基于沖擊-光纖法的焊接型鋼梁損傷檢測(cè)理論與實(shí)驗(yàn)研究

許 穎， 牛 麗， 祖紅光

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

Ⅰ形鋼有橫向和縱向兩個(gè)對(duì)稱軸，故具有優(yōu)良的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于各種工程建筑、橋梁、支架和機(jī)械等方面[1]。焊接Ⅰ形鋼在翼緣與腹板的連接處受力復(fù)雜，這一部位是實(shí)際使用中最容易發(fā)生疲勞破壞的區(qū)域: 某廠平臺(tái)裝機(jī)軌道的疲勞破壞實(shí)例中，梁上翼緣與腹板連接焊縫全部開裂，梁上軌道因此下沉[2]。

在檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷[3]方面，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)存在一些不足: 磁粉和渦流檢測(cè)只能檢測(cè)到表面的缺陷[4-5]；滲透法只能檢測(cè)到表面開口的缺陷，并且檢測(cè)成本較高[6]；射線法雖然比較方便，但是對(duì)身體傷害很大。近年來出現(xiàn)了很多新興的無(wú)損檢測(cè)方法[7]，但是目前發(fā)展還不是很成熟。超聲波法是目前使用最廣泛的鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷檢測(cè)技術(shù)，具有穿透性好、靈敏度高、成本較低、對(duì)人體無(wú)害等特點(diǎn)。其中沖擊回波法是超聲檢測(cè)中常用的一種方法，它利用小錘或者小鋼球輕敲結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生低頻應(yīng)力波，應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)體內(nèi)傳播，遇到損傷或結(jié)構(gòu)界面發(fā)生反射，反射波被沖擊點(diǎn)附近的傳感器接收，通過對(duì)接收信號(hào)的時(shí)頻域分析可得到結(jié)構(gòu)厚度和損傷位置等信息[8-10]。

本文將能激發(fā)寬頻信號(hào)[11]的沖擊回波法和光纖傳感器相結(jié)合，提出一種沖擊-光纖無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，與壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramic Transducer, PZT)傳感器[12]相比具有以下優(yōu)點(diǎn): ①光纖靈敏度相比于其他傳感器靈敏度很高[13]，檢測(cè)數(shù)量級(jí)可以達(dá)到納米，能捕捉到極小的應(yīng)變變化；②在實(shí)際工程中，本文所述方法可以預(yù)先將光纖沿梁的長(zhǎng)度方向粘貼在鋼梁表面，這種檢測(cè)方法適用于只能接觸鋼梁一個(gè)表面的情況，因?yàn)樵趯?shí)際工程中，損傷多發(fā)生在梁上翼緣與腹板連接處，而上翼緣連接著橋板，不可直接放置檢測(cè)設(shè)備；③檢測(cè)過程中沖擊荷載只需用力錘敲擊梁翼緣表面，具有檢測(cè)快速、數(shù)據(jù)處理方便[14]等優(yōu)點(diǎn)，而傳統(tǒng)的脈沖超聲法則需要在激勵(lì)設(shè)備和鋼梁以及接受設(shè)備和鋼梁表面之間加耦合劑，操作繁瑣且耦合效果不好，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)信號(hào)太弱而無(wú)法有效傳遞到鋼梁。 所以本文所述檢測(cè)方法較適合土木工程粗放型作業(yè)的要求，能克服傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法的不足，提高檢測(cè)效率，便捷快速地檢測(cè)到疲勞損傷的發(fā)生，及時(shí)采取補(bǔ)救措施， 從而避免災(zāi)難的發(fā)生。

1 沖擊-光纖檢測(cè)技術(shù)原理

當(dāng)鋼梁內(nèi)無(wú)損傷時(shí)，應(yīng)力波在鋼梁上下翼緣表面來回反射，上下兩界面均為鋼-空氣界面，每次反射后其相位都會(huì)發(fā)生改變。波在梁上下界面發(fā)生反射的情況如圖1所示，實(shí)線表示壓縮波，虛線表示拉伸波，沖擊荷載產(chǎn)生的原始P波都是壓縮波，從圖中可以看出，經(jīng)底面反射到達(dá)沖擊面的P波都是拉伸波，壓縮波在界面上產(chǎn)生向外位移，而拉伸波在界面上產(chǎn)生向內(nèi)位移。設(shè)初始波為P，到達(dá)底面的奇次反射波3P，5P，7P是壓縮波，到達(dá)沖擊面的偶次反射波2P，4P，6P是拉伸波。在沖擊點(diǎn)和P波經(jīng)一次反射到達(dá)沖擊面的波2P傳播的距離為兩倍梁高2D，經(jīng)歷時(shí)間t=2D/Cp，并且隨后到達(dá)沖擊面的波4P，6P為等間隔，因此，P波每次到達(dá)沖擊面引起的上表面位移呈周期性，t為周期，頻率為

