矩形鋼管砼截面內(nèi)缺陷對(duì)不同路徑波動(dòng)測(cè)量的影響

柯鈞豪，羅曉生，張國(guó)文，許云鵬，王 江，許 斌，夏 頌

(1.華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.中建二局第一建筑工程有限公司，廣東 深圳 518003; 3. 福建省智慧基礎(chǔ)設(shè)施與監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華僑大學(xué))，福建 廈門(mén) 361021；4.西安交通大學(xué) 電子與信息學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)后，大型復(fù)雜鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在超高層建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益廣泛。由于施工質(zhì)量控制不到位及核心混凝土收縮的影響，鋼管混凝土構(gòu)件內(nèi)部可能出現(xiàn)缺陷并影響鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能，因而引起了廣泛重視。許斌等[1-9]在基于應(yīng)力波的無(wú)損檢測(cè)方面有一定的成果，已提出通過(guò)嵌入鋼管混凝土構(gòu)件內(nèi)部或粘貼其表面的壓電陶瓷傳感器測(cè)量沿鋼管混凝土橫截面?zhèn)鞑サ捏w波或沿表面?zhèn)鞑サ谋砻娌▉?lái)檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部缺陷的方法，通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究驗(yàn)證了方法的可行性，并探究了其機(jī)理。Luo等[10]通過(guò)比較健康鋼管混凝土試件和存在界面剝離缺陷的鋼管混凝土試件中應(yīng)力波傳播時(shí)間的不同判斷出構(gòu)件中存在的界面剝離缺陷。Gao等[11]使用一種可嵌入的管狀智能骨料對(duì)二維混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以解決基于傳統(tǒng)智能骨料產(chǎn)生的應(yīng)力波受壓電陶瓷片幾何形狀影響的問(wèn)題。Yan等[12]以外貼壓電陶瓷片和嵌入式智能骨料為換能器對(duì)鋼管混凝土梁的界面剝離和粘結(jié)滑移進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，信號(hào)幅值隨著界面剝離程度的增大而減小。目前相關(guān)的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)研究中，在布置壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)器和傳感器時(shí)，考慮事先設(shè)定的界面剝離或核心混凝土缺陷的位置再正對(duì)缺陷布置壓電陶瓷片。而實(shí)際工程中鋼管混凝土構(gòu)件內(nèi)部缺陷的位置未知，需要對(duì)不同驅(qū)動(dòng)與傳感路徑上的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)。為此，必須研究鋼管混凝土內(nèi)部的界面剝離和核心混凝土缺陷對(duì)不同測(cè)試路徑上應(yīng)力波傳播的影響。

本文以健康、含界面剝離缺陷、核心混凝土缺陷的矩形鋼管混凝土構(gòu)件橫截面為對(duì)象，在試件外表面粘貼壓電陶瓷片作為驅(qū)動(dòng)器和傳感器，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了界面剝離和核心混凝土缺陷對(duì)不同測(cè)試路徑上應(yīng)力測(cè)量信號(hào)的影響，驗(yàn)證了通過(guò)表面粘貼壓電陶瓷片檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部界面剝離和核心混凝土缺陷的可行性。

1 試驗(yàn)研究

1.1 鋼管混凝土平面試件的設(shè)計(jì)和制作

在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和制作平面尺寸為410 mm×410 mm、厚10 mm的健康、存在核心混凝土缺陷和界面剝離缺陷的鋼管混凝土平面試件。鋼材為Q235鋼，核心混凝土采用C30商品混凝土。核心混凝土缺陷在試件正中心位置，平面尺寸為100 mm×100 mm，界面剝離缺陷尺寸為100 mm×2 mm，位于鋼管壁正中間位置,如圖1所示。

圖1 鋼管混凝土試件及壓電陶瓷片布置圖

在各個(gè)試件相對(duì)兩側(cè)鋼管表面粘貼壓縮型壓電陶瓷片，分別作為驅(qū)動(dòng)器Pi和傳感器Si(其中，i=1～11)，其在鋼管外壁的布置方式如圖1(b)所示。所用壓電陶瓷片的平面尺寸為15 mm×10 mm，厚為0.3 mm。每側(cè)鋼管外壁分別布置11個(gè)壓電陶瓷片。

