鋼-混凝土結(jié)構(gòu)弱粘接界面缺陷的超聲導(dǎo)波檢測(cè)*

張玉潔 陳興杰 朱文發(fā)

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院 上海 201620)

0 引言

具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠穩(wěn)定和節(jié)省材料優(yōu)勢(shì)的鋼-混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在橋梁、超高層建筑和鋼管混凝土拱橋等基礎(chǔ)設(shè)施中。然而，由于施工工藝以及環(huán)境負(fù)荷將導(dǎo)致鋼與混凝土粘接處界面發(fā)生脫粘，從而影響結(jié)構(gòu)整體的極限承載能力和安全性。因此對(duì)鋼-混凝土結(jié)構(gòu)界面的粘接質(zhì)量及安全性檢測(cè)評(píng)估顯得尤為重要。

由于粘接結(jié)構(gòu)各層聲阻抗存在差異、基體材料的高聲衰減性和頻散特性，復(fù)合結(jié)構(gòu)多層界面間粘接質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)至今仍是一個(gè)難題。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的檢測(cè)方法主要有紅外熱成像、沖擊回波、表面波、聲學(xué)檢測(cè)等。田長(zhǎng)彬等[1]開(kāi)發(fā)了適用于橋梁鋼管混凝土裂縫監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感器，若鋼層與混凝土層發(fā)生界面脫粘，預(yù)埋的傳感器發(fā)生光纖微彎，造成能量傳輸損耗。該方法需預(yù)先埋置傳感器且光纖造價(jià)高、容易被破壞。Renshaw 等[2]利用紅外熱成像檢測(cè)了儲(chǔ)罐和密封襯管試樣的粘接狀態(tài)，雖然重建缺陷圖像，對(duì)目標(biāo)缺陷高度敏感，但需均勻加熱設(shè)備。Pan 等[3]提出了一種針對(duì)鋼管局部模態(tài)的振動(dòng)試驗(yàn)方法，可實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土拱橋界面分離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但需要傳感器和待檢測(cè)物之間的物理接觸，不適用于結(jié)構(gòu)大并需要大范圍檢查的情況。Zhu等[4-5]進(jìn)行了基于麥克風(fēng)的混凝土板裂縫成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明表面波的傳播經(jīng)過(guò)裂縫時(shí)，聲波的能量衰減程度和裂縫與波的傳播方向夾角有一定關(guān)系，可定性識(shí)別局部界面脫空損傷，不適合環(huán)境噪聲較大的場(chǎng)合。鄭善樸等[6]研究多層結(jié)構(gòu)中脫粘缺陷的超聲檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)不同脫粘缺陷超聲脈沖回波的特征分析實(shí)現(xiàn)缺陷的定性、定位和定量。上述幾種方法雖然可檢測(cè)粘接界面損傷，但缺乏高效快速的無(wú)損檢測(cè)方法。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)的一種，是最有效的檢測(cè)方法之一，具有穿透力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可以檢測(cè)金屬與非金屬以及復(fù)合材料等多種結(jié)構(gòu)的損傷。本文提出一種利用空耦超聲導(dǎo)波的衰減檢測(cè)鋼-混凝土粘接結(jié)構(gòu)層間缺陷的方法，利用全局矩陣技術(shù)得到不同粘接條件下導(dǎo)波的理論頻散特性和衰減特性，根據(jù)理論選擇合適的頻率、角度等參數(shù)。然后，建立有限元分析模型并對(duì)有限元時(shí)域結(jié)果進(jìn)行二維傅里葉變換及歸一化處理分析，得到不同粘接條件下S0 模態(tài)和A0 模態(tài)幅值變化規(guī)律。最后分析粘接界面層不同厚度對(duì)導(dǎo)波在鋼層與混凝土層中傳播的影響。

1 理論模型

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種典型的層狀結(jié)構(gòu)，超聲Lamb 波在鋼-混凝土中傳播視為在層狀介質(zhì)中的傳播。針對(duì)本文的鋼-混凝土層狀粘接結(jié)構(gòu)，建立如圖1所示的理論模型。

圖1 鋼-混凝土結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播模型Fig.1 Guided wave propagation model in steelconcrete structure

利用全局矩陣法[7]建立層狀各向同性固體中的聲傳播模型，通過(guò)層狀介質(zhì)中氣-固界面及固-固界面處應(yīng)力和位移連續(xù)性的邊界條件，得到聲波在固體層狀結(jié)構(gòu)中理論頻散曲線(xiàn)及衰減曲線(xiàn)，分析聲波在鋼-混凝土層狀粘接結(jié)構(gòu)中的傳播特性[8-9]。其中各層參數(shù)屬性如表1所示，其中，VP表示該層縱波波速，VS表示該層縱波波速，ρ表示密度[10]。

