基于MASW 方法識別高速鐵路組合橋梁界面剝離損傷的可行性研究

趙玉棟，陳洪兵，聶鑫

（清華大學(xué) 土木工程系，北京 100084）

0 引言

我國高速鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，高速鐵路運營速度和建設(shè)規(guī)模均位于世界領(lǐng)先水平。大量高鐵建設(shè)采用“以橋代路”的建設(shè)方法，對橋梁工程的力學(xué)性能和安全性提出了更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。鋼-混組合橋梁由于可以充分發(fā)揮鋼材和混凝土2 種材料的力學(xué)優(yōu)勢，目前已在我國大型公路橋梁中廣泛應(yīng)用。相比于公路橋梁，鐵路橋梁的活荷載形式變化較大，高速列車-橋梁之間的動力耦合效應(yīng)更易誘發(fā)鋼-混界面的粘結(jié)滑移和疲勞損傷。因此，需要對高速鐵路鋼-混組合橋梁采取行之有效的檢測和監(jiān)測，從而確保橋梁的正常使用性能并提高列車運營的安全性和舒適性。

1 基于PZT 智能材料的無損檢測技術(shù)及其在組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

鋼-混組合結(jié)構(gòu)的界面連接作為鋼材和混凝土2種材料協(xié)同受力的核心要素，一直都是該類結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的研究重點。針對如何實現(xiàn)對界面剝離、粘結(jié)滑移等損傷的識別，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量試驗研究和數(shù)值模擬?；谥悄懿牧系臒o損檢測技術(shù)逐漸成為工程界和學(xué)術(shù)界的研究熱點。智能材料如形狀記憶合金、光導(dǎo)纖維、磁致伸縮材料、碳納米纖維、壓電材料等被廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。其中PZT 材料由于成本低廉、響應(yīng)速度快、頻率范圍寬、線性度好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)檢測中[1]。在粘結(jié)滑移的損傷識別方面，Zeng 等[2]利用剪切型壓電陶瓷片作為智能骨料，通過在粘結(jié)層附近布置智能傳感器進行粘結(jié)滑移的監(jiān)測。監(jiān)測表明，傳感器接收的時域電壓信號幅值隨著界面滑移量的增大而逐漸降低。通過對電壓信號進行小波分析來定量描述接收信號的能量大小，并結(jié)合有限元分析驗證了該方法的可行性。Liang 等[3]基于阻抗法進行了混凝土和鋼板之間粘結(jié)滑移的試驗研究，結(jié)合均方根差識別粘結(jié)滑移的發(fā)展過程。為了進一步研究阻抗法檢測粘結(jié)滑移的可行性，采用三維耦合數(shù)值分析驗證了試驗數(shù)據(jù)的正確性和合理性。Li 等[4]采用超聲檢測技術(shù)對圓鋼管混凝土的質(zhì)量進行檢測，試驗結(jié)果表明聲速、波形等聲學(xué)參數(shù)及其變異系數(shù)可以反映鋼管壁與核心混凝土的界面粘結(jié)狀況。許斌等[5-6]在大量試驗研究的基礎(chǔ)上提出了基于壓電智能傳感器進行鋼管混凝土構(gòu)件的界面剝離缺陷識別方法。不僅可以對剝離缺陷進行有效識別，也可滿足實時監(jiān)測的需求。Qin 等[7]將內(nèi)置的PZT 傳感器作為驅(qū)動端，外貼PZT 壓電陶瓷片作為接收端，實現(xiàn)了在鋼-混梁的加載試驗過程中的界面剝離檢測。結(jié)合小波分析建立的損傷指標(biāo)對加載過程中界面剝離的發(fā)展過程十分敏感。

現(xiàn)階段，基于PZT 的鋼- 混組合構(gòu)件界面剝離檢測的主要技術(shù)路線見圖1。由于實際應(yīng)用中的鋼-混組合構(gòu)件截面形式多樣，以鋼管混凝土構(gòu)件為例，其結(jié)構(gòu)形式從傳統(tǒng)的規(guī)則矩形和圓形截面，逐步演化為內(nèi)部構(gòu)造日趨復(fù)雜的多腔室?guī)缀螛?gòu)造，且一般均設(shè)置橫隔板和加筋肋以提高構(gòu)件的整體剛度，改善構(gòu)件的傳力機制。壓電應(yīng)力波在不同形式構(gòu)件中的傳播時程及波場分布特點需要做深入研究，這對于認知壓電波動法識別界面剝離缺陷的內(nèi)在物理機制和PZT 傳感器的優(yōu)化布置有重要意義。