1.2 測(cè)試裝置和步驟

試驗(yàn)中使用任意函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生高頻電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)試件一側(cè)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生應(yīng)力波并沿試件橫截面?zhèn)鞑?，試件?duì)側(cè)壓電陶瓷傳感器受應(yīng)力波激勵(lì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。本試驗(yàn)中采用“一發(fā)一收”的形式，即Pi-Si(i=1-11)。使用高頻數(shù)據(jù)采集儀采集壓電陶瓷傳感器輸出電壓信號(hào)，并儲(chǔ)存于電腦。試件與測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

圖2 檢測(cè)裝置

試驗(yàn)中使用正弦脈沖激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)頻率為20 kHz，電壓幅值為10 V，信號(hào)時(shí)程圖如圖3所示。

圖3 正弦脈沖信號(hào)時(shí)程圖

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為研究核心混凝土缺陷及界面剝離缺陷對(duì)不同測(cè)試路徑上壓電陶瓷傳感器測(cè)量信號(hào)的影響，將健康試件、存在核心混凝土缺陷和界面剝離缺陷的試件中不同測(cè)試路徑上的壓電陶瓷傳感器時(shí)域信號(hào)曲線分別進(jìn)行比較。

1.3.1 健康試件不同測(cè)試路徑信號(hào)分析

本文傳感器和驅(qū)動(dòng)器的布置以P6-S6測(cè)試路徑為對(duì)稱軸中心對(duì)稱，理論上，在相同驅(qū)動(dòng)信號(hào)下，處于對(duì)稱位置上的傳感器的測(cè)試結(jié)果相同。為驗(yàn)證此規(guī)律，對(duì)健康試件上壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器施加正弦脈沖激勵(lì)信號(hào)，采集對(duì)側(cè)鋼管外壁相同位置的壓電陶瓷傳感器響應(yīng)，并對(duì)健康試件上處于對(duì)稱位置測(cè)試路徑上傳感器的時(shí)域信號(hào)曲線圖進(jìn)行比較。

圖4為健康試件P1-S1和P11-S11路徑信號(hào)時(shí)程圖的比較。圖5為健康試件P2-S2和P10-S10路徑信號(hào)時(shí)程圖的比較。由圖4、5可知，處于對(duì)稱位置的測(cè)試路徑上，傳感器的測(cè)試結(jié)果接近?；谝陨蠈?duì)稱性驗(yàn)證結(jié)果，為表述簡(jiǎn)潔，本文僅取P1-S1、P2-S2、P3-S3、P4-S4、P5-S5、P6-S6這6個(gè)測(cè)試路徑上傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)于后述帶核心混凝土缺陷和界面剝離缺陷的試件，以上測(cè)試結(jié)果的對(duì)稱依然存在，在此不再贅述。

圖4 健康試件P1-S1和P11-S11路徑信號(hào)時(shí)程圖

圖5 健康試件P2-S2和P10-S10路徑信號(hào)時(shí)程圖

圖6為對(duì)健康試件上壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器施加正弦脈沖激勵(lì)信號(hào)時(shí)，采集得到的對(duì)側(cè)鋼管外壁不同測(cè)試路徑上壓電陶瓷傳感器響應(yīng)測(cè)試結(jié)果的比較。由圖可看出，不同測(cè)試路徑上，壓電陶瓷傳感器的響應(yīng)幅值不同。與其他幾個(gè)測(cè)試路徑上的測(cè)量相比，最靠近試件邊緣的P1-S1測(cè)試路徑上傳感器響應(yīng)首波幅值結(jié)果最大。隨著測(cè)試路徑越靠近試件中心對(duì)稱軸位置，對(duì)應(yīng)測(cè)試信號(hào)幅值逐漸減小。這與不同測(cè)試路徑上應(yīng)力波傳播過(guò)程中能量耗散有關(guān)，測(cè)試路徑靠近試件中心，傳播過(guò)程中應(yīng)力波在核心混凝土中的能量耗散增大，壓電陶瓷傳感器響應(yīng)降低。但比較P4-S4、P5-S5、P6-S6測(cè)試路徑上的結(jié)果可看出，這3個(gè)傳播路徑上測(cè)試結(jié)果的幅值差異較小。這是因?yàn)檫@3個(gè)測(cè)試路徑離試件邊緣較遠(yuǎn)，而靠近試件中心位置，傳播路徑上應(yīng)力波能量在混凝土內(nèi)的耗散較接近。

