基于MASW 方法識別高速鐵路組合橋梁界面剝離損傷的可行性研究

趙玉棟，陳洪兵，聶鑫

（清華大學 土木工程系，北京 100084）

0 引言

我國高速鐵路建設發展迅速，高速鐵路運營速度和建設規模均位于世界領先水平。大量高鐵建設采用“以橋代路”的建設方法，對橋梁工程的力學性能和安全性提出了更高的技術標準。鋼-混組合橋梁由于可以充分發揮鋼材和混凝土2 種材料的力學優勢，目前已在我國大型公路橋梁中廣泛應用。相比于公路橋梁，鐵路橋梁的活荷載形式變化較大，高速列車-橋梁之間的動力耦合效應更易誘發鋼-混界面的粘結滑移和疲勞損傷。因此，需要對高速鐵路鋼-混組合橋梁采取行之有效的檢測和監測，從而確保橋梁的正常使用性能并提高列車運營的安全性和舒適性。

1 基于PZT 智能材料的無損檢測技術及其在組合結構中的應用

鋼-混組合結構的界面連接作為鋼材和混凝土2種材料協同受力的核心要素，一直都是該類結構設計工作的研究重點。針對如何實現對界面剝離、粘結滑移等損傷的識別，國內外學者開展了大量試驗研究和數值模擬?；谥悄懿牧系臒o損檢測技術逐漸成為工程界和學術界的研究熱點。智能材料如形狀記憶合金、光導纖維、磁致伸縮材料、碳納米纖維、壓電材料等被廣泛應用于無損檢測領域。其中PZT 材料由于成本低廉、響應速度快、頻率范圍寬、線性度好等優點而被廣泛應用于結構檢測中[1]。在粘結滑移的損傷識別方面，Zeng 等[2]利用剪切型壓電陶瓷片作為智能骨料，通過在粘結層附近布置智能傳感器進行粘結滑移的監測。監測表明，傳感器接收的時域電壓信號幅值隨著界面滑移量的增大而逐漸降低。通過對電壓信號進行小波分析來定量描述接收信號的能量大小，并結合有限元分析驗證了該方法的可行性。Liang 等[3]基于阻抗法進行了混凝土和鋼板之間粘結滑移的試驗研究，結合均方根差識別粘結滑移的發展過程。為了進一步研究阻抗法檢測粘結滑移的可行性，采用三維耦合數值分析驗證了試驗數據的正確性和合理性。Li 等[4]采用超聲檢測技術對圓鋼管混凝土的質量進行檢測，試驗結果表明聲速、波形等聲學參數及其變異系數可以反映鋼管壁與核心混凝土的界面粘結狀況。許斌等[5-6]在大量試驗研究的基礎上提出了基于壓電智能傳感器進行鋼管混凝土構件的界面剝離缺陷識別方法。不僅可以對剝離缺陷進行有效識別，也可滿足實時監測的需求。Qin 等[7]將內置的PZT 傳感器作為驅動端，外貼PZT 壓電陶瓷片作為接收端，實現了在鋼-混梁的加載試驗過程中的界面剝離檢測。結合小波分析建立的損傷指標對加載過程中界面剝離的發展過程十分敏感。

現階段，基于PZT 的鋼- 混組合構件界面剝離檢測的主要技術路線見圖1。由于實際應用中的鋼-混組合構件截面形式多樣，以鋼管混凝土構件為例，其結構形式從傳統的規則矩形和圓形截面，逐步演化為內部構造日趨復雜的多腔室幾何構造，且一般均設置橫隔板和加筋肋以提高構件的整體剛度，改善構件的傳力機制。壓電應力波在不同形式構件中的傳播時程及波場分布特點需要做深入研究，這對于認知壓電波動法識別界面剝離缺陷的內在物理機制和PZT 傳感器的優化布置有重要意義。

圖1 基于PZT 的鋼-混組合構件界面剝離檢測的主要技術路線

2 超聲導波在無損檢測中的應用

對于細長鋼管混凝土，當構件高度與直徑比例較大時，可以按照桿狀波導進行分析[8]。然而對于高層建筑中的鋼管混凝土柱，其半徑及高度一般為1 m 和4 m，該類構件不能簡單按照桿狀波導進行分析。本質上講，導波的產生機制很大程度上取決于波導的幾何特性，因此派生出多種基于導波的無損檢測方法。對于鋼-混組合結構，混凝土及其內部缺陷的存在將會對鋼板中的導波傳播特性產生影響。此外，鋼板內部的銹蝕等缺陷同樣會導致鋼板頻散特性的變化。通過測量鋼板中導波及其頻散特性的變化可實現對鋼-混界面的損傷識別。

Jain 等[9]通過2 個斜入射的傳感器試驗驗證了基于導波進行鋼管混凝土損傷識別的可行性。但是該方法需要用水箱實現耦合劑的效果，較大程度上限制了該方法在實際工程中的應用。此外，該方法僅采用單發-單收模式，且檢測精度和高效性有待進一步驗證。

對于薄板的粘結層，可以采用基于反射波衰減特性實現對界面缺陷的高效識別[10]。但是對于鋼管混凝土，由于超聲波在混凝土內部傳播過程中，其信號幅值和能量衰減顯著，因此反射波的信號幅值十分微小，將很大程度上削弱對缺陷的識別精度。

Shen 等[11]通過對比界面層材料特性變化對Rayleigh 波頻散曲線的影響，開展了理論、試驗研究及數值分析。研究結果表明頻散曲線存在多個模態，但是最顯著且容易區分的為第一模態。通過對實測的頻散曲線的反演分析，可實現對界面粘結層彈性材料特性的預測。

