基于MASW的鋼-混凝土組合板界面剝離損傷識別

閻 石,于水旺,王 魯,崔賽杰

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)(Steel-Concrete Composite Structures,SCCS)能夠發(fā)揮鋼和混凝土各自的優(yōu)點(diǎn),增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形能力,表現(xiàn)出優(yōu)越的力學(xué)性能[1-2],常作為重要承重構(gòu)件廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)體系之中[3-5]。然而,由于混凝土澆筑不均勻、收縮、徐變等原因?qū)е耂CCS界面產(chǎn)生剝離損傷,將削弱其組合效果,從而降低其承載能力和剛度[6],嚴(yán)重時會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞。因此,采用有效便捷的方法對其界面損傷進(jìn)行識別,具有重要意義。

對于SCCS界面剝離損傷的識別問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究并取得了豐碩成果[7-10]。近年來,SCCS界面損傷識別技術(shù)取得了較大發(fā)展。目前,常用方法主要有超聲檢測法、振動測量法、壓電阻抗法、嵌入式壓電波動法以及表面壓電波動法等。楊樂[11]提出一種避免超聲波沿鋼板發(fā)生繞射的超聲檢測方法,并開展了1∶>1型鋼混凝土巨型梁柱節(jié)點(diǎn)損傷識別試驗(yàn),驗(yàn)證了該方法的可行性。侯忠明[12]應(yīng)用曲率模態(tài)分析方法,對鋼-混凝土組合梁的抗剪連接件進(jìn)行了損傷識別。艾德米[13]利用壓電阻抗法診斷結(jié)構(gòu)損傷,提出了基于電導(dǎo)信號特征的PZT損傷診斷方法,并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。黃廷劍[14]進(jìn)行了鋼筋混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的擬靜力試驗(yàn),利用嵌入式壓電功能元件對構(gòu)件的損傷發(fā)展情況進(jìn)行了監(jiān)測。楊映泉等[15]提出一種基于表面波動測量的界面剝離缺陷識別方法,初步檢測了鋼管的界面剝離缺陷。雖然這些方法能夠初步判別剝離損傷的程度,在工程應(yīng)用中較為廣泛,但是這些方法仍然存在對損傷敏感度不高、識別精度低、易受環(huán)境干擾和工程應(yīng)用不方便等問題,不能判斷剝離損傷的具體位置,無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的界面損傷識別。

傳統(tǒng)的多通道面波分析(Multi-channel Analysis of Surface Wave,MASW)技術(shù),是在分析水平傳播Rayleigh波(R波)的基礎(chǔ)上,確定近地表剪切波波速剖面的地震勘探方法,多用于地質(zhì)勘察、結(jié)構(gòu)抗震分析、海堤結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測等工程領(lǐng)域[16-17]。但隨著無損檢測技術(shù)不斷發(fā)展,國內(nèi)外的學(xué)者逐漸嘗試將MASW技術(shù)應(yīng)用到組合結(jié)構(gòu)的損傷識別的研究中。2019年,A.P.Jaganathan[18]利用點(diǎn)撞擊產(chǎn)生的縱波和周波對鋼筋混凝土管片進(jìn)行多通道面波分析,初步驗(yàn)證了MASW方法對鋼管混凝土構(gòu)件損傷識別的有效性。筆者結(jié)合MASW技術(shù)研究現(xiàn)狀,提出一種基于MASW的SCCS界面剝離損傷識別方法,通過數(shù)值模擬分析,建立基于波速衰減的MASW界面損傷識別算法,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。研究表明,MASW法有效地解決了“一發(fā)一收”波動法不能進(jìn)行界面損傷定位的問題,識別精度較高。

1 Rayleigh波動方程

Rayleigh波是沿半無限彈性介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ囊环N常見表面彈性波,在各向同性均勻固體彈性介質(zhì)中,彈性波動方程為

(1)

(2)

式中:VR為R波波速;VS為橫波波速;μ為泊松比。

R波在介質(zhì)自由表面呈逆時針橢圓傳播時,其能量較高,波動特征明顯,攜帶豐富界面損傷信息。因此,在鋼板的自由表面進(jìn)行豎向激振,通過分析R波的信號特征,并結(jié)合MASW技術(shù),就能對隱蔽的界面剝離損傷進(jìn)行識別。因此,筆者借助ABAQUS有限元軟件,以鋼-混凝土組合板為研究對象,利用基于顯式中心差分的顯式動力學(xué)面波分析方法,研究R波的波動行為和傳播規(guī)律,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建損傷識別算法并驗(yàn)證其有效性。