圖6 正弦脈沖激勵(lì)下健康試件不同測(cè)試路徑時(shí)程圖

1.3.2 核心混凝土缺陷對(duì)不同測(cè)試路徑信號(hào)的影響

在正弦脈沖激勵(lì)下,對(duì)帶核心混凝土空洞缺陷的試件不同測(cè)試路徑上傳感器測(cè)試信號(hào)時(shí)程進(jìn)行比較分析。圖7為正弦脈沖激勵(lì)下空洞缺陷試件不同測(cè)試路徑時(shí)程圖。

圖7 正弦脈沖激勵(lì)下空洞缺陷試件不同測(cè)試路徑時(shí)程圖

由圖7可看出，從P1-S1到P6-S6這6個(gè)測(cè)試路徑上測(cè)試結(jié)果的幅值逐步降低，并且從左至右各路徑上信號(hào)到達(dá)時(shí)間及信號(hào)峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間均發(fā)生偏移。測(cè)試信號(hào)時(shí)程的變化反映了核心混凝土空洞缺陷對(duì)應(yīng)力波傳播路徑以及衰減的影響。P1-S1和P2-S2測(cè)試路徑上測(cè)量結(jié)果及幅值大小規(guī)律和健康試件基本一致，P1-S1測(cè)試路徑上的信號(hào)幅值最大，P2-S2路徑上測(cè)試信號(hào)略小。P3-S3測(cè)試路徑逐步靠近核心混凝土空洞缺陷位置，受到核心混凝土缺陷影響變大，幅值降低，且信號(hào)到達(dá)傳感器時(shí)間及峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間推遲，表明應(yīng)力波傳播途徑的變化。P4-S4測(cè)試途徑距離缺陷更接近，幅值進(jìn)一步降低，信號(hào)峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步推遲。P5-S5測(cè)試路徑正對(duì)核心混凝土缺陷邊緣，應(yīng)力波傳播受核心混凝土缺陷影響明顯，首波到達(dá)時(shí)間比其他位置晚，峰值點(diǎn)整體向右發(fā)生偏移，同時(shí)信號(hào)幅值進(jìn)一步降低。在P6-S6測(cè)試路徑正對(duì)缺陷正中心位置，應(yīng)力波傳播的途徑比P5-S5測(cè)試路徑長(zhǎng)，能量耗散明顯，幅值低，同時(shí)峰值到達(dá)時(shí)間最晚。

綜上所述，核心混凝土缺陷對(duì)一定范圍內(nèi)不同測(cè)試路徑上測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生明顯影響，通過(guò)外貼壓電陶瓷片的響應(yīng)測(cè)量可檢測(cè)矩形鋼管混凝土構(gòu)件內(nèi)部的核心混凝土空洞缺陷。

1.3.3 界面剝離缺陷對(duì)不同測(cè)試路徑信號(hào)的影響

在正弦脈沖激勵(lì)下,對(duì)帶界面剝離缺陷的矩形鋼管混凝土截面試件不同測(cè)試路徑上傳感器測(cè)試信號(hào)時(shí)程進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 正弦脈沖激勵(lì)下剝離缺陷試件不同測(cè)試路徑時(shí)程圖

