基于行車噪聲的伸縮縫損傷識(shí)別縮比試驗(yàn)

孟利波，劉懷林，馬東鵬，朱少民，席尚賓，劉逸平

（1、國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心 重慶 400060；2、浙江清華柔性電子技術(shù)研究院 浙江嘉興 314004；3、上海交通大學(xué) 上海 200240；4、華南理工大學(xué) 廣州 510641）

1 研究背景

橋梁伸縮縫是為適應(yīng)橋梁變形，在梁端之間、梁端與橋臺(tái)之間設(shè)置的能自由變形的裝置。由于重型車輛的長期動(dòng)荷載作用，以及橋臺(tái)沉陷、安裝誤差、砂石雜物聚集等多種復(fù)雜因素的影響，伸縮縫成為公路橋梁結(jié)構(gòu)中最薄弱的部位［1-2］。近年來伸縮縫的病害普遍，一些典型的伸縮縫損傷實(shí)例［3-4］如圖1所示。以金麗溫高速公路為例，自其通車起的8年時(shí)間內(nèi)，共有24條伸縮縫發(fā)生了型鋼斷裂等不同類型的病害，嚴(yán)重影響了橋梁的健康服役［5］。近年來由于伸縮縫病害導(dǎo)致的事故也時(shí)有發(fā)生。2020 年11 月11 日，在廣澳高速廣州往珠海方向，一輛白色小貨車碰撞路面橋梁伸縮縫后失控，造成嚴(yán)重的交通事故［6］。因此，對(duì)伸縮縫病害進(jìn)行排查，防止伸縮縫內(nèi)部損傷進(jìn)一步發(fā)展極其重要。然而，國內(nèi)外橋梁伸縮縫的損傷監(jiān)測仍主要通過定期人工排查的方法來開展，費(fèi)時(shí)費(fèi)力同時(shí)影響通行。其他監(jiān)測手段（如安裝位移傳感器）雖然可以方便地獲取與橋梁伸縮縫服役狀況相關(guān)的數(shù)據(jù)，但工程上這些采集到的數(shù)據(jù)不能直接反映模數(shù)式伸縮縫的損傷情況，同時(shí)諸如撓度、應(yīng)變等物理量受溫度影響較大，往往需要進(jìn)行被測量與溫度的相關(guān)性校正［7-9］。因此，這類模數(shù)式伸縮縫損傷探測技術(shù)與工程監(jiān)測需求仍存在巨大差距。綜上，發(fā)展針對(duì)橋梁伸縮縫健康監(jiān)測的新方法，對(duì)保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的意義。

圖1 伸縮縫損傷實(shí)例Fig.1 Example of Expansion Joint Damage

聲波分析是結(jié)構(gòu)損傷檢測的重要方法，其原理是利用聲波在有損和無損的材料中傳播規(guī)律的差異來判定結(jié)構(gòu)物內(nèi)部是否有損傷。其中，聲波CT 通過人工激勵(lì)發(fā)射超聲信號(hào)，在結(jié)構(gòu)物的另一側(cè)接收信號(hào)并根據(jù)聲速構(gòu)造體圖像，但是該技術(shù)難以滿足高探測精度和長探測距離的要求［10］。克服該缺點(diǎn)的方法是使用超磁致伸縮材料作為發(fā)射源，然而該材料價(jià)格極其昂貴，完全不能滿足工程上的大規(guī)模使用。實(shí)際上，由于接縫處的不平整，車輛行駛過模數(shù)式伸縮縫時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度的“跳車”現(xiàn)象，“跳車”荷載產(chǎn)生的聲波本身就是一種良好的激勵(lì)。充分利用“跳車”聲波來獲取有效信息是橋梁相關(guān)科學(xué)研究和工程應(yīng)用的發(fā)展趨勢。ALGOHI 等人［11］在路段兩端的伸縮縫處各放置一個(gè)麥克風(fēng)和采集裝置以記錄車輛通過伸縮縫時(shí)的“跳車”聲波信號(hào)，通過數(shù)據(jù)處理獲取特征峰點(diǎn)來計(jì)算車輛通過該路段的車速。目前已有學(xué)者指出，通過聲波分析，“跳車”聲波信號(hào)可以反映出伸縮縫的健康狀態(tài)［12-13］。NISHIKAWA 等人［12］在汽車上加裝聲波采集設(shè)備，記錄該車通過伸縮縫時(shí)的聲波信號(hào)，發(fā)現(xiàn)通過有損的伸縮縫時(shí)聲波在200～500 Hz 或500～800 Hz有特征頻帶。該方法說明了利用“跳車”的聲波分析在模數(shù)式伸縮縫損傷探測中有可行性，但該研究中在檢測時(shí)需要該車行駛過所有伸縮縫，同時(shí)未證明該方法對(duì)其他車型的適用性，因此具有較大的局限性。GUERREIRO 等人［13］通過對(duì)“跳車”聲波信號(hào)的傅里葉變換，得到了以金屬混響為特征的伸縮縫螺栓松動(dòng)損傷形式的識(shí)別方法，提出了應(yīng)用程序原型。該研究是對(duì)基于聲波分析的橋梁伸縮縫健康監(jiān)測技術(shù)的初步探索，但由于所研究的數(shù)據(jù)樣本量少、損傷形式單一，更為深入的研究仍亟待展開。

