基于沖擊彈性波的鋼筋混凝土梁損傷識別

龍關旭,王 濤,高貴杰,李志利,黃平明*

1.長安大學公路學院,陜西 西安 710064

2.湖州市交通規(guī)劃設計院,浙江 湖州 313000

近些年來，基于結構動力學對橋梁結構進行損傷識別的研究逐漸被國內(nèi)外學者所關注，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，損傷識別技術也得到了快速發(fā)展。基于振動測試技術來進行橋梁結構損傷識別，主要是通過動力測試試驗，采集結構在振動作用下的主要動力參數(shù)和動力響應，通過對比相關損傷參數(shù)的變化差異來達到損傷識別的目的[1]。

動態(tài)法橋梁損傷識別技術能全面反映橋梁的真實狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)結構內(nèi)部損傷情況，且可利用環(huán)境激勵進行自振測試，避免封閉交通的繁瑣工序[2]。國外學者在最初的研究中，主要集中在橋梁結構自振頻率上，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系函數(shù)。Fabrizio Vestroni[4]等人同樣基于實測的橋梁結構固有頻率的變化來進行損傷識別。進入21世紀，Soonyong Park[5]建立自振頻率的偏微分方程來判斷結構損傷位置與大小，并提出了桁架橋的無損損傷檢測方法。在國內(nèi)，于德介[6]結合結構自振頻率和振型，提出了求解質(zhì)量和剛度損傷診斷方程。崔飛[7]基于結構的靜態(tài)響應，主要利用應變與撓度的變化來進行結構剛度的參數(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的結構損傷識別方法。目前主要的動力學進行結構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)律需要進一步研究。

本文中將首先對試驗梁進行靜力加載和動力測試，獲得梁體破壞前后應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)展的關系，最后探究利用沖擊彈性波識別結構損傷位置及損傷程度，實現(xiàn)結構快速動力評定。

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，具體試驗梁構造如圖1所示。在進行模型試驗前，對兩種主筋規(guī)格的試驗梁分別選取3根進行破壞試驗，預估其極限承載力，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

試驗過程的應變測量，采用的是Imetrum Limited（英國）公司的非接觸式應變位移視頻測量分析系統(tǒng)（Video Gauge Software，VGS）的應變模塊，并可用于監(jiān)測各階段梁體裂縫開展情況。分別隨機抽取兩種規(guī)格主筋的試驗梁各3根，進行預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。現(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 應變云圖與裂縫開展特征

2.1 應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信息輸入進VGS，系統(tǒng)自動將梁體側面劃分為94×10個小單元，通過測量每個小單元的應變值變化，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）方向的應變值，即Ex、Ey，通過兩個方向應變值的矢量和來計算出每個小單元的應變值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變值就可求出任一坐標的裂縫寬度，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，導致每根梁的工作特性不一，因此在加載過程中應變值的變化，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，對加載過程中應變和裂縫發(fā)展情況進行描述。

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

2）裂縫出現(xiàn)階段：隨著加載的繼續(xù)進行，壓力值不斷加大，當達到28 kN左右時，如圖7（b）所示，從應變云圖和現(xiàn)場可觀察出在跨中及其左右兩側顏色變紅，出現(xiàn)細小裂縫，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，當壓力值達到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行總結，以及應變云圖和裂縫開展情況分析，基于沖擊彈性波技術來進行結構損傷識別歸納如下：

（1）在試驗加載前，梁體可視為完整結構，此時進行動力激振，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)中傳播導致的微小差別；

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

（3）當梁體裂縫進一步發(fā)展，達到破壞階段，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。當損傷時間差較大時，可判斷梁體一側出現(xiàn)了較寬裂縫，反之梁體完整性較好。但當梁體左右兩側出現(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)在以后的工作中進一步研究。

4 結語

隨著振動測試技術的逐漸成熟，結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構安全已顯現(xiàn)出了效率高、更加經(jīng)濟性的特點。本文采用非接觸式應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研究了梁體在破壞過程中的應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，只進行動力測試來進行鋼筋混凝土梁結構損傷識別、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，并在實橋中進行驗證與改進。

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