基于沖擊彈性波的鋼筋混凝土梁損傷識別

龍關(guān)旭,王 濤,高貴杰,李志利,黃平明*

1.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064

2.湖州市交通規(guī)劃設(shè)計院,浙江 湖州 313000

近些年來，基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別的研究逐漸被國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注，在現(xiàn)代交通運輸業(yè)快速發(fā)展的背景下，為了保證橋梁在運營階段的安全性，損傷識別技術(shù)也得到了快速發(fā)展?；谡駝訙y試技術(shù)來進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別，主要是通過動力測試試驗，采集結(jié)構(gòu)在振動作用下的主要動力參數(shù)和動力響應(yīng)，通過對比相關(guān)損傷參數(shù)的變化差異來達(dá)到損傷識別的目的[1]。

動態(tài)法橋梁損傷識別技術(shù)能全面反映橋梁的真實狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷情況，且可利用環(huán)境激勵進(jìn)行自振測試，避免封閉交通的繁瑣工序[2]。國外學(xué)者在最初的研究中，主要集中在橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率上，Cawley[3]等人建立了橋梁前二階頻率變化與板梁損傷位置的關(guān)系函數(shù)。Fabrizio Vestroni[4]等人同樣基于實測的橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率的變化來進(jìn)行損傷識別。進(jìn)入21世紀(jì)，Soonyong Park[5]建立自振頻率的偏微分方程來判斷結(jié)構(gòu)損傷位置與大小，并提出了桁架橋的無損損傷檢測方法。在國內(nèi)，于德介[6]結(jié)合結(jié)構(gòu)自振頻率和振型，提出了求解質(zhì)量和剛度損傷診斷方程。崔飛[7]基于結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng)，主要利用應(yīng)變與撓度的變化來進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度的參數(shù)評估與損傷識別。閆桂榮[8]提出了三種廣義柔度矩陣，并基于小波分析建立了響應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法。目前主要的動力學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷的方法有頻率法、阻尼法、模態(tài)法、柔度法等,并且多數(shù)已應(yīng)用到了實橋損傷識別中[9]。但是，目前的國內(nèi)外研究中，損傷識別的研究多采用數(shù)值模擬的方法，缺乏足夠的實際工程檢驗，且特征動力參數(shù)的選擇與提取仍較為困難，其變化規(guī)律需要進(jìn)一步研究。

本文中將首先對試驗梁進(jìn)行靜力加載和動力測試，獲得梁體破壞前后應(yīng)變分布及裂縫特征的變化，其次對沖擊彈性波在不同階段梁體內(nèi)傳播情況進(jìn)行采集與分析，研究沖擊彈性波傳播規(guī)律變化與裂縫產(chǎn)生與發(fā)展的關(guān)系，最后探究利用沖擊彈性波識別結(jié)構(gòu)損傷位置及損傷程度，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速動力評定。

1 模型試驗

1.1 模型試驗概況

沖擊彈性波一般是由激振裝置對物體進(jìn)行沖擊所產(chǎn)生，由于其操作方便，且易于頻譜分析，逐漸被用于無損檢測領(lǐng)域。沖擊彈性波沿梁體傳播時，利用動力沖擊與波形變化反映梁體內(nèi)某部位的動態(tài)彎曲，一個任意形狀的動態(tài)彎曲擾動都會使得彈性波沿著梁傳播時發(fā)生“彌散”現(xiàn)象，并呈現(xiàn)出不同的波速傳播[10]。

本文設(shè)計并制作鋼筋混凝土簡支梁，采用C25混凝土，主筋分別采用Φ12和Φ16兩種規(guī)格的HRB335鋼筋，具體試驗梁構(gòu)造如圖1所示。在進(jìn)行模型試驗前，對兩種主筋規(guī)格的試驗梁分別選取3根進(jìn)行破壞試驗，預(yù)估其極限承載力，并再分別各選取9根試驗梁，編號為12-1#～9#梁和16-1#～9#梁。靜力加載及動力激振試驗示意圖以及加載位置、拾振器位置和測點布置情況如圖2所示。

圖1 試驗梁具體構(gòu)造（單位：cm）Fig.1 Construction of test beams（Unit：cm）

圖2 試驗數(shù)據(jù)采集Fig.2 Collection of test data

1.2 試驗過程及數(shù)據(jù)采集

試驗過程的應(yīng)變測量，采用的是Imetrum Limited（英國）公司的非接觸式應(yīng)變位移視頻測量分析系統(tǒng)（Video Gauge Software，VGS）的應(yīng)變模塊，并可用于監(jiān)測各階段梁體裂縫開展情況。分別隨機(jī)抽取兩種規(guī)格主筋的試驗梁各3根，進(jìn)行預(yù)壓破壞試驗測試出其極限承載力為30 kN左右，確定靜力加載采用10 kN分級的三級加載?，F(xiàn)場試驗加載過程及數(shù)據(jù)采集如圖3和圖4所示。