由于實(shí)際公路橋梁通行過程中會(huì)有較大的環(huán)境噪聲，對(duì)于研究損傷導(dǎo)致的伸縮縫“跳車”噪聲特征影響會(huì)帶來一定的干擾。因此，為排除環(huán)境噪聲的干擾，推動(dòng)基于行車噪聲的伸縮縫健康監(jiān)測，需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中開展伸縮縫“跳車”噪聲的研究?？s比試驗(yàn)是研究車輛裝備等噪聲問題的重要手段。顧華鋒等人［14］研制了模擬重型汽車真實(shí)制動(dòng)工況的縮比試驗(yàn)裝置，獲取了重型汽車的制動(dòng)噪聲特征。李愛紅等人［15］基于縮比實(shí)驗(yàn)臺(tái)架研究了車輛底盤蠕動(dòng)噪聲產(chǎn)生和傳遞過程。此外，縮比試驗(yàn)還被用于飛行器設(shè)計(jì)的噪聲研究中［16-17］。上述研究表明，采用縮比試驗(yàn)的方法研究不同健康狀態(tài)的伸縮縫“跳車”噪聲特征是可行的。

本研究通過縮比試驗(yàn)?zāi)M車輛行駛過無損和以路面破損導(dǎo)致伸縮縫鋼筋外露為損傷特征的GQF-C型伸縮縫路面產(chǎn)生的噪聲，并對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)、頻域分析，提取相應(yīng)的特征指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)伸縮縫的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。本研究將為基于行車噪聲的伸縮縫損傷識(shí)別工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2 伸縮縫損傷識(shí)別縮比試驗(yàn)

本研究采用的縮比比例為1∶4，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2 所示。其中縮比路段共3 段，包含縮比小車加速段、健康伸縮縫段和損傷伸縮縫段，采用C40 混凝土鋪設(shè)，尺寸如圖2所示。縮比伸縮縫參考GQF-C 型伸縮縫的尺寸，材質(zhì)為鋼，在加工精度條件下對(duì)部分幾何尺寸進(jìn)行近似，尺寸同樣如圖2 所示?？s比小車的占地面積為0.7 m×1.3 m，選取車體本身與配重共120 kg、150 kg 和180 kg 三種車重工況，車胎為充氣橡膠胎。研究時(shí)在伸縮縫附近安裝聲音采集卡，記錄縮比小車通過伸縮縫時(shí)產(chǎn)生的噪聲。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物如圖3所示。

圖2 縮比伸縮縫裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Expansion Joint Device with Reduced Scale （mm）

圖3 縮比伸縮縫裝置實(shí)物圖Fig.3 Image of Expansion Joint Device with Reduced Scale

如圖3 所示，損傷伸縮縫通過在澆筑縮比路面時(shí)人工制造伸縮縫處混凝土流失和鋼筋裸露來實(shí)現(xiàn)，從而模擬公路橋梁伸縮縫的常見損傷。試驗(yàn)時(shí)，縮比小車勻速通過健康和損傷的伸縮縫，速度為1 m/s，每種車重工況分別重復(fù)試驗(yàn)50次。

3 噪聲信號(hào)的處理與分析

采用聲音采集卡分別收集不同配重小車（120 kg、150 kg、180 kg）經(jīng)過健康和損傷伸縮縫的噪聲信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)、頻域分析，提取相應(yīng)的特征指標(biāo)，進(jìn)而根據(jù)指標(biāo)的變化情況對(duì)伸縮縫的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。截取3 種配重下健康和損傷伸縮縫的噪聲信號(hào)，如圖4所示。

圖4 不同配重小車通過伸縮縫的噪聲信號(hào)Fig.4 Noise Signals Generated by Cars with Different Counterweights Passing through Expansion Joints

從圖4可以看出，由于小車與伸縮縫之間的沖擊，相較于平坦路面小車在通過伸縮縫時(shí)噪聲會(huì)明顯增大。當(dāng)伸縮縫處于健康狀態(tài)時(shí)，小車通過時(shí)聲波的峰值處于較低水平；當(dāng)伸縮縫出現(xiàn)損傷后，小車通過時(shí)聲波的峰值會(huì)明顯增大，會(huì)出現(xiàn)明顯的沖擊噪聲。因此，小車通過伸縮縫時(shí)聲波的峰值可以作為評(píng)估伸縮縫健康狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