當(dāng)理論模型為如圖1(a)所示時(shí)，矩陣方程通過(guò)式(1)表達(dá)：

其中，上標(biāo)“+”和“-”分別表示下行波和上行波，[Djt]和[Djb]分別表示某一層的頂部和底部矩陣。

表1 各層材料參數(shù)Table 1 Material parameters of each layer

當(dāng)理論模型為如圖1(b)所示時(shí)，矩陣方程通過(guò)式(2)表達(dá)：

模態(tài)解的理論特征方程為

求解導(dǎo)波的頻散曲線(xiàn)和衰減曲線(xiàn)即使頻率、相速度和衰減值同時(shí)滿(mǎn)足式(3)，也即求解方程的零點(diǎn)。根據(jù)理論方程求得模態(tài)解、特征值，相速度和多層介質(zhì)的導(dǎo)波衰減特性就可以確定。如圖2(a)所示，鋼層與混凝土層粘接良好中傳播的波在單層半空間中表現(xiàn)為導(dǎo)波，通過(guò)改變界面層阻抗值來(lái)模擬鋼層與混凝土層的之間粘接狀態(tài)，每一層的阻抗值Z由式(4)計(jì)算得出：

在不同的界面條件下尋找理論特征方程的波數(shù)，由于在上半空間是真空的情況下，上界面處的牽引必須為零，因此令上半空間的ρ=0 并將VP和VS設(shè)置為任意非零值。根據(jù)已知的材料屬性及厚度，通過(guò)求解全局矩陣方程可得到波數(shù)。實(shí)際上波數(shù)為復(fù)數(shù)，是其實(shí)部和虛部之和，可表示為式(5)：

其中，kRe、kIm分別表示波數(shù)的實(shí)部和虛部。

根據(jù)波數(shù)的實(shí)部和虛部可分別通過(guò)計(jì)算式(6)、式(7)得出相速度cp和衰減值α：

其中，ω為頻率。

如圖2(a)所示，頻率-實(shí)波數(shù)曲線(xiàn)在界面層S0模態(tài)在界面層良好粘接、弱粘接及脫粘時(shí)，曲線(xiàn)無(wú)明顯變化；A0 模態(tài)在界面層良好粘接、弱粘接及脫粘時(shí)，曲線(xiàn)也無(wú)明顯變化，難以區(qū)分界面的粘接狀態(tài)?？紤]到A0模態(tài)對(duì)界面粘接狀態(tài)不敏感，因此理論虛波數(shù)(衰減)只考慮S0 模態(tài)的情況。如圖2(b)所示，觀(guān)察到S0 模態(tài)在界面層良好粘接、弱粘接及脫粘不同情況下曲線(xiàn)變化較明顯。隨著鋼與混凝土之間界面層粘接變差，S0 模態(tài)衰減量逐漸減??；同一粘接狀態(tài)時(shí)，頻率在80～125 kHz 內(nèi)，S0 模態(tài)的衰減值單調(diào)遞增。

圖2 不同界面粘接條件下的理論波數(shù)Fig.2 Theoretical wave number under different interface bonding conditions

2 有限元仿真及結(jié)果分析

2.1 有限元仿真模型

利用PZflex 軟件建立有限元模型，分析不同粘接條件S0 模態(tài)的衰減特性。如圖3所示，有限元模型中鋼層厚度為19 mm，混凝土層厚度為250 mm。為了消除邊界反射的干擾，在有限元模型中加入吸收邊界，有限元仿真參數(shù)如表2所示。

圖3 有限元仿真模型Fig.3 Finite element simulation model

表2 有限元仿真模型參數(shù)Table 2 Finite element simulation model parameters

2.2 厚度為2 mm界面層的數(shù)據(jù)分析

根據(jù)理論衰減曲線(xiàn)的規(guī)律，選擇S0模態(tài)衰減值最大時(shí)的頻率為125 kHz，依據(jù)單層鋼板在空氣中的頻散曲線(xiàn)，如圖4所示，選取入射角度為4.9°，接收點(diǎn)數(shù)64，接收點(diǎn)距離3 mm。由于板狀結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在多個(gè)模態(tài)的Lamb 波，需要通過(guò)二維傅立葉變換將幅度-時(shí)間曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成頻率-波數(shù)(f-k)關(guān)系圖，各個(gè)模態(tài)可以根據(jù)(頻率，波數(shù)，幅值)的關(guān)系分離并進(jìn)一步得到確認(rèn)，這樣就可以進(jìn)行頻散曲線(xiàn)的定量測(cè)量[11]。為了更加清楚地觀(guān)察到導(dǎo)波在鋼-混凝土界面層中傳播的各個(gè)模態(tài)，將有限元結(jié)果進(jìn)行二維傅里葉變換，結(jié)果如圖5所示。