(1)

式中:D為梁高；fD為應(yīng)力波在在Ⅰ形梁上下翼緣表面多次反射的頻率；CP為波在鋼梁中的傳播速度。該公式為沖擊回波法檢測(cè)鋼梁損傷的核心。

圖1 沖擊回波法檢測(cè)原理圖Fig.1 Shock echo method schematic diagram

沖擊-光纖檢測(cè)法是在應(yīng)力波頻譜分析的基礎(chǔ)上用光纖干涉儀來檢測(cè)損傷的方法，沖擊荷載使梁內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波，粘貼在構(gòu)件表面的光纖傳感臂接收應(yīng)力波信號(hào)，經(jīng)信號(hào)解調(diào)和信號(hào)處理技術(shù)得到信號(hào)頻譜，對(duì)頻譜進(jìn)行分析確定梁內(nèi)損傷的位置及尺寸。圖2為Ⅰ形鋼梁的檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 Ⅰ形鋼梁損傷檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of damage detection for steel Ⅰ-beam structure

如圖2中a點(diǎn)所示，激勵(lì)作用在上翼緣中心線位置。如圖2中AB所示，干涉儀的傳感臂粘貼在Ⅰ形截面梁的上表面用來檢測(cè)其動(dòng)應(yīng)變。當(dāng)激勵(lì)不在損傷上方時(shí)，應(yīng)力波在Ⅰ形鋼梁上下翼緣表面來回反射，在頻譜上產(chǎn)生一個(gè)主頻fD，當(dāng)激勵(lì)在損傷上方時(shí)，主要產(chǎn)生兩個(gè)反射波，一個(gè)仍為應(yīng)力波在梁上下翼緣表面的來回反射，第二個(gè)為應(yīng)力波在梁內(nèi)損傷處和上翼緣表面間的來回反射，此主頻為

(2)

式中:d為上翼緣表面和損傷之間的距離;fd為應(yīng)力波在上翼緣表面和損傷之間多次反射產(chǎn)生的頻率。注意在實(shí)驗(yàn)中采集到的信號(hào)會(huì)受環(huán)境干擾，應(yīng)力波遇到其他界面反射也會(huì)對(duì)其造成一定的影響，信號(hào)的去噪將在3.2進(jìn)行詳細(xì)闡述。

在上述力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，損傷的位置可按照以下的方法確定: 計(jì)算出超聲波在鋼梁中的傳播速度Cp， 通過式(1)和式(2)得到兩種主頻fD和fd， 如果在頻譜中發(fā)現(xiàn)fd處有較大峰值，那么敲擊所對(duì)應(yīng)位置即為梁的損傷位置。

2 有限元分析

2.1 有限元模型參數(shù)

(1) 單元網(wǎng)格尺寸

網(wǎng)格劃分的基本準(zhǔn)則是在波的傳播方向上，單元網(wǎng)格[15]劃分尺寸Δx不低于最小波長(zhǎng)的1/20。 根據(jù)應(yīng)力波波長(zhǎng)，頻率及波速之間的關(guān)系，取波速[16]v=CP=5 944 m/s，最終得到單元網(wǎng)格尺寸Δx≤3.96 mm。 在滿足ANSYS的應(yīng)力梯度條件，并且保證計(jì)算效率的前提下，最終選取Δx=3.5 mm。網(wǎng)格劃分在損傷處局部加密，加密單元網(wǎng)格尺寸取整體模型尺寸的1/4。

(2) 積分時(shí)間步長(zhǎng)

在用ANSYS軟件求解波動(dòng)問題時(shí)，積分步長(zhǎng)應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件: ①Δt應(yīng)小到當(dāng)波在單元之間傳播時(shí)足以捕捉到波動(dòng)效應(yīng)[17]； ②滿足Newmark積分法中對(duì)于步長(zhǎng)的規(guī)定。另一方面，本課題需要將位移時(shí)程曲線進(jìn)行快速傅里葉(FFT)變換得到時(shí)域信號(hào)，F(xiàn)FT變換后的頻域圖分辨率與Δt成反比， 如果Δt取得太小，將會(huì)導(dǎo)致頻域圖分辨率太低，影響損傷位置判斷精度。