2 界面剝離損傷識別數(shù)值模擬

2.1 基本假定與有限元模型

由于應(yīng)力波在組合板中傳播的時程分析對計(jì)算機(jī)性能要求高,為了節(jié)約計(jì)算時間和成本,大多數(shù)研究均采用簡化分析的方法,因此作如下基本假定:①研究對象為二維平面組合板模型;②各部分材料為各向同性、均勻材料,且損傷厚度是均勻的;③僅考慮一處損傷;④可將模型視為半無限空間。因此,需要滿足檢測波的最大波長小于模型深度向尺寸的一半的條件。另外,結(jié)合波場分析的結(jié)果,盡可能減少邊界對信號的影響。二維鋼-泥凝土組合板有限元模型如圖1所示。

圖1 二維鋼-混凝土組合板有限元模型Fig.1 Two-dimensional steel-concrete composite plate(SCCP)finite element model

2.2 剝離損傷導(dǎo)致的表面波分流現(xiàn)象

通過刪除部分混凝土單元的方法來模擬SCCP界面剝離損傷。在組合板激勵點(diǎn)右側(cè)鋼板下界面處設(shè)置一處長×厚為100 mm × 2 mm的人工剝離損傷,損傷位置及受損SCCP有限元模型示意圖如圖2所示。施加豎向動荷載后,應(yīng)力波沿介質(zhì)傳播,可得到SCCP的整體波場快照,兩側(cè)波場基本滿足對稱性(見圖3)。但對損傷區(qū)域進(jìn)行局部觀察時,發(fā)現(xiàn)了表面波“分流”現(xiàn)象(見圖4)。由此可見,剝離損傷的存在導(dǎo)致呈逆時針橢圓振動的表面R波的波動行為發(fā)生了改變,在對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時,分流前后的信號具有同相位滯后的特征。

圖2 具有一處界面剝離損傷的鋼-混凝土組合板有限元模型示意圖Fig.2 The schematic of SCCP finite element model with an interfacial debonding damage

圖3 鋼-混凝土組合板波場快照Fig.3 A wave field snapshot for the SCCP

圖4 不同傳播狀態(tài)表面波波場快照與分流原理簡圖Fig.4 Interfacial wave field snapshots for different wave propagation stages and shunt schematic

2.3 界面剝離損傷指標(biāo)

為了進(jìn)一步研究信號相位差變化與損傷尺寸的對應(yīng)關(guān)系,通過改變剝離損傷的長度和厚度,25 mm × 2 mm表示剝離長度為25 mm,剝離厚度為2 mm,采用控制單一變量的方式,繪制不同損傷尺寸的同測點(diǎn)時程信號曲線(見圖5)。分析曲線特征可知,整體上具有損傷的信號曲線均具有同相位滯后的特征,即表面波發(fā)生了不同程度的波速衰減;相同剝離長度下,剝離厚度的改變對相位差的影響并不明顯;相同剝離厚度下,剝離的長度越長,信號曲線同相位滯后的程度就越高,即波速衰減幅度越大。

圖5 不同損傷尺寸的同測點(diǎn)信號時程曲線Fig.5 Sensing signal time history curves at the same measuring point for different damage dimensions

為此,采用表面波波速作為損傷識別主要參數(shù),從而間接地定量描述界面損傷程度,定義界面剝離損傷指標(biāo)為

(3)

式中:i為不同的損傷工況;Di為損傷指標(biāo);VDi為i損傷工況下的表面波波速;VH為健康工況下的表面波波速。不同工況下結(jié)構(gòu)的界面剝離損傷指標(biāo)如圖6所示。

圖6 界面剝離損傷指標(biāo)與剝離長度關(guān)系Fig.6 The relationship between interfacial damage index and damage lengths

定義l為剝離損傷長度,k為曲線斜率,損傷指標(biāo)與剝離長度的線性表達(dá)式為

Di=k·l.

