基于波傳播法的鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)脫粘損傷識別研究

李 強(qiáng)1,吳海平2,鄒褀祺,晏班夫

(1.廣東省高恩高速公路公司,廣東 開平 529300； 2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510000； 3.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410000)

0 引言

鋼—UHPC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)，是將高強(qiáng)度、高韌性的超高性能混凝土層通過剪力連接件(栓釘)與鋼橋面聯(lián)合成一個整體，并在超高性能混凝土層上鋪設(shè)瀝青磨耗層。這種結(jié)構(gòu)能有效消除正交異性鋼橋面鋪裝層易損和鋼橋面板疲勞開裂等病害。與鋼-混組合結(jié)構(gòu)類似，鋼-UHPC交界面通過栓釘緊密結(jié)合，可以保證二者協(xié)同受力。實(shí)際工程中，UHPC層厚度通常只有35～50 mm，施工要求高，由于鋼纖維體積含量比達(dá)到3.5%，施工中容易結(jié)團(tuán)，再就是高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)過程不可避免產(chǎn)生施工誤差，鋼與UHPC層可能剝離；運(yùn)營期在超載及溫變荷載作用下，鋼—UHPC接觸界面可能發(fā)生界面剝離，流水滲入，影響結(jié)構(gòu)使用性能和壽命。因此有必要對鋼—UHPC接觸面剝離與否進(jìn)行識別。

壓電陶瓷作為一種新型的智能材料，具有正、逆壓電效應(yīng)等特性，在土木工程檢測領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。PZT傳感器質(zhì)量輕，可粘貼于既有結(jié)構(gòu)表面或埋入新建結(jié)構(gòu)內(nèi)部對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別與健康監(jiān)測，并表現(xiàn)出主動傳感、靈敏度高、低費(fèi)用、快速響應(yīng)等突出優(yōu)點(diǎn)。

波傳播法(Wave Propagation Method)是在結(jié)構(gòu)表面或者內(nèi)部埋置壓電陶瓷驅(qū)動器，對驅(qū)動器施加激勵在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力波，并由壓電陶瓷傳感器接收信號，通過分析接收應(yīng)力波信號幅值、頻譜、能量等振動參數(shù)信息來對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行識別和監(jiān)測。朱勁松等[1]為了有效監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的銹蝕，提出了基于壓電陶瓷(PZT)波傳播法的鋼筋銹蝕監(jiān)測方法，通過相關(guān)的試驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬，最后表明該方法在鋼筋銹蝕監(jiān)測方面具有較好的適用性。文玉梅等[2-3]將PZT埋入混凝土構(gòu)件中，形成敏感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的在線、不間斷、主動及無源監(jiān)測，解決了土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的空間大、時效性以及能耗的要求。WANG等[4]將壓電陶瓷埋入復(fù)合材料和混凝土中，構(gòu)建了一種主動監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測復(fù)合材料的脫層錯位以及混凝土的鋼筋屈服和脫粘，通過比較傳感器接收信號的幅值來對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評估。SONG等[5]將壓電陶瓷片封裝進(jìn)水泥塊并埋置于混凝土T梁中，對構(gòu)件施加豎向荷載，試驗(yàn)表明，埋置的壓電陶瓷可以很好地識別T梁在荷載作用下裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。XU等[6]將壓電陶瓷粘貼在模擬界面剝離的鋼管混凝土表面，并在內(nèi)部埋置功能元，建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對界面剝離進(jìn)行識別研究。徐穎娣等[7-8]利用PZT的傳感驅(qū)動特性，將Lamb波主動檢測技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料損傷檢測中，對二維結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行了定位研究。逯彥秋[9]采用試驗(yàn)與有限元相結(jié)合的方法，利用波傳播法對鋼筋銹蝕進(jìn)行了主動導(dǎo)波監(jiān)測，對鋼筋銹蝕具體情況進(jìn)行了精確識別以及精確定位。何立坤等[10]對基于壓電陶瓷片(PZT)波傳播法進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)損傷識別的方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，為更有效地利用壓電陶瓷傳感器進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)局部損傷提供了一定的理論指導(dǎo)。