2.2 建立Ⅰ形鋼梁三維有限元模型

采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。鋼材密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比σ=0.3, 彈性模量E=2.06×1011Pa， 三維Ⅰ形鋼梁實(shí)體選用八節(jié)點(diǎn)Solid185單元。Solid185單元為一次單元，單元質(zhì)量均勻分配到節(jié)點(diǎn)上，適合模擬波的傳播。網(wǎng)格劃分尺寸為3.5 mm，模型兩端簡(jiǎn)支約束(一端約束UX，UY，UZ，ROTX，另一端約束UX，UZ)，模型如圖3(a)所示。為了方便實(shí)驗(yàn)制作，更為了清晰區(qū)分超聲在損傷界面反射及在梁上下翼緣表面來回反射的信號(hào)，本文采用貫穿式損傷來模擬疲勞損傷。圖3(b)為通過布爾運(yùn)算構(gòu)造的跨中貫穿式疲勞損傷(疲勞損傷在寬度方向上擴(kuò)展至貫穿腹板的整個(gè)厚度方向[18-19])細(xì)部圖。疲勞損傷與一般損傷的最大區(qū)別在于隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞中的損傷存在一個(gè)累積的過程。本文為了模擬方便，所以在每個(gè)模型中損傷的大小是確定的，通過采用帶有不同長(zhǎng)度貫穿式損傷的模型來模擬貫穿式損傷在長(zhǎng)度方向上的擴(kuò)展情況。這個(gè)貫穿式損傷存在一定局限性，其原因是: ①真實(shí)的疲勞損傷不規(guī)則；②真實(shí)疲勞損傷是動(dòng)態(tài)損傷，從非貫穿式慢慢發(fā)展直至變成貫穿式損傷。

圖3 Ⅰ形鋼梁三維建模和疲勞損傷細(xì)部Fig.3 Steel Ⅰ-beam 3D model and fatigue damage detail

2.3 不同截面Ⅰ形鋼梁跨中損傷可測(cè)性

三維模擬采用在Ⅰ形梁上翼緣直接施加半個(gè)周期的正弦沖擊來模擬實(shí)驗(yàn)中小錘敲擊產(chǎn)生的沖擊波。采用互相關(guān)法求解模型中應(yīng)力波波速為5 208 m/s。

為了表明沖擊-光纖法檢測(cè)Ⅰ形鋼梁翼緣與腹板交接處疲勞損傷的普適性，本節(jié)對(duì)帶有不同個(gè)數(shù)、長(zhǎng)度、和位置損傷的不同截面Ⅰ形鋼梁進(jìn)行損傷檢測(cè)。數(shù)值模擬中選擇5根不同型號(hào)鋼梁進(jìn)行研究分析，其中1～3號(hào)Ⅰ形鋼梁模型尺寸與實(shí)驗(yàn)相同，梁長(zhǎng)1 m，損傷位于Ⅰ形梁腹板與下翼緣交接處。Ⅰ形梁的橫截面尺寸參數(shù)如表1所示，Ⅰ形鋼梁損傷位置、長(zhǎng)度和個(gè)數(shù)匯總?cè)绫?所示，單位為mm，損傷厚度均為0.5 mm。

表1 Ⅰ形梁橫截面尺寸表Tab.1 Cross-section size of Ⅰ-beam

表2 Ⅰ形鋼梁損傷位置及長(zhǎng)度匯總表Tab.2 Location and length of damage of steel Ⅰ-beams

1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)梁分別在損傷正上方(跨中)和距離損傷正上方中心250 mm處上翼緣表面施加激勵(lì)荷載，激勵(lì)形式同本章前文所述；4號(hào)和5號(hào)梁由于梁高較大，在四分之一跨處，應(yīng)力波比較容易受邊界影響，所以選擇在跨中和梁右側(cè)距離跨中150 mm處激勵(lì)。提取上翼緣表面處沿梁長(zhǎng)度方向兩節(jié)點(diǎn)位移差時(shí)程曲線來模擬光纖接收信號(hào)，經(jīng)FFT變換得到各截面尺寸Ⅰ形梁對(duì)應(yīng)的頻譜，圖4為2號(hào)梁檢測(cè)信號(hào)頻譜。