由圖8可看出，與圖6所示健康試件結(jié)果及圖7所示存在核心混凝土缺陷試件結(jié)果類似，測(cè)試路徑P1-S1和P2-S2上信號(hào)時(shí)域曲線峰值均較其他靠近界面剝離缺陷的路徑上的測(cè)試信號(hào)幅值大。P3-S3測(cè)試路徑中心點(diǎn)離界面剝離中心點(diǎn)位置105 mm，受界面剝離缺陷影響，信號(hào)峰值與健康狀況試件對(duì)應(yīng)結(jié)果相比進(jìn)一步降低。P4-S4測(cè)試路徑離界面剝離中心點(diǎn)位置70 mm，應(yīng)力波傳播受界面剝離缺陷影響進(jìn)一步增大，曲線峰值降幅更明顯，同時(shí)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間向右進(jìn)一步偏移。P5-S5測(cè)試路徑中心點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)剝離缺陷邊緣，應(yīng)力波傳播直接受界面剝離缺陷影響，能量耗散，曲線幅值大幅降低，同時(shí)信號(hào)峰值點(diǎn)發(fā)生較大偏移。P6-S6測(cè)試路徑中心位置與剝離缺陷正中心位置一致，應(yīng)力波傳播路徑增大，能量耗散最大，測(cè)試信號(hào)曲線幅值相比其他位置最低，首波峰值到達(dá)時(shí)間也最晚。因此，與核心混凝土空洞缺陷試件的結(jié)果類似，界面剝離缺陷對(duì)一定范圍內(nèi)的不同測(cè)試路徑上的測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生明顯影響。通過(guò)外貼壓電陶瓷片的響應(yīng)測(cè)量可對(duì)矩形鋼管混凝土構(gòu)件界面剝離缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

2 數(shù)值模擬研究

為進(jìn)一步研究缺陷對(duì)外貼壓電陶瓷片測(cè)量信號(hào)的影響，開(kāi)展了外貼壓電陶瓷片的矩形鋼管混凝土截面試件壓電傳感器響應(yīng)分析。

2.1 模型建立

使用COMSOL有限元軟件建立了鋼管混凝土截面試件與壓電陶瓷傳感器與驅(qū)動(dòng)器耦合模型的有限元數(shù)值模型。鋼管和混凝土為線彈性均勻介質(zhì)，其材料參數(shù)及壓電陶瓷片柔度矩陣、耦合矩陣和相對(duì)介電常數(shù)矩陣的設(shè)置參考文獻(xiàn)[13]。

2.2 物理場(chǎng)和邊界條件設(shè)定

本耦合模型需要考慮壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)，以及鋼管混凝土與壓電陶瓷材料間的機(jī)電耦合效應(yīng)，所以本分析為固體力學(xué)和電學(xué)物理場(chǎng)的機(jī)電耦合分析。在固體力學(xué)場(chǎng)中，鋼管壁四周的物理邊界條件設(shè)置為自由，壓電陶瓷片和混凝土兩者與鋼管壁的接觸點(diǎn)設(shè)置為耦合節(jié)點(diǎn)變形協(xié)調(diào)。在電學(xué)物理場(chǎng)中，所有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和傳感器與鋼管壁連接的一面設(shè)置接地，驅(qū)動(dòng)器的另一面用于施加激勵(lì)信號(hào)，而傳感器的另一面用于接收終端電壓。

2.3 單元格劃分和時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)定

利用壓電陶瓷波動(dòng)法檢測(cè)鋼管混凝土構(gòu)件中微小缺陷一般需要使用頻率較高的激勵(lì)信號(hào)，對(duì)應(yīng)應(yīng)力波波長(zhǎng)較小，要求模型中單元網(wǎng)格尺寸較小，通過(guò)精細(xì)的網(wǎng)格劃分保證應(yīng)力波模擬精度。本文整體使用三角形網(wǎng)格單元，在壓電陶瓷片位置將網(wǎng)格尺寸進(jìn)一步細(xì)化[13-15]，模型的有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖9所示。

圖9 3種數(shù)值模型網(wǎng)格劃分示意圖

模擬應(yīng)力波的傳播過(guò)程是一個(gè)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算過(guò)程，步長(zhǎng)的取值必須滿足一定要求，相關(guān)設(shè)定參考文獻(xiàn)[16]。

