基于敲擊法的碳纖維板加固鋼梁脫粘檢測研究

吳文彬, 李 恒,2

(1. 中國地震局地震預(yù)警湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430071;2. 武漢地震工程研究院有限公司, 湖北 武漢 430071)

0 引言

眾所周知,我國為地震災(zāi)害多發(fā)的國家,地震作為一種常見的自然災(zāi)害,一旦發(fā)生會給建筑物帶來嚴(yán)重破壞,因此對未進行抗震設(shè)防或者抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不達標(biāo)的建筑進行抗震加固,可降低在強震發(fā)生時建筑物受到的影響。建筑物主要通過增加合適的構(gòu)件、強化構(gòu)件性能以及隔振減震處理等來進行抗震加固,其中強化構(gòu)件性能的方法在實際工程中應(yīng)用較為廣泛,主要分為粘貼鋼板、外粘型鋼、粘貼纖維復(fù)合材料等方法。碳纖維板作為碳纖維增強復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforcement Plastic,CFRP)的一種,相比于其他加固方法,粘貼碳纖維板方法具有施工速度快、材料成本低、方便養(yǎng)護等優(yōu)點,在結(jié)構(gòu)抗震加固中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。在梁受彎構(gòu)件的加固中,碳纖維板主要通過碳板專用AB膠與受拉翼緣連接,碳纖維板和梁被組合在一起,共同承擔(dān)荷載,極大提高了原有結(jié)構(gòu)的承載能力。在刷膠施工過程中,由于接觸面積大、施工工藝等因素導(dǎo)致涂抹不均勻、界面之間無膠層或者膠層薄弱等問題,或者結(jié)構(gòu)服役過程中受到疲勞荷載,這些都會使連接界面出現(xiàn)脫粘,從而影響碳纖維板與受拉梁翼緣的有效連接。

針對碳纖維板加固結(jié)構(gòu)后出現(xiàn)的脫粘問題,相關(guān)學(xué)者做了較為廣泛的研究。Hu等[3]通過實驗和邊界元探究了疲勞荷載下碳纖維板加固鋼梁后的脫粘發(fā)展情況;馬第江等[4]探究了膠層厚度與界面剪應(yīng)力以及界面脫粘之間的聯(lián)系;Fanning等[5]嘗試通過端部錨固的方式來解決服役過程中出現(xiàn)的碳纖維板脫粘問題;Zhang等[6]提出了一種混合式內(nèi)聚區(qū)模型,通過該模型可以根據(jù)CFRP板上的應(yīng)變分布來預(yù)測加載過程中的界面脫粘情況;Bocciarelli等[7]在研究中發(fā)現(xiàn)脫粘面積過大會導(dǎo)致試件剛度下降,從而影響碳纖維板加固效果。以上研究均表明在加固完成后以及結(jié)構(gòu)服役過程中需要進行界面粘接性檢查,判斷加固效果以及承載力是否達到預(yù)定要求。目前對于界面粘接性檢測的技術(shù)主要有:聲發(fā)射技術(shù)、超聲檢測技術(shù)、X射線分層成像技術(shù)、紅外無損檢測技術(shù)以及阻抗損傷識別技術(shù)。但上述幾種技術(shù)均存在成本高、設(shè)備體積大及檢測流程復(fù)雜等缺點,限制了其在實際工程中的應(yīng)用。

針對碳纖維板加固結(jié)構(gòu)后的界面脫粘問題,《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》[8](以下簡稱規(guī)范)中指出通過采取劃分網(wǎng)格并分區(qū)逐網(wǎng)格錘擊檢測的方法定性判別該位置處的脫粘情況。敲擊法具有使用簡單、識別率高、成本低廉等優(yōu)點,在鐵軌巡檢[9]、螺栓松動檢測[10]、風(fēng)力葉片脫層損傷檢測[11]及復(fù)合材料損傷檢測[12]中被廣泛使用。但規(guī)范中亦指出,錘擊法主要通過人耳判別,主觀性較大。為了將脫粘位置與未脫粘位置的頻率特征變化進行可視化,借助頻率損傷定位方法實現(xiàn)脫粘損傷位置的定性識別,本文采用Welch功率譜密度(Power Spectral Density,PSD)估計法對敲擊的聲音信號進行頻譜特征分析,得到脫粘位置與未脫粘位置的頻率分布,并與快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)方法得到的頻譜特征進行對比。對比結(jié)果顯示:PSD頻譜中的未脫粘位置與脫粘位置的相應(yīng)峰值對應(yīng)頻率較FFT頻譜中的差異更為明顯,相比于傳統(tǒng)的FFT脫粘損傷定位的方法[13],Welch PSD估計法能夠得到更直接、明顯的頻率變化,通過觀察PSD曲線中的頻率峰值變化,定性地驗證了敲擊法結(jié)合PSD估計方法在脫粘位置識別檢測中的有效性、便利性,另外通過提取PSD頻譜曲線中的一階振動頻率,從定量的角度揭示了脫粘位置與未脫粘位置的頻率差異;本文還討論了不同屬性錘頭對脫粘位置識別結(jié)果的影響。