圖4 2號(hào)Ⅰ形梁(有損及無(wú)損)頻譜圖Fig.4 Frequency spectrum of No.2 Ⅰ-beam with or without mid-span damage

在荷載激勵(lì)下，不同截面Ⅰ形梁頻譜圖中對(duì)應(yīng)的主頻可由式(1)和式(2)得到理論計(jì)算值。鋼梁響應(yīng)所選取的頻段可根據(jù)理論算出的主頻fD和fd來選擇。當(dāng)激勵(lì)源位于損傷上方時(shí)，根據(jù)理論計(jì)算頻譜中將出現(xiàn)21.7 kHz和23.35 kHz兩個(gè)峰值；當(dāng)激勵(lì)源不在損傷上方時(shí)，頻譜中應(yīng)僅有21.7 kHz一個(gè)峰值。從圖4(a)和圖4(b)有損梁不同激勵(lì)位置頻譜比較可以看出，當(dāng)激勵(lì)源位于有損梁損傷上方時(shí)，頻譜中出現(xiàn)23.25 kHz和21.5 kHz兩個(gè)較大峰值，23.25 kHz對(duì)應(yīng)理論中的fd，且23.25 kHz的幅值比21.5 kHz的幅值大很多；當(dāng)激勵(lì)源不在損傷上方時(shí)，頻譜圖中只有21.75 kHz一個(gè)較大峰值。為了排除激勵(lì)點(diǎn)位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的造成影響的可能性，本文還在完整梁相應(yīng)位置施加相同激勵(lì)，得到對(duì)應(yīng)頻譜如圖4(c)和圖4(d)所示。從圖4(c)和圖4(d)可以看出，在完整梁中激勵(lì)時(shí)，不同激勵(lì)位置所得到的頻譜圖的峰值頻率只有一個(gè)，且數(shù)值與fD基本一致，不會(huì)隨著激勵(lì)點(diǎn)位置的變化而變化，因此數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算值基本吻合，驗(yàn)證了模型的可靠性，也說明了當(dāng)激勵(lì)源在沿梁長(zhǎng)方向逐點(diǎn)施加時(shí)，可以根據(jù)頻譜中是否出現(xiàn)峰值較大的fd頻率來判斷I型梁是否存在損傷以及損傷的位置。

表3為位于跨中長(zhǎng)度為100 mm損傷檢測(cè)結(jié)果匯總，可以看出，當(dāng)損傷長(zhǎng)度為100 mm，厚度為0.5 mm時(shí)， 5種不同型號(hào)的梁均能檢測(cè)到損傷的存在。

表3 100 mm長(zhǎng)跨中損傷模擬結(jié)果匯總Tab.3 Mid-span 100 mm damage simulation results

2.4 不同截面Ⅰ形鋼梁非跨中損傷可測(cè)性

建立損傷位于非跨中處鋼梁三維有限元模型，梁尺寸和損傷信息參照表1和表2，分別在損傷正上方(四分之一跨處或者距離跨中0.15 m處)和跨中處梁上翼緣表面施加激勵(lì)，得到不同截面Ⅰ形梁的頻譜，圖5為帶有100 mm損傷的2號(hào)梁檢測(cè)頻譜，從圖中可以看出，當(dāng)激勵(lì)遠(yuǎn)離損傷處時(shí)頻譜中峰值對(duì)應(yīng)的頻率為波在梁上下翼緣來回反射形成的主頻；當(dāng)激勵(lì)位于損傷上方時(shí)，得到的頻譜中較大峰值所對(duì)應(yīng)的頻率比激勵(lì)不在損傷上方時(shí)要大，此峰值就是波在Ⅰ形鋼梁上翼緣與損傷處來回反射的主頻。將圖5和圖4對(duì)比可知，當(dāng)損傷位于非跨中位置時(shí)，得到的頻譜更為復(fù)雜。但仍然可以較清晰判斷主頻的位置。

表4為損傷在梁四分之一跨處或距離跨中0.15 m處不同截面梁的檢測(cè)結(jié)果匯總，可以看出本文提出的檢測(cè)方法對(duì)于損傷位于非跨中處仍然適用。