綜上所述，傳統波動法存在顯著的技術瓶頸：基于體波測量的檢測技術需預埋嵌入式傳感器，不適用于運營階段構件的無損檢測；采用單發-單收的表面波檢測模式，難以有效捕捉并充分利用表面波的頻散特性。因此，亟需研發高效的無損監測方法，以提高對鋼-混組合構件界面損傷的識別精度。

3 MASW 基本原理及其在無損檢測中的應用

3.1 MASW 基本原理

雙傳感器方法被稱為Two-receiver approach 或SASW method，該方法在20 世紀80 年代初期由美國德州大學奧斯汀分校率先提出，該方法基于對重錘沖擊的表面波相位譜的快速傅里葉變換（FFT），隨后被廣泛應用在地質勘探中。雙傳感器方法被稱為表面波的譜分析。在研究初期，基礎模態（M0）分析僅針對Rayleigh 波。此后，德州大學奧斯汀分校的學者取得了一系列重要的研究成果[12-18]。

依據信號源的類型，多道面波分析（MASW）方法主要分為兩大類：主動MASW（錘擊或落錘）和被動（氣候或者自然因素，如交通或者潮汐的影響）MASW。主動MASW 方法由Park 等（1999）[19]率先提出，該方法基于線性陣列的傳感器來采集數據?；趦A斜疊加法、相移法、tau-pi 變換、F-K 變換[20-24]等方法對采集數據進行頻散特性分析。

3.2 應用現狀

Cheng 等[25]采用多通道表面波分析方法對鋼板頻散曲線隨粘結層材料性能變化進行了深入研究。通過對各傳感器時程信號正演得到頻散曲線并與理論頻散曲線對比，觀察相速度的變化來實現對界面粘結狀況的評估。但是在該研究中，粘結狀況的改變是通過調節整個粘結層的材料特性進行模擬的，并沒有提及局部出現界面剝離的情況，與鋼-混組合結構中常見的實際界面剝離缺陷類型差異較大。

此外，結合有限元仿真，采用MASW 方法正演板類構件頻散特性的可行性已經得到充分驗證。Gómez 等采用商用有限元Comsol[26]進行多通道數據的采集，結合Matlab 實現F-K 變化，從而進一步得到鋼板的頻散曲線，結果表明該方法得到的頻散曲線與理論頻散曲線吻合度較高。有限元分析結果為基于MASW 方法的結構無損檢測的傳感器優化布置、信號選型等提供了良好基礎，數值仿真結果可以直接用于指導試驗設計并用于校核試驗結果的準確性。應力波在傳播過程中，遇到缺陷會反射、繞射。依據信號幅值的衰減和能量的損失[27-29]、傳播路徑的改變和首波聲時的延長[30]，即可以實現對構件內部的健康狀況的判斷。現階段基于透射波的缺陷檢測仍屬于體波的范疇。但是，相比能量較低的體波（縱波和橫波分別約占7% 和26%），表面波的幅值大且能量相對較高（67%）[31-32]，因此相對比較容易識別。鋼-混組合構件的頻散特性分析及基于MASW 方法識別鋼-混界面剝離缺陷的可行性有待深入研究。

4 MASW 有限元數值模擬

采用2D 細觀模型的尺寸為1 000 mm×1 000 mm，單元網格尺寸為1.0 mm×1.0 mm，鋼材和混凝土的材料參數與Xu 等[5]的數值模型保持一致（見圖2）。界面剝離缺陷的尺寸為300.0 mm×5.0 mm。一般情況下，實際被檢測構件的尺寸較大。由于超聲波在構件中的衰減顯著，為了降低計算量，一般依據超聲波波長選取適當的構件尺寸進行數值分析。為了降低或排除幾何邊界導致的界面反射波，一般需要采用完美匹配層、無限單元或者人工阻尼單元等方法來降低界面反射波的影響。在Abaqus 中引入無限單元來吸收界面反射波，無限單元邊界的區域寬度設置為10 mm。采用半周期正弦信號進行激勵，以模擬錘擊荷載。取2D 有限元模型頂部節點作為豎向加速度Az的采樣點，間隔設置為20 mm，加速度時程曲線見圖3。

圖2 有限元分析模型

圖3 加速度時程曲線

對圖3 中的加速度時程曲線進行頻散特性分析，結果分別見圖4—圖6。如圖2 所示，由于界面剝離缺陷設在有限元模型頂部鋼板和混凝土界面的中部，界面剝離區域長度為300 mm，因此缺陷處對應的采樣點編號為18～32。

圖4 通道1～50 對應的頻散曲線

圖5 無缺陷區域頻散曲線

圖6 界面剝離區域頻散曲線

通道1～50 對應的頻散特性曲線見圖4，基礎模態M0 表現為Lamb 波和Rayleigh 波的混合模式。無缺陷處各采樣點的加速度時程曲線對應的頻散曲線見圖5，基礎模態M0 呈現為多層Rayleigh 波的頻散特性。依據缺陷處通道18～32 得到的頻散特性曲線見圖6，與Lamb 波的振動模態保持一致。

數值分析結果表明，正演頻散曲線的基礎模態M0在無損情況下接近于Rayleigh 波的理論值，當存在界面剝離時更接近Lamb 波的理論分析結果，且剝離缺陷頂部的鋼板中的應力波完全屬于Lamb 波的振動模態。

5 結論

系統梳理了現有基于壓電陶瓷智能材料和波動法的界面剝離檢測技術，詳細對比了不同方法的工作機理和優缺點，進而提出基于多道面波分析方法識別界面剝離損傷的檢測技術。以高速鐵路組合橋梁中常見的鋼管混凝土構件為例，通過有限元數值分析，驗證了該方法的可行性。后續將依據實際高速鐵路橋梁荷載形式進行動力加載試驗，并進一步驗證MASW 方法識別鋼-混組合橋梁界面損傷的高效性。