1 原理介紹

1.1 敲擊法檢測力學(xué)機理

敲擊法檢測結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的基本原理如下:敲擊時待檢測結(jié)構(gòu)受到瞬間沖擊激勵,該激勵會引起結(jié)構(gòu)的振動,由于結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷前后剛度的變化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的聲音信號中含有的頻率信息也不同。結(jié)構(gòu)受激勵后的振動過程是一個衰減阻尼振動,由于聲音發(fā)生的時間較短,假設(shè)該過程為無阻尼的自由振動。因為結(jié)構(gòu)本身不是無限剛體,存在一定彈性,假設(shè)結(jié)構(gòu)中振動的抽象質(zhì)量塊m的彈性系數(shù)為k,當(dāng)該質(zhì)量塊受到?jīng)_擊激勵時,其振動頻率為:

(1)

當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時,其自身的材料性質(zhì)會發(fā)生改變,孫梁等[11]提出等效彈性系數(shù)的概念。我們將待檢測物體簡化為彈簧模型,正常區(qū)域的彈性系數(shù)為k1,當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫層等損傷時,損傷區(qū)域上方相當(dāng)于串聯(lián)一個彈簧系數(shù)為k2的彈簧,近似相當(dāng)于一個彈性質(zhì)量塊k1變?yōu)閮蓚€彈性質(zhì)量塊k1、k2串聯(lián),整體彈性系數(shù)減小,如圖1所示。推導(dǎo)的等效彈性系數(shù)為:

圖1 敲擊不同區(qū)域時的力學(xué)機理簡圖Fig.1 Schematic diagram of mechanical mechanism when striking different regions

(2)

由式(2)可知,當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生脫粘損傷時,其彈性系數(shù)k減小,導(dǎo)致脫粘后的結(jié)構(gòu)固有頻率f發(fā)生改變。

1.2 Welch功率譜密度(PSD)估計法

功率譜密度(PSD)估計法表示信號能量在頻域內(nèi)的分布,主要分為有參和無參兩大類。本文用到的Welch PSD估計法由Welch于1967年首次提出[14],該方法是在無參的功率譜密度方法基礎(chǔ)上修正的平均周期圖方法。Welch PSD估計法是一種常用的功率譜密度估計方法,它將信號分成多個部分,提取這些部分的修正周期圖,并對其進行平均。其推導(dǎo)過程如下:

(1)x(n)表示輸入信號,x(n)被分割為L段重疊部分,如式(3)所示:

xl(n)=x[n+(L-l)M],n=0,…,N-1,

l=1,…,L

(3)

式中:xl(n) 表示l階部分?jǐn)?shù)據(jù);(l-1)M表示第l階序列的開始。

(2) 對于xl(n)相應(yīng)的加窗周期圖的描述如式(4)、(5)所示:

(4)

(5)

式中:Al表示加窗后的FFT變換;φl表示得到的平均周期圖。

(3)P表示窗口w(n)中的能量,如式(6)所示:

(6)

(4) Welch PSD估計就是對這些平均周期圖取平均,如式(7)所示:

(7)

2 試驗

本試驗主要定性驗證敲擊法結(jié)合Welch PSD估計法在碳纖維板加固鋼梁界面脫粘位置識別上的可行性,通過提取一階振動頻率從定量的角度揭示脫粘位置與未脫粘位置的頻率差異,突出本文提出方法相比于傳統(tǒng)FFT損傷定位識別方法的優(yōu)越性,另外還探究了不同屬性錘頭在脫粘位置識別方面的影響。

2.1 試驗試件

本次試驗構(gòu)件為試件A和試件B,試件A為無脫粘損傷基礎(chǔ)試件;考慮到本試驗為可行性探索試驗,為得到更明顯的試驗效果,試件B為采用2 mm厚珍珠棉預(yù)設(shè)脫粘損傷對比試件,其脫粘損傷位置如圖2所示。試件制作過程按照《纖維增強復(fù)合材料加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[15]執(zhí)行。制作試件需要用到的材料參數(shù)列于表1。其具體制作過程如下:(1)鋼梁下部邊緣進行除銹處理;(2)粘接劑采用鋼結(jié)構(gòu)加固專用膠,混合比例為2∶1,并均勻攪拌;(3)碳纖維板粘接面采用酒精擦拭,將拌勻的結(jié)構(gòu)膠均勻涂抹在鋼梁翼緣上部,膠層厚度按照規(guī)范設(shè)定為3 mm,待膠層初凝后用適量重物輕壓碳纖維板,保持界面之間無縫隙?？紤]到實際工程中梁與柱的連接狀態(tài),本次試驗將試件與混凝土試塊及地面通過膠結(jié)劑進行固結(jié),近似模擬實際結(jié)構(gòu)中鋼梁的邊界受力狀態(tài)。制作完成的試件如圖3所示。