圖5 2號(hào)梁損傷位于非跨中處頻譜圖Fig.5 Frequency spectrum of No.2 Ⅰ-beam with non-mid-span damage

表4 四分之一跨損傷模擬結(jié)果匯總Tab.4 Quarter-span damage simulation results

2.5 Ⅰ形鋼梁多個(gè)損傷的可測(cè)性

根據(jù)表1和表2建立損傷同時(shí)位于跨中和梁四分之一跨(或者距離跨中0.15 m)處的鋼梁三維有限元模型。分別在損傷正上方(跨中和右四分之一跨處)以及遠(yuǎn)離損傷處(距離損傷0.15 m以外)梁上翼緣表面施加激勵(lì)，得到不同截面梁的頻譜圖，圖6為2號(hào)梁存在多個(gè)損傷時(shí)在不同激勵(lì)點(diǎn)位置的頻譜。

當(dāng)激勵(lì)分別位于梁跨中損傷正上方和非跨中損傷正上方時(shí)，其結(jié)果如圖6(a)和圖6(b)所示，頻譜中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)主頻，其中幅值較大的主頻對(duì)應(yīng)fd, 能反應(yīng)損傷的存在和位置信息；當(dāng)激勵(lì)遠(yuǎn)離兩個(gè)損傷時(shí)，其結(jié)果如圖6(c)所示，頻譜中只有一個(gè)主頻，該主頻對(duì)應(yīng)fD, 反應(yīng)了梁高度信息。本課題分別對(duì)1～5號(hào)Ⅰ型梁進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了本方法對(duì)同時(shí)存在多個(gè)梁損傷的可測(cè)性，由于篇幅有限，此處不再敖述。

圖6 2號(hào)梁多個(gè)損傷頻譜圖Fig.6 Frequency spectrum of No.2 Ⅰ-beam with multi-damages

2.6 損傷的最小可檢測(cè)長(zhǎng)度數(shù)值解

對(duì)梁高0.1～0.18 m的有損梁進(jìn)行損傷檢測(cè)，損傷長(zhǎng)度采用二分法逐漸變小，當(dāng)損傷位于跨中位置時(shí)可以得到如圖7所示損傷最小可檢測(cè)長(zhǎng)度隨梁高度變化的關(guān)系曲線，從圖中可見，對(duì)梁高0.1 m的Ⅰ型鋼梁，理論上可檢測(cè)到的最小損傷長(zhǎng)度為25 mm。圖中虛線為模擬數(shù)值曲線的線性擬合，從擬合結(jié)果來看，損傷最小可檢測(cè)長(zhǎng)度隨梁高的增大而逐漸變大，且成一定的線性關(guān)系，即梁高越高，能夠檢測(cè)到的最小損傷尺寸越大。對(duì)于損傷位于非跨中位置以及多個(gè)梁損傷的情況，得到和圖7類似的關(guān)系曲線。

圖7 損傷最小可檢測(cè)長(zhǎng)度隨梁高變化關(guān)系曲線Fig.7 The relationship curve between the minimum detectable length of damage and the beam height

2.7 損傷測(cè)量精度

聲場(chǎng)的指向性和擴(kuò)散性，使損傷長(zhǎng)度的測(cè)量存在一定的誤差。測(cè)量精度可定義為損傷可被感應(yīng)范圍(損傷檢測(cè)長(zhǎng)度)與損傷實(shí)際長(zhǎng)度之差的絕對(duì)值。分別對(duì)梁高0.1 m和梁高0.14 m的跨中損傷梁進(jìn)行檢測(cè)。模型的建立以及檢測(cè)方法同前文所述，激勵(lì)點(diǎn)從損傷正中心逐漸向兩端移動(dòng)。由于模型具有對(duì)稱性，模擬中只研究梁右半跨。表5為損傷測(cè)量精度分析表，從模擬結(jié)果可知，損傷的測(cè)量誤差為10 mm左右，是一個(gè)絕對(duì)值，損傷長(zhǎng)度的誤差不隨梁高和損傷實(shí)際長(zhǎng)度而變化。