2.4 數(shù)值模擬時(shí)域結(jié)果比較分析

在激勵(lì)信號(hào)下，分別對(duì)健康狀況、存在核心混凝土缺陷和存在界面剝離缺陷的數(shù)值模型不同測(cè)試路徑上傳感器時(shí)域信號(hào)進(jìn)行比較分析。

2.4.1 健康數(shù)值模型不同測(cè)試路徑上測(cè)試信號(hào)

首先檢驗(yàn)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)稱性,分別對(duì)健康試件處于對(duì)稱測(cè)試路徑上的兩對(duì)壓電陶瓷傳感器的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。圖10為健康模型P1-S1和P11-S11檢測(cè)路徑上兩個(gè)傳感器信號(hào)時(shí)程的比較。圖11為健康模型P2-S2和P10-S10檢測(cè)路徑上兩個(gè)傳感器信號(hào)時(shí)程的比較。由圖10、11可看出，數(shù)值模擬結(jié)果中處于對(duì)稱位置的測(cè)試路徑上傳感器的測(cè)量信號(hào)吻合很好，表明計(jì)算結(jié)果的合理性?？紤]試件為中心對(duì)稱，分析中均取P1-S1到P6-S6這6個(gè)測(cè)試路徑上的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)于具有核心混凝土空洞缺陷和界面剝離缺陷的模型，計(jì)算結(jié)果的對(duì)稱性依然滿足，在此不再贅述。

圖10 健康模型P1-S1和P11-S11檢測(cè)位置時(shí)程圖

圖11 健康模型P2-S2和P10-S10檢測(cè)位置時(shí)程圖

圖12為健康數(shù)值模型在正弦脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)下不同測(cè)試路徑壓電陶瓷傳感器響應(yīng)信號(hào)時(shí)程的比較。由圖可看出，P1-S1測(cè)試路徑上傳感器信號(hào)幅值最高，隨著測(cè)試路徑向試件中心靠近，傳感器響應(yīng)信號(hào)幅值逐步降低，而且響應(yīng)峰值有一定程度的偏移。這與應(yīng)力波傳播路徑及耗散有關(guān)。對(duì)于P3-S3測(cè)試路徑到P6-S6測(cè)試路徑的結(jié)果，由于測(cè)試路徑位置逐步遠(yuǎn)離鋼管壁，應(yīng)力波在核心混凝土中的能量損耗也相對(duì)較大，首波信號(hào)幅值相比P1-S1與P2-S2測(cè)試路徑上的響應(yīng)降低。數(shù)值模擬結(jié)果體現(xiàn)的規(guī)律和試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖12 正弦脈沖激勵(lì)下健康模型不同檢測(cè)路徑時(shí)程圖

2.4.2 核心混凝土缺陷對(duì)不同測(cè)試路徑信號(hào)的影響

對(duì)帶核心混凝土空洞缺陷試件的有限元模型開(kāi)展機(jī)電耦合數(shù)值模擬，在正弦脈沖激勵(lì)下，對(duì)不同測(cè)試路徑上傳感器信號(hào)時(shí)程進(jìn)行比較分析。圖13為6個(gè)不同測(cè)試路徑上壓電陶瓷傳感器響應(yīng)時(shí)程比較。

圖13 正弦脈沖激勵(lì)下空洞缺陷模型不同測(cè)試路徑時(shí)程圖

由圖13可看出，測(cè)試路徑P1-S1上傳感器響應(yīng)首波信號(hào)幅值最大，與健康狀態(tài)數(shù)值模型結(jié)果一致。P2-S2測(cè)試路徑上信號(hào)幅值同樣降低，同時(shí)峰值有一定程度的偏移，這是由于應(yīng)力波傳播路徑變化及應(yīng)力波在核心混凝土上的耗散存在差異。而P3-S3和P4-S4傳播路徑上距離核心混凝土缺陷較近，受缺陷的影響增大，首波到達(dá)時(shí)間較晚，能量損耗也相對(duì)較大，相比P1-S1和P2-S2傳播路徑，其首波信號(hào)幅值降低。P5-S5和P6-S6傳播路徑靠近和正對(duì)缺陷位置，信號(hào)幅值大幅降低，峰值時(shí)間進(jìn)一步推遲。以上數(shù)值模擬結(jié)果體現(xiàn)的規(guī)律與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。