表1 試件材料參數(shù)

圖2 碳纖維板及脫粘模擬Fig.2 CFRP plates and debonding simulation

圖3 試驗試件A和BFig.3 Test specimens A and B

2.2 方案設(shè)計

本試驗主要探究了敲擊法結(jié)合Welch PSD估計法在碳纖維板加固鋼梁界面脫粘位置檢測中的有效性,以及敲擊錘頭屬性對識別效果的影響。在敲擊工具方面,考慮到錘頭材料和截面對敲擊結(jié)果的影響,我們選擇了兩把質(zhì)量均為200 g的錘子,其中錘子1錘頭截面為方形(l=20 mm),錘子2兩端錘頭均為圓形(d=20 mm),3種錘頭截面材料分別為金屬、金屬、塑料?？紤]到不同屬性錘頭對敲擊效果的影響,本次試驗設(shè)計了3種工況,具體試驗方案設(shè)計如表2所列。

表2 基于不同錘頭的試驗工況設(shè)置

2.3 數(shù)據(jù)采集

由于本試驗主要是利用敲擊后的聲音信號進行脫粘位置識別,故聲音信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示,具體如下:錘子;專業(yè)麥克風(fēng);筆記本電腦。本次試驗中的聲音信號采集系統(tǒng)是基于LabVIEW2020平臺進行開發(fā)的,開發(fā)的界面程序可以實時顯示采樣聲音信號波形及該信號的實時頻譜圖,通過觀察頻譜圖的變化情況,可以作為初步判別該位置是否發(fā)生界面脫粘的有效依據(jù)。

圖4 聲音信號采集Fig.4 Acquisition of sound signals

本次試驗聲音信號采樣率為16 kHz,根據(jù)單個信號時長及敲擊方便,敲擊頻率約為1次/s。由于試驗主要是進行界面脫粘位置判別的探索性研究,黑色方框僅為缺陷定位使用,敲擊位置為未脫粘試件A和預(yù)設(shè)脫粘試件B上P1～P3處,即白色方框中心位置(圖3)。每組工況中的單個位置敲擊10次,獲取到10條有效音頻信息,如圖5所示。具體采集方式如下:麥克風(fēng)放置于敲擊位置正前方10 cm處;每次敲擊時高度與力度均保持一致,從正上方進行敲擊;敲擊位置為圖2中白色方框中心位置。聲音信號均在相對安靜的環(huán)境下進行采集,避免環(huán)境噪聲干擾。單個聲音的時域信號如圖6所示,該聲音信號長度為0.25 s。

圖5 聲音時域信號圖Fig.5 Time domain signal diagram of sounds

圖6 單個聲音時域信號圖Fig.6 Time domain signal diagram of single sound

3 結(jié)果分析

每組試驗工況共有6組聲音信號,每組聲音信號中有效聲音樣本數(shù)為10。對每組實驗工況中的每組聲音信號采用Welch PSD估計法及FFT方法進行分析,由于低階振動頻率在結(jié)構(gòu)損傷缺陷識別過程中起主導(dǎo)作用[16],故結(jié)果分析中將截止頻率設(shè)置在2 kHz,可以得到PSD曲線圖及FFT頻譜圖(圖7～圖9),考慮到錘頭屬性及敲擊效果等因素,從工況1中的PSD曲線中提取處試件A和B上P1～P3位置處的平均一階振動頻率,匯總列于表3。對圖7～圖9以及表3進行分析可以得到如下結(jié)果:

表3 工況1中PSD估計平均一階振動頻率

圖7 工況1中試件A和B在P1～P3處聲音信號中頻率分布Fig.7 Frequency distribution of sound signals at P1—P3 of specimens A and B (Case 1)

圖8 工況2中試件A和B在P1～P3處聲音信號中頻率分布Fig.8 Frequency distribution of sound signals at P1—P3 of specimens A and B (Case 2)