表5 損傷長(zhǎng)度的測(cè)量精度分析表Tab.5 Accuracy analysis of damage length

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)布置

實(shí)驗(yàn)中使用力錘敲擊梁上翼緣表面中心產(chǎn)生寬頻沖擊荷載，通過M-Z光纖干涉儀進(jìn)行信號(hào)接收與解調(diào)。M-Z光纖干涉儀由分束器構(gòu)成，當(dāng)相干光從輸入端輸入后，輸出端的兩根基本相同長(zhǎng)度的光纖會(huì)在匯合處產(chǎn)生干涉，形成干涉場(chǎng)，而干涉場(chǎng)的干涉條紋與輸出端的夾角及光程差相關(guān)。若固定夾角，則外界條件的改變將直接影響干涉場(chǎng)的干涉條紋并引起光程差即相位差的變化，通過相位差變化可分析出外界因素的變化情況。定義粘貼在鋼梁部分光纖傳感臂長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則本文中光纖干涉儀所測(cè)量的參量為粘貼在鋼梁部分光纖長(zhǎng)度的變化量ΔL，ΔL與相位差成正比。由文獻(xiàn)[14]可知，總相位變化和由超聲脈沖引起的應(yīng)力波所產(chǎn)生的動(dòng)力應(yīng)變直接有關(guān)。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖8所示。被測(cè)梁以簡(jiǎn)支梁形式放置，在腹板/翼緣連接處構(gòu)造人為損傷，損傷厚度為0.5 mm。跟數(shù)值模型一致，疲勞損傷放在下翼緣/腹板連接處，而激勵(lì)沿著梁的上翼緣表面移動(dòng)，干涉儀的傳感臂通過雙面膠粘貼在I 形鋼梁的上表面用來檢測(cè)其動(dòng)應(yīng)變。

圖8 實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.8 Experiment schematic diagram

根據(jù)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，連接后的實(shí)物圖如圖9所示。光纖干涉儀將接收到的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)Appl-one軟件將信號(hào)輸出。

圖9 實(shí)驗(yàn)布置圖Fig.9 Experiment layout

3.2 信號(hào)采集與處理

光纖傳感系統(tǒng)采樣頻率設(shè)為150 kHz，采樣時(shí)間為5 s。通過光纖傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境噪音進(jìn)行信號(hào)采集，發(fā)現(xiàn)采集到的主要為低頻信號(hào)，其中在49.5 Hz的地方有一個(gè)明顯的峰值，此頻率為實(shí)驗(yàn)室的主要噪音頻率。由于本文所進(jìn)行的損傷檢測(cè)中，我們所關(guān)心的頻率在10～35 kHz的高頻區(qū)域，與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境低頻噪音差距較大，故可通過對(duì)0～100 Hz低頻濾波器對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境噪音信號(hào)進(jìn)行信號(hào)去噪。

圖10(a)為原始信號(hào)時(shí)域圖。對(duì)原始信號(hào)選取有效時(shí)間振動(dòng)信號(hào)后去除低頻趨勢(shì)項(xiàng)，再進(jìn)行小波濾波，將最終得到的時(shí)域圖進(jìn)行FFT變化得到信號(hào)頻譜。從信號(hào)頻譜中可以看到兩個(gè)明顯的峰值，如圖10(b)所示。

從圖10中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)頻譜曲線中有較多其他頻率峰值，不過它們都不在fd頻率處，且從圖10可見這些頻率幅值相對(duì)于fD和fd都較小，因此對(duì)本文的可測(cè)性影響不大；另外，本文檢測(cè)方法是有參考檢測(cè)法，即在對(duì)損傷位置未知的梁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可通過數(shù)值模擬或者實(shí)驗(yàn)方法獲得完整梁的頻譜圖作為參考。如果被檢測(cè)梁在某激勵(lì)點(diǎn)下的頻譜圖和完整梁基本相同，則認(rèn)為在此激勵(lì)點(diǎn)下沒有損傷存在；如果被檢測(cè)梁在某激勵(lì)點(diǎn)下的頻譜圖中在頻率fd附近出現(xiàn)完整梁頻譜圖沒有的且幅值較大的主頻，則可初步認(rèn)為在此激勵(lì)點(diǎn)附近存在損傷。

圖10 原始信號(hào)時(shí)域圖以及處理后信號(hào)頻譜圖Fig.10 Original time-domain signal and frequency spectrum of processed signal