圖4 鋼板頻散曲線(xiàn)Fig.4 Steel plate dispersion curve

圖5 不同粘接條件下傅里葉變換結(jié)果Fig.5 Fourier transform results under different bonding conditions

傅里葉變換結(jié)果表明：在鋼-混凝土結(jié)構(gòu)界面不同粘接條件下，A0 模態(tài)幅值變化不明顯，S0 模態(tài)幅值變化明顯。粘接良好時(shí)，由于S0 模態(tài)在鋼-混凝土層中表現(xiàn)出高衰減的特性，因此超聲波早期大量泄漏至混凝土層中，在鋼-混凝土界面層間幾乎沒(méi)有S0 模態(tài)；然而隨著粘接條件變差，S0 模態(tài)較少地泄漏至混凝土層，而在鋼層與界面層間傳播；鋼層與混凝土層完全脫粘時(shí)，沒(méi)有能量泄漏至混凝土層，僅在鋼層中傳播。根據(jù)此結(jié)果分析得出S0 模態(tài)可用來(lái)判斷鋼層與混凝土層的粘接狀態(tài)。但仍需對(duì)粘接狀態(tài)進(jìn)行定量分析，因此對(duì)S0模態(tài)的幅值進(jìn)行歸一化處理，激發(fā)fC的中心頻率H(kx,f)處的波數(shù)譜，從f-k域中的幅度譜中提取(由式(8)計(jì)算)，得到不同粘接條件下的波數(shù)譜，如圖6所示。將不同粘接條件下的結(jié)果提取得到圖7。

其中，AS0和AA0分別是f-k域中S0模態(tài)和A0模態(tài)的最大幅值。

圖6 不同粘接條件的波數(shù)譜Fig.6 Wavenumber spectrum of different bonding conditions

圖7 歸一化S0 幅值Fig.7 Normalized S0 amplitude

2.3 厚度為1 mm界面層的數(shù)據(jù)分析

上述所用界面層厚度為2 mm，為研究界面層厚度對(duì)導(dǎo)波傳播的影響，改變界面層厚度為1 mm，得到的二維傅里葉變換結(jié)果如圖8所示；不同粘接條件下的波數(shù)譜，如圖9所示；結(jié)果提取得到圖10。結(jié)果表明，隨著界面粘接條件變差，A0 模態(tài)基本不受影響，而S0 模態(tài)變化明顯，這一結(jié)果與2 mm時(shí)保持一致。然而在同一粘接條件下，界面層厚度為1 mm 的歸一化幅值結(jié)果低于界面層厚度為2 mm時(shí)的情況。

圖8 不同粘接條件下傅里葉變換結(jié)果Fig.8 Fourier transform results under different bonding conditions

圖9 不同粘接條件的波數(shù)譜Fig.9 Wavenumber spectrum of different bonding conditions

圖10 歸一化S0 幅值Fig.10 Normalized S0 amplitude

3 結(jié)論

本文針對(duì)鋼-混凝土結(jié)構(gòu)在使用期間鋼層與混凝土層之間易發(fā)生脫粘等現(xiàn)象，提出一種利用空氣耦合超聲導(dǎo)波衰減的方法檢測(cè)與評(píng)估界面粘接質(zhì)量，并研究不同厚度對(duì)導(dǎo)波衰減的影響。主要結(jié)論如下：

(1)在頻率為125 kHz、界面層厚度為2 mm時(shí)，隨著粘接質(zhì)量變?nèi)?，S0模態(tài)的歸一化幅值不斷增大，A0模態(tài)的歸一化幅值無(wú)明顯變化；

(2)在頻率為125 kHz、界面層厚度為1 mm時(shí)，隨著粘接質(zhì)量變?nèi)酰琒0 模態(tài)與A0 模態(tài)的歸一化幅值與2 mm的情況一致；

(3)在頻率為125 kHz、同一界面粘接條件下，界面層厚度為2 mm的值高于1 mm 的。

結(jié)果表明，利用S0模態(tài)的衰減可以檢測(cè)到鋼層與下層混凝土層之間隱藏的弱粘接及脫粘；同時(shí)發(fā)現(xiàn)較厚的界面層導(dǎo)致較低的衰減值。這為以后相似結(jié)構(gòu)的檢測(cè)提供了一種檢測(cè)方法。