(1) 圖7(a)～圖9(a)中的2個PSD曲線的峰值分布范圍差別明顯,未脫粘位置(紅線)與脫粘位置(藍線)的峰值分布有明顯差別,脫粘位置低階頻率較小且大多位于500 Hz以下,未脫粘位置低階頻率較大且大多位于500～1 500 Hz之間。分析其原因如下:由于脫粘后彈性系數(shù)k減小,造成對應(yīng)的固有頻率f減小,從而脫粘位置處的PSD曲線峰值處頻率向0偏移。與圖7(a)～圖9(a)形成對比的是圖7(b)～圖9(b)中的基于FFT的頻譜分析結(jié)果2個頻譜曲線峰值分布差異不明顯,未脫粘位置與脫粘位置的峰值分布雜亂且存在重疊部分,故本次試驗數(shù)據(jù)分析未提取其一階振動頻率進行分析。從兩種方法的原理上分析:Welch PSD估計法主要是將FFT中的幅值進行多次變換來放大未脫粘位置與脫粘位置處的峰值對應(yīng)的頻率差異,從而在相同刻度下可以輕易觀察到兩者的頻率分布差異。

(2) 從表3可知試件A未脫粘位置處P1、P2、P3的一階振動頻率分別為469 Hz、807 Hz、360 Hz,試件B脫粘位置處一階振動頻率在100 Hz以下,分別為88 Hz、84 Hz、72 Hz。分析可知:對于不同試件的同一位置P處,脫粘試件B上該位置的平均一階振動頻率較未脫粘試件A上該位置的平均一階振動頻率明顯減小,這是因為脫粘后彈性系數(shù)k減小,造成對應(yīng)的固有頻率f減小。敲擊位置(圖3白色方框中心)處一階振動頻率受該位置脫粘損傷狀態(tài)、位于加固鋼梁翼緣表面位置、梁端固定方式等多重因素影響,其平均一階振動頻率與脫粘面積大小不存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。

(3) 從圖7(a)～圖9(a)可知,工況1和2中均在脫粘位置P3處PSD曲線中出現(xiàn)了高階頻率,這是由于隨著脫粘面積增大,脫粘碳板的四周邊界約束較小,在相同錘擊激勵下,激發(fā)出了局部脫粘碳纖維板的高階振動模態(tài);工況3中由于錘頭材料的影響,未能有效激發(fā)出脫粘位置處的真實振動模態(tài),導(dǎo)致P3曲線B頻率特征不明顯。

(4) 從3組工況試驗結(jié)果分析來看:金屬錘頭能夠激發(fā)出局部結(jié)構(gòu)的真實振動頻率,通過PSD曲線較容易判別出脫粘位置,且脫粘位置與未脫粘位置處低階振動頻率差異明顯;由于錘頭材料問題,塑料錘頭未能有效地激發(fā)出脫粘位置處的真實振動頻率,判別脫粘位置存在困難;從截面形狀來看,方形截面與圓形截面試驗效果差別不大,均能判別出脫粘位置。

4 結(jié)論

本文將敲擊法結(jié)合Welch PSD估計法用于碳纖維板加固鋼梁結(jié)構(gòu)的脫粘檢測,并設(shè)置FFT方法的對照組。對試驗結(jié)果進行總結(jié),得到了如下結(jié)論:

(1) 基于Welch PSD估計的方法可以將脫粘位置與未脫粘位置的頻率差異進行可視化,和FFT的頻譜分析結(jié)果相比,PSD曲線的峰值對應(yīng)頻率差異更明顯,這種頻率變化與結(jié)構(gòu)損傷前后局部剛度減小相對應(yīng)。另外通過從PSD曲線中分別提取其一階振動頻率,從定量的角度揭示了脫粘位置與未脫粘位置的頻率差異。由頻率峰值對應(yīng)頻率變化實現(xiàn)脫粘位置的有效定位,驗證了敲擊法結(jié)合Welch PSD估計法在碳纖維板加固鋼梁結(jié)構(gòu)脫粘位置識別的有效性。

(2) 本文還探究了敲擊工具的截面屬性對敲擊檢測結(jié)果的外在影響,認(rèn)為金屬截面的敲擊工具在碳纖維板加固鋼梁脫粘檢測中效果更好。在實際工程進行敲擊檢測時應(yīng)優(yōu)先采用金屬錘頭。這一檢測結(jié)果可為實際工程應(yīng)用提供有效參考。

本文主要進行敲擊法結(jié)合PSD估計法在脫粘位置定位判別上的探索性嘗試,為取得更明顯的試驗效果,將脫粘厚度設(shè)置為2 mm,在驗證該方法具有可行性以后,后期會采用更接近實際工程需求的脫粘厚度來進行試驗探究。另外,在未來的深入研究中會嘗試在每個位置進行敲擊試驗,并考慮環(huán)境噪聲對試驗結(jié)果的影響及在聲音信號預(yù)處理中進行降噪處理。