本文設(shè)計并制作了鋼—UHPC組合梁模型，運(yùn)用波傳播法對模型負(fù)彎矩加載歷程中的界面脫粘損傷情況進(jìn)行了監(jiān)測，提取了對鋼-UHPC界面脫粘損傷敏感的特征值。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1 模型設(shè)計及加載方案

設(shè)計并制作鋼—UHPC組合梁模型，梁長2000 mm(計算跨徑1 700 mm)，高230 mm；其中UHPC層高50 mm，層內(nèi)布置縱下橫上鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑8 mm，橫、縱鋼筋間距均為50 mm；鋼工字梁高180 mm，鋼材型號Q345，厚度12 mm；采用長35 mm，直徑13 mm的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格圓柱栓釘。本實(shí)驗(yàn)過程中采用4點(diǎn)彎曲加載以及簡支邊界條件。在梁底，沿梁長布設(shè)百分表(B1～B3)以測量撓度。沿梁長布設(shè)千分表(S1～S5)以測量界面脫粘厚度(J1～J5)。具體的加載方案見圖1。

圖1 加載方案圖(尺寸單位：mm)Figure 1 Loading scheme (Unit:mm)

2.2 損傷測試系統(tǒng)

PZT、任意波形函數(shù)發(fā)生器(泰克AFG3210)、HBMMX410動態(tài)信號發(fā)生器、試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀嬎銠C(jī)組成如圖2所示的波動法測試系統(tǒng)。壓電陶瓷片(PZT)選取上海聯(lián)能科技有限公司PZT-5，具體性能參數(shù)見表1。

圖2 波傳播法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Figure 2 Measurement system for wave propagation method

表1 PZT-5主要性能參數(shù)Table1 performanceparametersforPZT-5壓電應(yīng)變常數(shù)相對介電常數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)居里溫度/℃介電損耗/%密度/g·cm-3()45018000.71653101.57.6

2.3 PZT測點(diǎn)布置

將焊好的壓電片粘貼于實(shí)驗(yàn)梁的表面，沿梁長均勻分布，其中P1～P5號PZT測點(diǎn)布置在UHPC底面，P6～P10號PZT測點(diǎn)布置在鋼梁底板頂面，與UHPC底面的測點(diǎn)(P1～P5)一一對應(yīng)。具體布置見圖3。

2.4 工況設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)梁加載歷程中，選取0、50、100、150、200、250、300、400、470、520、650、800 kN共12個持荷狀態(tài)。運(yùn)用波傳播法對5個脫粘測點(diǎn)(J1～J5)的實(shí)際脫粘損傷情況進(jìn)行測試。具體工況設(shè)置見表2。

圖3 PZT測點(diǎn)布置(單位：mm)Figure 3 Setup of the PZT sensor(Unit:mm)

表2 波傳播法工況設(shè)置Table2 SetupoftheWavePropagationMethod工況編號激勵器接收器對應(yīng)脫粘測點(diǎn)激勵信號荷載等級6-1P6P1J17-2P7P2J28-3P8P3J35kHz,5V0、50、100、150、200、250、300、400、470、520、650、800kN9-4P9P4J410-5P10P5J5

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 加載歷程

3.1.1荷載位移曲線

圖4 荷載位移曲線Figure 4 loading-displacement curve

荷載-跨中梁底位移曲線見圖4。可以看出，開裂前，實(shí)驗(yàn)梁受力處于彈性階段，位移曲線處于線性階段；當(dāng)荷載達(dá)到150 kN時，UHPC層開裂，剛度下降，進(jìn)入裂縫發(fā)展階段，但鋼工字梁剛度在總體剛度中占比較大，因此實(shí)驗(yàn)梁整體剛度下降不大，位移曲線變緩程度較小；當(dāng)荷載達(dá)到450 kN時，鋼梁屈服，實(shí)驗(yàn)梁撓度增長速率明顯大于荷載的增長速率，荷載-位移曲線不斷變緩，主裂縫不斷變寬，最終破壞。

