載小于400 kN，鋼管與混凝土之間膠結(jié)良好，不產(chǎn)生滑移，即未發(fā)生加載脫粘；當(dāng)荷載超過400 kN，CFST1從加載端開始向自由端逐漸產(chǎn)生生微小的滑移，滑移量與所加荷載呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，部分滑移的化學(xué)膠結(jié)力轉(zhuǎn)化為鋼管內(nèi)壁與混凝土的機(jī)械咬合力和摩阻力，故認(rèn)為CFST1發(fā)生不完全加載脫粘；當(dāng)荷載達(dá)到750 kN時，構(gòu)件開始迅速滑移直至破壞。此時，混凝土的粗糙面被磨平，界面機(jī)械咬合力和摩阻力減小，故認(rèn)為750 kN后，CFST1完全加載脫粘。endprint

同樣，根據(jù)圖5和圖6分析CFST2和CFST3可以得出：CFST2當(dāng)荷載小于250 kN，鋼管與混凝土之間膠結(jié)良好，不產(chǎn)生滑移，未發(fā)生加載脫粘；當(dāng)荷載超過250 kN，CFST2開始產(chǎn)生生微小的滑移，開始發(fā)生不完全加載脫粘；當(dāng)荷載達(dá)到600 kN時，構(gòu)件開始迅速滑移直至破壞，CFST2完全加載脫粘。CFST3當(dāng)荷載小于300 kN，鋼管與混凝土之間膠結(jié)良好，不產(chǎn)生滑移，未發(fā)生加載脫粘；當(dāng)荷載超過300 kN，CFST3開始產(chǎn)生生微小的滑移，即開始發(fā)生不完全加載脫粘；當(dāng)荷載達(dá)到550 kN時，構(gòu)件開始迅速滑移直至破壞，CFST3完全加載脫粘。

2.5 振動測試和非線性特性分析

構(gòu)件的非線性振動特性是指構(gòu)件受外部激勵發(fā)生自由振動時，界面作用復(fù)雜的動態(tài)變化導(dǎo)致振動呈現(xiàn)頻率隨振幅改變的特性。在實際工程當(dāng)中，無論是鋼管混凝土鼓屈脫粘，還是偏心受拉邊緣脫粘，其本質(zhì)上與推出試驗導(dǎo)致的脫粘一樣，都會導(dǎo)致鋼管與混凝土的粘結(jié)破壞，削弱其自由振動過程中界面的相互作用，從而影響結(jié)構(gòu)的非線性特性。

試驗動測設(shè)備采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司的DH5927N型動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，加速度傳感器采用揚(yáng)州科動公司的KD1400L型訂制傳感器。該傳感器為電壓輸出型壓電式加速度傳感器（IEPE），重200 g，可測頻率范圍為0.1～2 000 Hz，電壓靈敏度為410 mV/ms-2。

在各加載狀態(tài)下分別對構(gòu)件進(jìn)行動測試驗分析，忽略溫度對頻率的影響，動測盡量在外界無振動施工噪音下進(jìn)行。在動測過程中激勵嘗試不同位置和不同大小。動測方法為用力錘在傳感器安裝的對面進(jìn)行敲擊，測試時間在混凝土澆筑后1個月左右。

試驗通過力錘敲擊激發(fā)鋼管混凝土柱的一階或前兩階頻率成分，每個工況下的測試次數(shù)不少于3次，采用解析模式分解和希爾伯特變換方法對動測信號進(jìn)行分析，得到不同工況下的頻率振幅曲線。對頻率取常用對數(shù)，處理后的數(shù)據(jù)與位移幅值呈線性關(guān)系，故考慮采用常用對數(shù)函數(shù)對頻率振幅曲線進(jìn)行擬合，并將各曲線的頻率減去各自的最大值，得出構(gòu)件在1×10-9～2×10-9m振幅段的頻率振幅歸一化曲線，見圖7～圖9。選取歸一化曲線振幅2×10-9m所對應(yīng)的頻率的絕對值作為非線性特性指標(biāo)來反應(yīng)各工況下的非線性特性。