2.4.3 界面剝離缺陷對(duì)不同測(cè)試路徑信號(hào)的影響

對(duì)帶界面剝離缺陷的矩形鋼管混凝土截面試件，在正弦脈沖激勵(lì)下，對(duì)不同測(cè)試路徑上傳感器測(cè)試信號(hào)時(shí)程進(jìn)行機(jī)電耦合模擬，圖14為帶界面剝離缺陷鋼管混凝土模型不同測(cè)試路徑上壓電陶瓷傳感器響應(yīng)時(shí)程比較。由圖可看出，P1-S1和P2-S2測(cè)試路徑上首波信號(hào)幅值與前兩個(gè)模型接近。P3-S3測(cè)試路徑上傳感器響應(yīng)受截面剝離缺陷一定影響，和健康模型時(shí)域曲線相近。而P4-S4測(cè)試路徑距離鋼管壁較遠(yuǎn),又距離缺陷較近，應(yīng)力波的傳播受到缺陷影響較大，信號(hào)幅值降低。而P5-S5和P6-S6測(cè)試路徑上應(yīng)力波耗散明顯，信號(hào)幅值降低，峰值點(diǎn)也發(fā)生向右偏移。計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出和試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果類似的規(guī)律。

圖14 正弦脈沖激勵(lì)下剝離缺陷模型不同測(cè)試路徑時(shí)程圖

3 缺陷檢測(cè)敏感范圍討論

從以上3種不同試件不同檢測(cè)路徑上傳感器的響應(yīng)結(jié)果可看出，對(duì)于健康試件，不同位置的測(cè)試路徑上傳感器響應(yīng)幅值有一定差異。而對(duì)于帶缺陷構(gòu)件，不同位置測(cè)試路徑上傳感器響應(yīng)幅值和峰值響應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律與缺陷位置有關(guān)。確定缺陷對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響范圍很重要，圖15、16為3種試件P1-S1到P6-S6共6個(gè)測(cè)試路徑上試驗(yàn)和數(shù)值模擬測(cè)量信號(hào)峰值的比較圖。由圖15、16可看出，在P1-S1和P2-S2傳遞路徑上3種不同試件上壓電陶瓷傳感器的峰值十分相近的，說(shuō)明在這兩個(gè)測(cè)試途徑上傳感器響應(yīng)峰值幾乎未受到缺陷的影響。P2-S2測(cè)試路徑位置距離核心混凝土空洞以及界面剝離缺陷中心位置140 mm，說(shuō)明當(dāng)采用對(duì)側(cè)測(cè)量時(shí)，測(cè)試路徑與缺陷距離大于140 mm時(shí)，缺陷對(duì)測(cè)試結(jié)果無(wú)明顯影響。對(duì)于測(cè)試位置P3-S3和P4-S4，剝離和空洞缺陷對(duì)壓電陶瓷傳感器響應(yīng)峰值都產(chǎn)生較明顯的影響，峰值發(fā)生了不同程度的降低。P3-S3測(cè)試路徑距離缺陷中心105 mm，P4-S4測(cè)試路徑距離缺陷中心70 mm，后者受影響的程度更大。P5-S5測(cè)試路徑正對(duì)缺陷邊緣，應(yīng)力波受剝離缺陷的影響比空洞缺陷大，幅值遠(yuǎn)低于健康試件和空洞試件。P6-S6測(cè)試路徑正對(duì)缺陷正中心位置，其應(yīng)力波受到缺陷影響最大，幅值最低。