圖1 基于PZT 的鋼-混組合構(gòu)件界面剝離檢測的主要技術(shù)路線

2 超聲導(dǎo)波在無損檢測中的應(yīng)用

對于細長鋼管混凝土，當(dāng)構(gòu)件高度與直徑比例較大時，可以按照桿狀波導(dǎo)進行分析[8]。然而對于高層建筑中的鋼管混凝土柱，其半徑及高度一般為1 m 和4 m，該類構(gòu)件不能簡單按照桿狀波導(dǎo)進行分析。本質(zhì)上講，導(dǎo)波的產(chǎn)生機制很大程度上取決于波導(dǎo)的幾何特性，因此派生出多種基于導(dǎo)波的無損檢測方法。對于鋼-混組合結(jié)構(gòu)，混凝土及其內(nèi)部缺陷的存在將會對鋼板中的導(dǎo)波傳播特性產(chǎn)生影響。此外，鋼板內(nèi)部的銹蝕等缺陷同樣會導(dǎo)致鋼板頻散特性的變化。通過測量鋼板中導(dǎo)波及其頻散特性的變化可實現(xiàn)對鋼-混界面的損傷識別。

Jain 等[9]通過2 個斜入射的傳感器試驗驗證了基于導(dǎo)波進行鋼管混凝土損傷識別的可行性。但是該方法需要用水箱實現(xiàn)耦合劑的效果，較大程度上限制了該方法在實際工程中的應(yīng)用。此外，該方法僅采用單發(fā)-單收模式，且檢測精度和高效性有待進一步驗證。

對于薄板的粘結(jié)層，可以采用基于反射波衰減特性實現(xiàn)對界面缺陷的高效識別[10]。但是對于鋼管混凝土，由于超聲波在混凝土內(nèi)部傳播過程中，其信號幅值和能量衰減顯著，因此反射波的信號幅值十分微小，將很大程度上削弱對缺陷的識別精度。

Shen 等[11]通過對比界面層材料特性變化對Rayleigh 波頻散曲線的影響，開展了理論、試驗研究及數(shù)值分析。研究結(jié)果表明頻散曲線存在多個模態(tài)，但是最顯著且容易區(qū)分的為第一模態(tài)。通過對實測的頻散曲線的反演分析，可實現(xiàn)對界面粘結(jié)層彈性材料特性的預(yù)測。

綜上所述，傳統(tǒng)波動法存在顯著的技術(shù)瓶頸：基于體波測量的檢測技術(shù)需預(yù)埋嵌入式傳感器，不適用于運營階段構(gòu)件的無損檢測；采用單發(fā)-單收的表面波檢測模式，難以有效捕捉并充分利用表面波的頻散特性。因此，亟需研發(fā)高效的無損監(jiān)測方法，以提高對鋼-混組合構(gòu)件界面損傷的識別精度。

3 MASW 基本原理及其在無損檢測中的應(yīng)用

3.1 MASW 基本原理

雙傳感器方法被稱為Two-receiver approach 或SASW method，該方法在20 世紀(jì)80 年代初期由美國德州大學(xué)奧斯汀分校率先提出，該方法基于對重錘沖擊的表面波相位譜的快速傅里葉變換（FFT），隨后被廣泛應(yīng)用在地質(zhì)勘探中。雙傳感器方法被稱為表面波的譜分析。在研究初期，基礎(chǔ)模態(tài)（M0）分析僅針對Rayleigh 波。此后，德州大學(xué)奧斯汀分校的學(xué)者取得了一系列重要的研究成果[12-18]。

依據(jù)信號源的類型，多道面波分析（MASW）方法主要分為兩大類：主動MASW（錘擊或落錘）和被動（氣候或者自然因素，如交通或者潮汐的影響）MASW。主動MASW 方法由Park 等（1999）[19]率先提出，該方法基于線性陣列的傳感器來采集數(shù)據(jù)?；趦A斜疊加法、相移法、tau-pi 變換、F-K 變換[20-24]等方法對采集數(shù)據(jù)進行頻散特性分析。

3.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

Cheng 等[25]采用多通道表面波分析方法對鋼板頻散曲線隨粘結(jié)層材料性能變化進行了深入研究。通過對各傳感器時程信號正演得到頻散曲線并與理論頻散曲線對比，觀察相速度的變化來實現(xiàn)對界面粘結(jié)狀況的評估。但是在該研究中，粘結(jié)狀況的改變是通過調(diào)節(jié)整個粘結(jié)層的材料特性進行模擬的，并沒有提及局部出現(xiàn)界面剝離的情況，與鋼-混組合結(jié)構(gòu)中常見的實際界面剝離缺陷類型差異較大。