(4)

由圖6可知,SCCP界面剝離區(qū)域越大,損傷指標(biāo)越大。其中,Di=0表示組合界面處于健康狀態(tài),Di>0表示組合界面發(fā)生剝離。對于本組合板,經(jīng)計(jì)算可知,斜率k約為0.575 m-1。建立的界面損傷指標(biāo)與剝離長度的正相關(guān)線性關(guān)系,為SCCP界面損傷識別提供了依據(jù)。

2.4 界面剝離損傷識別算法

采用六通道MASW方法,激勵點(diǎn)兩側(cè)均為一點(diǎn)激發(fā),六點(diǎn)接收的形式,將健康與損傷區(qū)域信號進(jìn)行對比分析。設(shè)定道間距D=200 mm,偏移距d=100 mm。剝離損傷的長×厚為100 mm × 2 mm,損傷位置為第二道間內(nèi)右側(cè)20 mm,第三道間內(nèi)左側(cè)80 mm,損傷區(qū)域六通道MASW參數(shù)布置如圖7所示。

圖7 損傷區(qū)域及六通道MASW布置示意圖Fig.7 The schematic of damage zone and 6 MASW layout

在定位損傷時,首先要根據(jù)波速衰減規(guī)律確定波速衰減的起始道間,此范圍稱為有效道間。在此范圍內(nèi),計(jì)算各個道間的波速衰減比例;每個道間波速衰減占比稱為損傷比率,用φi表示

(5)

式中:n為通道數(shù);VH為健康區(qū)域平均波速;VDi為損傷區(qū)域第i道間平均波速;φi為第i道間的損傷比率。上述波速計(jì)算均位于有效道間范圍內(nèi)。

根據(jù)損傷比率,再結(jié)合MASW的布置參數(shù),確定剝離損傷的起點(diǎn)和終點(diǎn)的方法就相對簡單。最終提取的六通道MASW波速數(shù)據(jù)及損傷位置判定方法如表1所示。結(jié)果表明,SCCP界面剝離損傷位于第二和第三道間,識別精度達(dá)到厘米級。

2.5 MASW損傷識別算法的試驗(yàn)驗(yàn)證

MASW試驗(yàn)中,采用聚弗乙烯板內(nèi)嵌的方法模擬界面剝離損傷,利用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)、函數(shù)發(fā)生器、功率放大器和數(shù)字示波器等設(shè)備,建立基于MASW的六通道壓電超聲面波損傷檢測系統(tǒng),PZT布置及設(shè)備連接方式如圖8所示，MASW試驗(yàn)平臺如圖9所示。

表1 六通道MASW法損傷位置判定模擬結(jié)果Table 1 Simulative results of damage location determination by six-channel MASW method

圖8 PZT布置及設(shè)備連接方式Fig.8 PZT layout and equipment connection

圖9 MASW試驗(yàn)平臺Fig.9 MASWtest platform

通過PZT驅(qū)動器激勵正弦信號(頻率為100 kHz,幅值為10 V),對組合板健康區(qū)域和損傷區(qū)域的信號進(jìn)行多道數(shù)據(jù)采集,典型的傳感信號如圖10 所示。

圖10 典型的傳感信號Fig.10 A typical sensing signal

計(jì)算各個道間的平均波速,得到試驗(yàn)組合板的表面波道間波速曲線,試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)見表2。

表2 六通道MASW法損傷位置判定試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Damage location evaluation for 6 MASW method

根據(jù)表2可以判定,試驗(yàn)組合板的界面剝離損傷位于第二和第三道間,損傷位置與實(shí)際位置的最大誤差為30 mm,可能是受到試驗(yàn)設(shè)備的精度限制、鋼板材料的初始缺陷等因素的影響,采集到的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理時會產(chǎn)生一定的誤差,但通過多次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取和分析,表面波波速衰減的起始道間與剝離損傷的起點(diǎn)和終點(diǎn)是相對應(yīng)的,由于道間距設(shè)置為100 mm,所以該方法的損傷識別精度能達(dá)到厘米級,驗(yàn)證了數(shù)值模擬所提出方法的有效性。

3 結(jié) 論

(1)基于二維平面波動理論,表面波在SCCP組合界面?zhèn)鞑r,遇到界面剝離損傷,會產(chǎn)生表面波“分流”現(xiàn)象。

(2)表面波的波速衰減程度與界面剝離長度密切相關(guān),波速衰減幅度越高,損傷程度越大。

(3)基于波速衰減的MASW界面剝離損傷定位算法能有效確定SCCP界面損傷的范圍,損傷識別精度達(dá)到了厘米級。