圖15 不同試驗(yàn)試件不同檢測(cè)位置峰值比較圖

圖16 不同數(shù)值模型不同檢測(cè)位置峰值比較圖

綜上所述可知，當(dāng)測(cè)試路徑距離缺陷中心小于140 mm，核心混凝土與界面剝離缺陷對(duì)采用對(duì)測(cè)法測(cè)量時(shí)的壓電陶瓷傳感器的響應(yīng)產(chǎn)生影響。這個(gè)范圍可作為基于對(duì)測(cè)波動(dòng)法檢測(cè)矩形截面鋼管混凝土構(gòu)件缺陷的敏感范圍參考值。

將健康模型得到的曲線峰值點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到相應(yīng)的曲線可用于工程實(shí)際中無(wú)損檢測(cè)時(shí)可以作為相應(yīng)的參照對(duì)比，如果檢測(cè)數(shù)據(jù)存在大幅度降低和波動(dòng)，便可以初步判斷該位置的健康狀況。將不同測(cè)試路徑峰值信號(hào)曲線圖進(jìn)行擬合，得到擬合式為

y=0.002 6e0.002 3x

(1)

式中：x為壓電陶瓷片粘貼位置到試件正中心的距離；y為P1-S1到P6-S6健康模型每個(gè)測(cè)試路徑上峰值數(shù)值。

4 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究了采用對(duì)側(cè)測(cè)量方式對(duì)矩形截面鋼管混凝土試件的缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，試件內(nèi)核心混凝土空洞與界面剝離缺陷對(duì)橫截面內(nèi)應(yīng)力波傳播的影響規(guī)律。確定了采用對(duì)側(cè)測(cè)量時(shí)，外貼壓電陶瓷傳感器響應(yīng)對(duì)兩種類型缺陷的敏感范圍，為工程應(yīng)用提供幫助。在模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬種，設(shè)計(jì)了健康狀況、帶核心混凝土缺陷和界面剝離缺陷的3種試件，通過(guò)在相對(duì)的兩個(gè)鋼管外壁分別粘貼11個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和傳感器，對(duì)一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，對(duì)面對(duì)應(yīng)位置的壓電陶瓷傳感器進(jìn)行對(duì)測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了兩種缺陷對(duì)鋼管混凝土橫截面內(nèi)不同測(cè)量路徑上的壓電陶瓷傳感器響應(yīng)的影響。通過(guò)與健康試件測(cè)試結(jié)果的比較，得到不同測(cè)量路徑上傳感器響應(yīng)對(duì)缺陷的敏感范圍。基于試驗(yàn)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析，得到結(jié)論如下：

1) 對(duì)于健康狀態(tài)鋼管混凝土試件，不同測(cè)試路徑上應(yīng)力波波場(chǎng)的區(qū)別和能量耗散的不同，使得壓電陶瓷傳感器信號(hào)幅值出現(xiàn)差異。越靠近鋼管壁的測(cè)試路徑的時(shí)域響應(yīng)信號(hào)幅值越高，越接近試件中心信號(hào)幅值越小。試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果都具有較好的對(duì)應(yīng)性，結(jié)果合理。

2) 當(dāng)鋼管混凝土構(gòu)件存在缺陷時(shí)，測(cè)量結(jié)果不但與測(cè)量的位置有關(guān)，還與測(cè)量路徑和缺陷中心之間距離有關(guān)。當(dāng)測(cè)量位置距離核心混凝土缺陷中心小于140 mm或距離界面剝離缺陷中心小于105 mm時(shí)，應(yīng)力波傳遞路徑受缺陷影響發(fā)生改變，時(shí)域信號(hào)幅值隨著距離減少逐漸降低。數(shù)值模擬結(jié)果也體現(xiàn)同樣規(guī)律。

3) 采用對(duì)測(cè)方法檢測(cè)鋼管混凝土試件內(nèi)的核心混凝土和界面剝離缺陷是可行的，而且根據(jù)本文試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，將健康試件的幅值曲線進(jìn)行擬合并得到擬合公式，這為實(shí)際工程中根據(jù)對(duì)側(cè)測(cè)量檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部缺陷提供參考。