此外，結(jié)合有限元仿真，采用MASW 方法正演板類構(gòu)件頻散特性的可行性已經(jīng)得到充分驗證。Gómez 等采用商用有限元Comsol[26]進行多通道數(shù)據(jù)的采集，結(jié)合Matlab 實現(xiàn)F-K 變化，從而進一步得到鋼板的頻散曲線，結(jié)果表明該方法得到的頻散曲線與理論頻散曲線吻合度較高。有限元分析結(jié)果為基于MASW 方法的結(jié)構(gòu)無損檢測的傳感器優(yōu)化布置、信號選型等提供了良好基礎(chǔ)，數(shù)值仿真結(jié)果可以直接用于指導(dǎo)試驗設(shè)計并用于校核試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。應(yīng)力波在傳播過程中，遇到缺陷會反射、繞射。依據(jù)信號幅值的衰減和能量的損失[27-29]、傳播路徑的改變和首波聲時的延長[30]，即可以實現(xiàn)對構(gòu)件內(nèi)部的健康狀況的判斷?，F(xiàn)階段基于透射波的缺陷檢測仍屬于體波的范疇。但是，相比能量較低的體波（縱波和橫波分別約占7% 和26%），表面波的幅值大且能量相對較高（67%）[31-32]，因此相對比較容易識別。鋼-混組合構(gòu)件的頻散特性分析及基于MASW 方法識別鋼-混界面剝離缺陷的可行性有待深入研究。

4 MASW 有限元數(shù)值模擬

采用2D 細觀模型的尺寸為1 000 mm×1 000 mm，單元網(wǎng)格尺寸為1.0 mm×1.0 mm，鋼材和混凝土的材料參數(shù)與Xu 等[5]的數(shù)值模型保持一致（見圖2）。界面剝離缺陷的尺寸為300.0 mm×5.0 mm。一般情況下，實際被檢測構(gòu)件的尺寸較大。由于超聲波在構(gòu)件中的衰減顯著，為了降低計算量，一般依據(jù)超聲波波長選取適當(dāng)?shù)臉?gòu)件尺寸進行數(shù)值分析。為了降低或排除幾何邊界導(dǎo)致的界面反射波，一般需要采用完美匹配層、無限單元或者人工阻尼單元等方法來降低界面反射波的影響。在Abaqus 中引入無限單元來吸收界面反射波，無限單元邊界的區(qū)域?qū)挾仍O(shè)置為10 mm。采用半周期正弦信號進行激勵，以模擬錘擊荷載。取2D 有限元模型頂部節(jié)點作為豎向加速度Az的采樣點，間隔設(shè)置為20 mm，加速度時程曲線見圖3。

圖2 有限元分析模型

圖3 加速度時程曲線

對圖3 中的加速度時程曲線進行頻散特性分析，結(jié)果分別見圖4—圖6。如圖2 所示，由于界面剝離缺陷設(shè)在有限元模型頂部鋼板和混凝土界面的中部，界面剝離區(qū)域長度為300 mm，因此缺陷處對應(yīng)的采樣點編號為18～32。

圖4 通道1～50 對應(yīng)的頻散曲線

圖5 無缺陷區(qū)域頻散曲線

圖6 界面剝離區(qū)域頻散曲線

通道1～50 對應(yīng)的頻散特性曲線見圖4，基礎(chǔ)模態(tài)M0 表現(xiàn)為Lamb 波和Rayleigh 波的混合模式。無缺陷處各采樣點的加速度時程曲線對應(yīng)的頻散曲線見圖5，基礎(chǔ)模態(tài)M0 呈現(xiàn)為多層Rayleigh 波的頻散特性。依據(jù)缺陷處通道18～32 得到的頻散特性曲線見圖6，與Lamb 波的振動模態(tài)保持一致。

數(shù)值分析結(jié)果表明，正演頻散曲線的基礎(chǔ)模態(tài)M0在無損情況下接近于Rayleigh 波的理論值，當(dāng)存在界面剝離時更接近Lamb 波的理論分析結(jié)果，且剝離缺陷頂部的鋼板中的應(yīng)力波完全屬于Lamb 波的振動模態(tài)。

5 結(jié)論

系統(tǒng)梳理了現(xiàn)有基于壓電陶瓷智能材料和波動法的界面剝離檢測技術(shù)，詳細對比了不同方法的工作機理和優(yōu)缺點，進而提出基于多道面波分析方法識別界面剝離損傷的檢測技術(shù)。以高速鐵路組合橋梁中常見的鋼管混凝土構(gòu)件為例，通過有限元數(shù)值分析，驗證了該方法的可行性。后續(xù)將依據(jù)實際高速鐵路橋梁荷載形式進行動力加載試驗，并進一步驗證MASW 方法識別鋼-混組合橋梁界面損傷的高效性。