3.1.2鋼-UHPC界面脫粘

各個測點(diǎn)的脫粘損傷厚度發(fā)展過程見圖5?？梢钥闯?，脫粘損傷厚度的發(fā)展經(jīng)歷3個階段，分別為無脫粘階段(狀態(tài)1)，脫粘厚度線性發(fā)展階段(狀態(tài)2)和脫粘厚度迅速發(fā)展階段(狀態(tài)3)。值得注意的是，在同一荷載等級下，5個脫粘測點(diǎn)并不一定處于同一脫粘損傷狀態(tài)中。將3個狀態(tài)的分界點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)梁整體狀態(tài)對比，可以看出，荷載等級為150～200 kN時，由于模型初裂，剛度下降，各測點(diǎn)先后發(fā)生脫粘；荷載等級為400～470 kN時，由于實(shí)驗(yàn)梁鋼梁部分開始屈服，剛度下降，撓度迅速增長，各個測點(diǎn)脫粘損傷程度迅速變大。J1、J4、J5測點(diǎn)的脫粘厚度曲線趨勢與實(shí)驗(yàn)梁整體的狀態(tài)對應(yīng)較好。相較于其他測點(diǎn)，J2脫粘測點(diǎn)在狀態(tài)2的脫粘厚度增長速率較大，在狀態(tài)3的脫粘厚度增長速率變化不夠明顯。對于J3脫粘測點(diǎn)，脫粘厚度曲線波動發(fā)展，這可能與實(shí)驗(yàn)梁加載的輕微偏載有關(guān)。

圖5 鋼 — UHPC界面脫粘厚度Figure 5 Interfacial debonding thickness of the steel-UHPC structure

3.2 波傳播法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1接收信號

將實(shí)驗(yàn)收集來的信號進(jìn)行去噪處理，得到如圖6所示波形圖(以工況P9-4為例)。圖7為J4脫粘測點(diǎn)的脫粘厚度。可以看出，相同測點(diǎn)的接收信號幅值和脫粘厚度均經(jīng)歷3個階段，分別為無脫粘階段(狀態(tài)1)，脫粘厚度線性發(fā)展階段(狀態(tài)2)和脫粘厚度迅速發(fā)展階段(狀態(tài)3)。

在同一荷載等級下，5個脫粘測點(diǎn)并不一定處于同一脫粘損傷狀態(tài)中。將3個狀態(tài)的臨界點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)梁整體狀態(tài)相比，可以看出，當(dāng)荷載等級為150～200 kN時，由于模型發(fā)生初裂，剛度下降，各測點(diǎn)先后發(fā)生脫粘，應(yīng)力波傳遞經(jīng)過鋼—UHPC界面時能量衰減幅度增大，接收信號幅值下降；當(dāng)荷載等級為400～470 kN時，由于實(shí)驗(yàn)梁鋼梁部分開始屈服，剛度下降，撓度迅速增長，各個測點(diǎn)脫粘損傷程度迅速變大，接收信號幅值下降。

圖6 接收信號(工況P9-4)Figure 6 Receiving signal (Case:P9-4)

圖7 鋼 — UHPC脫粘厚度(J4脫粘測點(diǎn))Figure 7 Debonding thickness of the steel-UHPC structure (J4)

3.2.2接收信號幅值反應(yīng)界面脫粘程度

為更直觀地觀察接收信號幅值與脫粘厚度的關(guān)系，將工況6—1的接收信號幅值整理為直方圖，見圖8(a)。根據(jù)脫粘損傷厚度所處狀態(tài)進(jìn)行劃分，可以看出，荷載等級在50 kN以下(狀態(tài)1)時，接收信號幅值在0.3～0.35 mV左右，荷載等級在100～400 kN(狀態(tài)2)時，接收信號幅值降低到0.14～0.27 mV之間，荷載等級在470 kN以上(狀態(tài)3)時，接收信號幅值0.07～0.13 mV。各損傷狀態(tài)之間，接收信號幅值降低明顯，損傷狀態(tài)得到有效識別。