3.3 不同尺寸Ⅰ形鋼梁疲勞損傷檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)中采用的Ⅰ形鋼尺寸參照表1中1～3號(hào)梁尺寸， 損傷的個(gè)數(shù)、長(zhǎng)度及位置如表2所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)用力錘分別在損傷正上方和遠(yuǎn)離損傷處敲擊，為了能更好地檢測(cè)到損傷的存在，在損傷處敲擊時(shí)，將激勵(lì)加載點(diǎn)選在損傷正上方中心處，遠(yuǎn)離損傷處激勵(lì)點(diǎn)應(yīng)同時(shí)滿足不受梁兩端邊界干擾和不受損傷干擾的條件，這里我們選距離損傷0.15～0.25 m同時(shí)距離梁兩端邊界0.2～0.25 m的幾個(gè)點(diǎn)施加激勵(lì)。

圖11為損傷長(zhǎng)50 mm時(shí)1～3號(hào)梁試件的檢測(cè)結(jié)果頻譜圖，其結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，從圖中可以看出，當(dāng)力錘敲擊遠(yuǎn)離損傷時(shí)，檢測(cè)結(jié)果頻譜中僅出現(xiàn)一個(gè)比較大的峰值，此峰值對(duì)應(yīng)的頻率為應(yīng)力波在梁上下翼緣表面來回反射的頻率fD，說明在這些位置不存在損傷；當(dāng)力錘敲擊位于損傷正上方時(shí)，得到的檢測(cè)結(jié)果頻譜中除了fD以外，還會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)更大的峰值，此峰值對(duì)應(yīng)的頻率為應(yīng)力波在梁上翼緣表面與損傷界面之間來回反射的頻率fd，此時(shí)敲擊所對(duì)應(yīng)位置即為損傷位置。

圖11 跨中損傷50 mmⅠ形鋼梁頻譜圖Fig.11 Spectrum of 50 mm damage at mid-span of the Ⅰ-beam

表6為位于跨中長(zhǎng)度為50 mm損傷時(shí)檢測(cè)結(jié)果，可以看出，對(duì)于三種不同型號(hào)Ⅰ形梁，均能檢測(cè)到損傷的存在以及位置。但當(dāng)損傷長(zhǎng)度為30 mm時(shí)，對(duì)于三種不同型號(hào)Ⅰ形梁，無(wú)論激勵(lì)施加在損傷上方還是遠(yuǎn)離損傷處，得到的信號(hào)頻譜中都只有一個(gè)峰值fD，可認(rèn)為采用本文所述檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)長(zhǎng)度為30 mm以下的損傷敏感性不足，不能準(zhǔn)確找到損傷位置。因此本實(shí)驗(yàn)方法對(duì)于梁高為1～1.5 m的Ⅰ型梁可檢測(cè)損傷最小長(zhǎng)度為30 mm左右。這個(gè)結(jié)果和前文中的2.6數(shù)值分析結(jié)果基本一致。

表6 50 mm長(zhǎng)跨中損傷檢測(cè)結(jié)果分析表Tab.6 50 mm mid-span damage detection results

損傷位于四分之一跨位置以及梁內(nèi)同時(shí)存在兩處損傷時(shí)鋼梁的檢測(cè)結(jié)果見表7和表8， 從表7和表8可知這兩種情況與損傷位于跨中位置大致相同，可認(rèn)為采用沖擊-光纖法對(duì)Ⅰ形鋼梁疲勞損傷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，能較準(zhǔn)確檢測(cè)到表2中所列情況損傷的存在以及位置。

表7 50 mm四分之一跨損傷檢測(cè)結(jié)果分析表Tab.7 50 mm 1/4-span damage detection results

表8 100 mm多個(gè)梁損傷檢測(cè)結(jié)果分析表Tab.8 100 mm multi-damage detection results

3.4 光纖粘貼位置對(duì)檢測(cè)的影響

本章前面部分實(shí)驗(yàn)均是將光纖粘貼在梁上翼緣表面位置進(jìn)行損傷檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光纖粘貼位置對(duì)于檢測(cè)結(jié)果具有一定的影響，本節(jié)通過實(shí)驗(yàn)來探究光纖粘貼位置對(duì)于梁損傷檢測(cè)結(jié)果的影響。這里僅對(duì)1～3號(hào)三種型號(hào)梁長(zhǎng)度為100 mm的跨中損傷進(jìn)行探究，通過信號(hào)頻譜圖來觀察當(dāng)光纖粘貼在腹板不同位置時(shí)對(duì)損傷可測(cè)性影響。光纖粘貼位置如圖12所示，分別將光纖粘貼在梁中性軸處的腹板表面以及距離上下翼緣四分之一梁高處腹板表面，用力錘敲擊梁上翼緣損傷正上方，經(jīng)信號(hào)采集以及處理后，得到1號(hào)梁光纖粘貼在不同位置時(shí)實(shí)驗(yàn)信號(hào)頻譜如圖13所示。