對(duì)圖4 中的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖5所示。無損伸縮縫噪聲信號(hào)的頻率成分主要集中在0～1 600 Hz，各頻率成分的能量較低；損傷伸縮縫信號(hào)的頻率成分主要集中在0～2 000 Hz，且各頻率成分的能量明顯增大。因此，可以通過分析伸縮縫噪聲信號(hào)在0～2 000 Hz 頻率范圍內(nèi)的能量大小對(duì)伸縮縫的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

圖5 不同配重小車通過伸縮縫的噪聲頻譜Fig.5 Noise Spectrum of Cars with Different Counterweights Passing through Expansion Joints

為了對(duì)伸縮縫狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，采用有效值和峭度兩個(gè)無量綱指標(biāo)對(duì)健康和損傷伸縮縫信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。有效值表示信號(hào)的二階矩，反應(yīng)了信號(hào)幅值大小和沖擊的密集程度，指標(biāo)如果異常變大，則表明伸縮縫出現(xiàn)了損傷；峭度是信號(hào)的四階矩，該指標(biāo)對(duì)沖擊比較敏感，反映了信號(hào)波形的尖峭程度，正態(tài)分布信號(hào)的峭度值為3。兩個(gè)指標(biāo)的計(jì)算過程如式⑴和式⑵所示。

式中：RMS、KU 分別表示有效值和峭度；X表示信號(hào)；N為信號(hào)長度；xn為信號(hào)X中的元素；μ、σ分別為信號(hào)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

每種負(fù)載情況下隨機(jī)抽取20 組正常和異常伸縮縫信號(hào)，計(jì)算信號(hào)的有效值和峭度指標(biāo)，對(duì)所有樣本的指標(biāo)進(jìn)行箱型圖分析，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯煌渲厍闆r下，損傷伸縮縫信號(hào)的有效值和峭度指標(biāo)均大于健康伸縮縫，表明伸縮縫出現(xiàn)損傷后，車輛通過時(shí)的沖擊會(huì)產(chǎn)生更大的噪聲。伸縮縫出現(xiàn)損傷后，有效值和峭度指標(biāo)的上下邊緣、中位數(shù)、兩個(gè)四分位數(shù)均會(huì)出現(xiàn)不同程度升高。因此，可以根據(jù)伸縮縫噪聲信號(hào)的有效值、峭度等無量綱指標(biāo)對(duì)信號(hào)中的沖擊成分進(jìn)行表征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伸縮縫健康狀態(tài)的評(píng)估。

圖6 不同配重小車通過伸縮縫的噪聲特征值統(tǒng)計(jì)Fig.6 Noise Eigenvalue Statistical Chart of Cars with Different Counterweights Passing through Expansion Joints

通過上述分析可以看出，車輛在通過伸縮縫時(shí)，其噪聲信號(hào)的時(shí)域波形、頻率成分和能量、無量綱指標(biāo)等均可對(duì)伸縮縫的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)伸縮縫出現(xiàn)損傷后，這些指標(biāo)均會(huì)出現(xiàn)不同程度的異常。因此，可以采用多指標(biāo)融合的方法對(duì)伸縮縫的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，以保障結(jié)果的穩(wěn)健性。

4 結(jié)論

本文搭建了伸縮縫縮比試驗(yàn)平臺(tái)，模擬了車輛通過伸縮縫時(shí)產(chǎn)生的行車噪聲，利用聲音采集裝置采集了行車噪聲，并分別對(duì)健康和損傷伸縮縫的噪聲信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域和頻域分析，得到以下結(jié)論：

⑴車輛通過損傷伸縮縫時(shí)，聲波的峰值會(huì)明顯增大，此特征可以作為評(píng)估伸縮縫健康狀態(tài)的指標(biāo)之一；

⑵損傷伸縮縫噪聲信號(hào)的頻率成分主要集中在0～2 000 Hz，且相較于健康伸縮縫，各頻率成分的能量明顯增大；

⑶伸縮縫出現(xiàn)損傷后，噪聲信號(hào)的有效值、峭度等無量綱指標(biāo)均會(huì)異常增大。

通過上述結(jié)論分析可以看出，車輛通過伸縮縫時(shí)的時(shí)域波形、頻率成分、能量和無量綱指標(biāo)等均可對(duì)伸縮縫的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而為基于行車噪聲的伸縮縫損傷識(shí)別技術(shù)的工程應(yīng)用提供了依據(jù)。