圖8 接收信號幅值Figure 8 Amplitude of the receiving signal

工況7-2的接收信號幅值見圖8(b)。可以看出，荷載等級在50 kN以下(狀態(tài)1)時，接收信號幅值在0.24～0.27 mV之間，荷載等級在100～300 kN(狀態(tài)2)時，接收信號幅值降低到0.20～0.23 mV左右，荷載等級在400 kN以上(狀態(tài)3)時，接收信號幅值為0.17～0.13 mV。隨著荷載等級的增加，接收信號幅值的總體趨勢是逐漸降低，但程度不夠明顯。對比J2脫粘測點(diǎn)的實(shí)際損傷程度，可以看出，隨著荷載等級的增加，界面脫粘厚度總體趨勢是逐漸增加，但狀態(tài)2、狀態(tài)3之間斜率降低同樣不夠明顯。

工況8-3的接收信號幅值見圖8(c)?？梢钥闯觯奢d等級在50 kN以下(狀態(tài)1)時，接收信號幅值在0.45 mV左右，荷載等級在150～400 kN(狀態(tài)2)時，接收信號幅值在0.30～0.45 mV左右，荷載等級在400 kN以上(狀態(tài)3)時，接收信號幅值在0.05～0.45 mV左右。隨著荷載等級的增加，接收信號幅值的總體趨勢為逐漸下降，但過程中信號幅值上下有所波動，當(dāng)荷載等級較大時(800 kN)，接收信號幅值降低到0.1 mV左右。對比實(shí)際脫粘厚度，可以看出，隨著荷載等級的增加，J3脫粘測點(diǎn)的界面脫粘厚度總體趨勢是逐漸增加，但曲線同樣有所波動。其脫粘厚度波動增長，與整體實(shí)驗(yàn)梁開裂或屈服狀態(tài)并不完全一致，可能是結(jié)構(gòu)偏載所致。

工況9-4的接收信號幅值見圖8(d)。可以看出，荷載等級在100 kN以下(狀態(tài)1)時，接收信號幅值在0.27～0.35 mV之間，荷載等級在150～400 kN(狀態(tài)2)時，接收信號幅值降低到0.15～0.20 mV左右，荷載等級在470 kN以上(狀態(tài)3)時，接收信號幅值為0.05～0.07 mV。各損傷狀態(tài)之間，接收信號幅值降低明顯，損傷狀態(tài)得到有效識別。

工況10-5的接收信號幅值見圖8(e)?？梢钥闯?，荷載等級在150 kN以下(狀態(tài)1)時，接收信號幅值在0.6～0.8 mV之間，荷載等級在200～300 kN(狀態(tài)2)時，接收信號幅值降低到0.4～0.55 mV左右，荷載等級在470 kN以上(狀態(tài)3)時，接收信號幅值為0.05～0.2 mV。各損傷狀態(tài)之間，接收信號幅值降低明顯，損傷狀態(tài)得到有效識別。

4 結(jié)論

a.波傳播法實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，荷載等級為150～200 kN時，由于模型初裂，剛度下降，各測點(diǎn)先后發(fā)生脫粘，PZT接收信號幅值下降17%～45%；荷載等級為400～470 kN時，由于實(shí)驗(yàn)梁鋼梁部分開始屈服，剛度下降，撓度迅速增長，各個測點(diǎn)的脫粘損傷程度迅速變大，接收信號幅值下降35%～80%，總體來說，較為敏感地識別了測點(diǎn)脫粘狀態(tài)的變化。

b.實(shí)驗(yàn)過程中，脫粘程度較低的測點(diǎn)對波的傳播影響不大，而脫粘程度較大的測點(diǎn)可以明顯地降低波的幅值，即可以根據(jù)所接收波形的振幅來判斷結(jié)構(gòu)損傷的程度。

c.實(shí)驗(yàn)表明，基于波傳播法的鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)脫粘損傷識別技術(shù)可以應(yīng)用于實(shí)際工程的監(jiān)測中，研究成果可以為工程實(shí)踐提供一定的應(yīng)用依據(jù)。