根據(jù)構(gòu)件的非線性分析結(jié)果，結(jié)合圖4 ～圖6的荷載滑移曲線，將構(gòu)件不同工況下的非線性特性和加載脫粘情況匯總得表1～表3。

由表1可知，在加載初期，鋼管與混凝土膠結(jié)良好，構(gòu)件的非線性特性較小；隨著加載等級的不斷增加，鋼管與混凝土之間出現(xiàn)微小的相對滑移，對應(yīng)荷載滑移曲線的線性滑移階段，鋼管與混凝土之間的膠結(jié)力逐漸轉(zhuǎn)化為機(jī)械咬合力和摩阻力，發(fā)生不完全加載脫粘。此時，鋼管與混凝土的相互作用逐漸增強(qiáng)，其非線性特性逐漸增強(qiáng)；當(dāng)荷載達(dá)到750 kN后，即荷載滑移曲線的快速曲線滑移階段，鋼管與混凝土之間的相對滑移迅速增大，混凝土表面被磨平，機(jī)械咬合力和摩阻力均減小，鋼管與混凝土之間完全加載脫粘，其非線性特性減小。在整個加載過程中CFST1的非線性特性呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。

由表2可知，CFST2所表現(xiàn)出的非線性特性變化趨勢與CFST1一致，呈現(xiàn)出先變大后減小的變化趨勢。CFST2混凝土澆筑方式采用的是人工振搗，相比于CFST1的機(jī)械振搗，其振搗質(zhì)量較差，混凝土與混凝土的粘結(jié)質(zhì)量較差，鋼管與混凝土的化學(xué)膠結(jié)作用較弱。因此，比較表1和表2可知，在初始加載工況下，即鋼管與混凝土未發(fā)生加載脫粘時，CFST2其鋼管與粘結(jié)質(zhì)量較差，導(dǎo)致其非線性特性遠(yuǎn)小于CFST1。

由表3可知，CFST3所表現(xiàn)出的非線性特性變化趨勢與CFST1一致，呈現(xiàn)出先變大后減小的變化趨勢。CFST3通過在鋼管內(nèi)壁涂抹黃油的方法實現(xiàn)人工脫粘，其混凝土與混凝土的粘結(jié)質(zhì)量相比于CFST1較弱，鋼管與混凝土的化學(xué)膠結(jié)作用較弱。因此，比較表1和表3可知，在初始加載工況下，即鋼管與混凝土未發(fā)生加載脫粘時，CFST3鋼管與粘結(jié)質(zhì)量較差，導(dǎo)致其非線性特性小于CFST1。

3 結(jié)論

在推出試驗過程中，采用力錘激勵，分別測試CFST在不同工況下的加速度響應(yīng)信號。通過采用解析模式分解結(jié)合希爾伯特變換的信號分析方法對實驗室鋼管混凝土進(jìn)行非線性振動特性分析，得到以下結(jié)論：

1）鋼管與混凝土的界面作用是影響其非線性特性的主要因素。當(dāng)鋼管與混凝土膠結(jié)良好時，其非線性特性較弱；隨著加載等級的不斷增加，鋼管與混凝土的膠結(jié)力逐漸破壞，機(jī)械咬合力和摩阻力逐漸增強(qiáng)，相應(yīng)地非線性特性越來越明顯；當(dāng)達(dá)到其粘結(jié)滑移極限承載力時，其機(jī)械咬合力和摩阻力減小，其非線性特性也隨之減小。

2）在鋼管混凝土未發(fā)生加載脫粘的情況下，鋼管混凝土的澆筑質(zhì)量不良將削弱其界面膠結(jié)作用，使得構(gòu)件的非線性遠(yuǎn)小于澆筑良好的鋼管混凝土構(gòu)件。

3）在鋼管混凝土未發(fā)生加載脫粘的情況下，采用黃油設(shè)置人為脫粘將削弱鋼管與混凝土的界面膠結(jié)作用，從而降低其非線性振動特性。

4）在鋼管混凝土正常使用情況下，鋼管與混凝土不會因荷載作用產(chǎn)生脫粘，非線性特性指標(biāo)可以作為是否因混凝土澆筑質(zhì)量不好導(dǎo)致脫粘的判定依據(jù)。參考文獻(xiàn)：

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