圖3 現(xiàn)場試驗加載Fig.3 Loading of test in the field

圖4 試驗數(shù)據(jù)采集Fig.4 Collection of test data

具體試驗流程如下：

12-1#～12-3#梁和16-1#～16-3#梁分為第一組試驗梁，直接分級加載至產(chǎn)生裂縫直至破壞，試驗流程如圖5所示；12-4#～12-6#梁和16-4#～16-6#梁分為第二組試驗梁，12-7#～12-9#梁和16-7#～16-9#梁分為第三組試驗梁，這兩組試驗梁先小量級（第二組：10 kN，第三組：20 kN）反復(fù)加載、卸載3次，再同第一組一樣加載至破壞，試驗流程如圖6所示。

2 應(yīng)變云圖與裂縫開展特征

2.1 應(yīng)變云圖繪制及裂縫寬度計算

試驗測試中，將試驗梁的尺寸及其他相關(guān)信息輸入進(jìn)VGS，系統(tǒng)自動將梁體側(cè)面劃分為94×10個小單元，通過測量每個小單元的應(yīng)變值變化，VGS顯示出的圖像也隨之變化，從而可以繪制出試驗梁整體應(yīng)變云圖。

在加載過程中，該系統(tǒng)同時可以測量并記錄下每個小單元沿X（梁縱向）和Y（梁豎向）方向的應(yīng)變值，即Ex、Ey，通過兩個方向應(yīng)變值的矢量和來計算出每個小單元的應(yīng)變值E。根據(jù)系統(tǒng)劃分小單元的具體尺寸和每個小單元的應(yīng)變值就可求出任一坐標(biāo)的裂縫寬度，具體計算公式如下：

式中，δ為裂縫寬度，ΔL為單元尺寸，E為單元應(yīng)變值。

圖5 第一組試驗梁試驗流程Fig.5 Flowchart of the first group beams

圖6 第二、三組試驗梁試驗流程Fig.6 Flowchart of the second and third group beams

2.2 試驗階段應(yīng)變與裂縫特征

由于18根試驗梁的制作、材料等都不盡相同，加上人為因素影響，導(dǎo)致每根梁的工作特性不一，因此在加載過程中應(yīng)變值的變化，裂縫的位置、寬度與發(fā)展情況都略有不同。試驗過程中，若梁體因彎矩過大出現(xiàn)裂縫，則VGS劃分的小單元應(yīng)變顏色會突然變化，隨著裂縫的開展變寬，顯示的顏色會逐漸變深。由于篇幅所限，以第一組12-1#試驗梁為例，對加載過程中應(yīng)變和裂縫發(fā)展情況進(jìn)行描述。

1）裂縫出現(xiàn)前階段：通過VGS進(jìn)行試驗梁應(yīng)變的采集與顯示，如圖7（a）所示，在裂縫出現(xiàn)前，此階段的梁體應(yīng)變呈均勻分布，隨著加載壓力值的不斷加大，在局部存在應(yīng)變集中現(xiàn)象。

2）裂縫出現(xiàn)階段：隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，壓力值不斷加大，當(dāng)達(dá)到28 kN左右時，如圖7（b）所示，從應(yīng)變云圖和現(xiàn)場可觀察出在跨中及其左右兩側(cè)顏色變紅，出現(xiàn)細(xì)小裂縫，由公式（1）計算出裂縫寬度為0.0080 mm。

3）裂縫開展至梁體破壞階段：繼續(xù)加載，當(dāng)壓力值達(dá)到34 kN左右時，發(fā)現(xiàn)加載壓力值短暫不再上升，梁底百分表撓度值逐漸增大，通過應(yīng)變云圖和觀察，跨中裂縫寬度仍在變大，且梁底其他部位出現(xiàn)多條新的裂縫（圖7c）。此時12-1#梁達(dá)到破壞階段，計算得出裂縫寬度為0.0156 mm。

第一組試驗梁為直接加載到產(chǎn)生裂縫直至破壞階段，第二組、第三組分級加載，應(yīng)變云圖整體變化規(guī)律基本一致，由于不同試驗梁的個體性，極限承載力和裂縫位置、寬度有較大區(qū)別。試驗梁達(dá)到破壞階段時的極限承載力和此時的裂縫寬度見表1。

表1 試驗梁極限承載力與裂縫最大寬度Table 1 Ultimate bearing capacity and crack width of test beams

3 沖擊彈性波傳播特征與損傷識別

3.1 沖擊彈性波在梁體內(nèi)的傳播特征

本次模型試驗在試驗梁頂部兩側(cè)分別對稱布置2個高靈敏度的IEPE加速度傳感器，通過加速度傳感器獲得時間-加速度信號，從而得到動力激振所引起的加速度時程曲線，提取時程曲線中的相關(guān)有用信息，來探究沖擊彈性波在梁體內(nèi)的傳播特征。