圖12 光纖粘貼位置示意圖Fig.12 Fiber position schematic diagram

從圖13中可以看出，對(duì)于1號(hào)梁，當(dāng)光纖粘貼在腹板3H/4處和腹板H/4處時(shí)也能檢測(cè)到損傷的存在，且頻譜圖中主頻和光纖粘貼在梁上翼緣表面中心處基本相同；當(dāng)光纖粘貼在腹板H/2處時(shí)，得到的信號(hào)頻譜圖中僅有一個(gè)峰值，此峰值對(duì)應(yīng)頻率為應(yīng)力波在梁上下翼緣表面來回反射形成的主頻，即這種粘貼位置對(duì)損傷的存在不敏感。

圖13 1號(hào)梁光纖粘貼在不同位置時(shí)實(shí)驗(yàn)信號(hào)頻譜Fig.13 Frequency spectrum of different optical fiber positions of No.1 beam from experiment

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，通過有限元模型進(jìn)行了數(shù)值分析。圖14為通過二維模擬得到的1號(hào)梁光纖粘貼在不同位置時(shí)數(shù)值信號(hào)頻譜圖，從圖中可以看出光纖粘貼在梁上翼緣表面、腹板3H/4處和腹板H/4處均能檢測(cè)到損傷的存在，而當(dāng)光纖粘貼在腹板H/2時(shí)無(wú)法通過頻譜判斷損傷的存在，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)具有一致性，即當(dāng)光纖粘貼在腹板中部時(shí)，本檢測(cè)方法對(duì)損傷的存在不敏感。這可能是因?yàn)楫?dāng)光纖粘貼在腹板中部時(shí)，光纖的位置接近Ⅰ型鋼梁的中性軸位置，中性軸位置既不受拉也不受壓，故對(duì)應(yīng)力變化不敏感，因此，在檢測(cè)條件允許情況下，光纖位置盡可能不要粘貼在腹板中部。

圖14 1號(hào)梁光纖粘貼在不同位置時(shí)數(shù)值信號(hào)頻譜Fig.14 Frequency spectrum of different optical fiber positions of No.1 beam from numerical analysis

4 結(jié) 論

(1) 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，本文所述方法對(duì)于不同型號(hào)的Ⅰ形梁跨中損傷、非跨中損傷以及梁內(nèi)多個(gè)損傷均具有可測(cè)性。當(dāng)力錘沿梁長(zhǎng)敲擊在非損傷位置上方時(shí), 在頻譜中只有一個(gè)主頻，此主頻對(duì)應(yīng)應(yīng)力波在梁上下翼緣表面來回反射的頻率fD；當(dāng)力錘沿梁長(zhǎng)敲擊在損傷位置上方時(shí), 在頻譜中除了存在梁上下翼緣表面來回反射的頻率fD外，還會(huì)增加另外一個(gè)主頻，此主頻對(duì)應(yīng)應(yīng)力波在梁上翼緣表面與損傷界面之間來回反射的頻率fd，通過此時(shí)額外增加的主頻可判斷損傷的存在和位置(長(zhǎng)度方向) 。

(2) 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，本文所述檢測(cè)方法對(duì)于梁高為1～1.5 m的Ⅰ型梁可檢測(cè)損傷最小長(zhǎng)度為30～50 mm左右，且損傷最小可檢測(cè)長(zhǎng)度與梁高大致成線性關(guān)系，這一現(xiàn)象無(wú)論當(dāng)損傷位于梁跨中、非跨中還是梁內(nèi)存在多處損傷時(shí)都同樣存在；損傷檢測(cè)長(zhǎng)度的絕對(duì)誤差在10 mm以內(nèi)。

(3) 通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了光纖粘貼位置對(duì)檢測(cè)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光纖粘貼在梁上翼緣表面、腹板3H/4處和腹板H/4處均能檢測(cè)到損傷的存在，而當(dāng)光纖粘貼在腹板中部時(shí)，本檢測(cè)方法對(duì)損傷的存在不敏感。因此，在檢測(cè)條件允許情況下，光纖位置盡可能不要粘貼在腹板中部。