第一組試驗梁，首先在靜力加載前進(jìn)行動力激振，得到時間-加速度信號，初步判定沖擊彈性波在梁體內(nèi)的傳播特征。其次，進(jìn)行靜力加載至裂縫產(chǎn)生再到破壞階段，再次動力激振獲取沖擊彈性波的傳播情況，通過比較完整試驗梁和破壞后沖擊彈性波的不同傳播特征，進(jìn)行梁體損傷識別。二、三組試驗梁與第一組類似，不同的是循環(huán)三次小量級加載，分析比較完整梁體（階段1）、小量級壓力反復(fù)加載（階段2）和破壞階段（階段3）三種情況下沖擊彈性波在梁體內(nèi)的傳播特征來判斷試驗梁的損傷情況。以12-1#梁為例，圖8給出了試驗過程中加載前、卸載后的時間-加速度曲線信息。

圖8 12-1#梁時間-加速度曲線Fig.8 Time-acceleration curves of beam 12-1#

第一組試驗梁不同階段沖擊彈性波傳播時差曲線見圖9（a），前3次激振為加載前的動力激振，后3次為卸載后的動力激振。第二、三組試驗梁不同階段沖擊彈性波傳播時差曲線見圖9（b）和9（c），前3次激振為加載前的動力激振，中間3次為梁體帶裂縫工作階段，后3次為卸載后的動力激振。從圖中可以看出，雖然每片梁存在個體差異性，傳播時差數(shù)值有一定的不同，除第三組12-8#試驗梁個別點跳躍外，完整試驗梁和破壞后的傳播時差都是有明顯增大趨勢。

圖9 三組試驗梁傳播時差曲線Fig.9 Propagate time difference curve of test beams

定義“時差均值”為1#和2#加速度傳感器經(jīng)過3次動力激振，分別獲得加速度峰值時的時間差再取均值，“損傷時間差”為完整試驗梁和破壞階段“時差均值”的差值，三組梁具體測試結(jié)果見表2，給出了具體破壞階段和完整梁體階段的損傷時間差。

表2 三組試驗梁傳播特征Table 2 Propagation characteristics of test beams

3.2 沖擊彈性波與梁體損傷識別

通過對上文沖擊彈性波不同階段的不同傳播特征進(jìn)行總結(jié)，以及應(yīng)變云圖和裂縫開展情況分析，基于沖擊彈性波技術(shù)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別歸納如下：

（1）在試驗加載前，梁體可視為完整結(jié)構(gòu)，此時進(jìn)行動力激振，利用沖擊彈性波獲得的損傷時間差很微小，基本處于同步狀態(tài)，這是由于沖擊彈性波在非勻質(zhì)材質(zhì)中傳播導(dǎo)致的微小差別；

（2）采用小量級壓力反復(fù)加載，從應(yīng)變云圖中可以看出已出現(xiàn)局部應(yīng)變集中現(xiàn)象，且關(guān)鍵部位已出現(xiàn)細(xì)小裂縫，與完整梁體相比，傳播時差逐漸變大；

（3）當(dāng)梁體裂縫進(jìn)一步發(fā)展，達(dá)到破壞階段，沖擊彈性波反饋回的損傷時間差已非常明顯，這是由于裂縫的加寬，沖擊彈性波在混凝土和空氣兩種介質(zhì)中傳播呈現(xiàn)出了不同波速傳播現(xiàn)象。當(dāng)損傷時間差較大時，可判斷梁體一側(cè)出現(xiàn)了較寬裂縫，反之梁體完整性較好。但當(dāng)梁體左右兩側(cè)出現(xiàn)類似裂縫時，有一定概率會出現(xiàn)損傷時間差較小的情況，可通過試驗獲得的大量加速度峰值、時間和動靜撓度數(shù)據(jù)在以后的工作中進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

隨著振動測試技術(shù)的逐漸成熟，結(jié)合沖擊彈性波的物理傳播特性，采用橋梁動測法快速評定橋梁結(jié)構(gòu)安全已顯現(xiàn)出了效率高、更加經(jīng)濟(jì)性的特點。本文采用非接觸式應(yīng)變位移視頻測量系統(tǒng)（VGS）、高精度加速度傳感器，利用沖擊彈性波技術(shù)研究了梁體在破壞過程中的應(yīng)變分布變化與裂縫開展特征，以損傷時間差的大小來判斷梁體完整性、損傷位置與損傷程度，具有一定的可行性。對于新建橋梁，可通過試驗獲得相應(yīng)動測數(shù)據(jù)并建立橋梁初始狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，為之后的橋梁檢測工作提供對比判斷依據(jù)。目前來說，只進(jìn)行動力測試來進(jìn)行鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)損傷識別、承載力判斷的研究還處于發(fā)展階段，本次試驗中的動態(tài)加速度、靜動撓度數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步研究分析，建立更完善的梁體快速損傷識別體系，并在實橋中進(jìn)行驗證與改進(jìn)。

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