基于波傳播法的鋼-UHPC組合結構脫粘損傷識別研究

李 強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.廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510000； 3.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410000)

0 引言

鋼—UHPC輕型組合橋面結構，是將高強度、高韌性的超高性能混凝土層通過剪力連接件(栓釘)與鋼橋面聯合成一個整體，并在超高性能混凝土層上鋪設瀝青磨耗層。這種結構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-混組合結構類似，鋼-UHPC交界面通過栓釘緊密結合，可以保證二者協同受力。實際工程中，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到3.5%，施工中容易結團，再就是高溫蒸汽養護過程不可避免產生施工誤差，鋼與UHPC層可能剝離；運營期在超載及溫變荷載作用下，鋼—UHPC接觸界面可能發生界面剝離，流水滲入，影響結構使用性能和壽命。因此有必要對鋼—UHPC接觸面剝離與否進行識別。

壓電陶瓷作為一種新型的智能材料，具有正、逆壓電效應等特性，在土木工程檢測領域內得到了廣泛應用。PZT傳感器質量輕，可粘貼于既有結構表面或埋入新建結構內部對結構進行損傷識別與健康監測，并表現出主動傳感、靈敏度高、低費用、快速響應等突出優點。

波傳播法(Wave Propagation Method)是在結構表面或者內部埋置壓電陶瓷驅動器，對驅動器施加激勵在結構中產生應力波，并由壓電陶瓷傳感器接收信號，通過分析接收應力波信號幅值、頻譜、能量等振動參數信息來對結構損傷進行識別和監測。朱勁松等[1]為了有效監測鋼筋混凝土結構內部鋼筋的銹蝕，提出了基于壓電陶瓷(PZT)波傳播法的鋼筋銹蝕監測方法，通過相關的試驗研究以及數值模擬，最后表明該方法在鋼筋銹蝕監測方面具有較好的適用性。文玉梅等[2-3]將PZT埋入混凝土構件中，形成敏感網絡，實現了結構的在線、不間斷、主動及無源監測，解決了土木工程結構監測中的空間大、時效性以及能耗的要求。WANG等[4]將壓電陶瓷埋入復合材料和混凝土中，構建了一種主動監測系統來監測復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構狀態進行評估。SONG等[5]將壓電陶瓷片封裝進水泥塊并埋置于混凝土T梁中，對構件施加豎向荷載，試驗表明，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生和發展。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，并在內部埋置功能元，建立實驗系統對界面剝離進行識別研究。徐穎娣等[7-8]利用PZT的傳感驅動特性，將Lamb波主動檢測技術應用于復合材料損傷檢測中，對二維結構損傷進行了定位研究。逯彥秋[9]采用試驗與有限元相結合的方法，利用波傳播法對鋼筋銹蝕進行了主動導波監測，對鋼筋銹蝕具體情況進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)波傳播法進行混凝土結構損傷識別的方法進行了數值模擬，為更有效地利用壓電陶瓷傳感器進行混凝土結構局部損傷提供了一定的理論指導。

本文設計并制作了鋼—UHPC組合梁模型，運用波傳播法對模型負彎矩加載歷程中的界面脫粘損傷情況進行了監測，提取了對鋼-UHPC界面脫粘損傷敏感的特征值。

2 實驗設置

2.1 模型設計及加載方案

設計并制作鋼—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，層內布置縱下橫上鋼筋網，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的標準規格圓柱栓釘。本實驗過程中采用4點彎曲加載以及簡支邊界條件。在梁底，沿梁長布設百分表(B1～B3)以測量撓度。沿梁長布設千分表(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

PZT、任意波形函數發生器(泰克AFG3210)、HBMMX410動態信號發生器、試驗模型和計算機組成如圖2所示的波動法測試系統。壓電陶瓷片(PZT)選取上海聯能科技有限公司PZT-5，具體性能參數見表1。

圖2 波傳播法實驗系統Figure 2 Measurement system for wave propagation method

表1 PZT-5主要性能參數Table1 performanceparametersforPZT-5壓電應變常數相對介電常數機電耦合系數機械品質因數居里溫度/℃介電損耗/%密度/g·cm-3()45018000.71653101.57.6

2.3 PZT測點布置

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

2.4 工況設置

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

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

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

3 實驗結果

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?？梢钥闯?，開裂前，實驗梁受力處于彈性階段，位移曲線處于線性階段；當荷載達到150 kN時，UHPC層開裂，剛度下降，進入裂縫發展階段，但鋼工字梁剛度在總體剛度中占比較大，因此實驗梁整體剛度下降不大，位移曲線變緩程度較??；當荷載達到450 kN時，鋼梁屈服，實驗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

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

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

3.2 波傳播法實驗結果

3.2.1接收信號

將實驗收集來的信號進行去噪處理，得到如圖6所示波形圖(以工況P9-4為例)。圖7為J4脫粘測點的脫粘厚度?？梢钥闯?，相同測點的接收信號幅值和脫粘厚度均經歷3個階段，分別為無脫粘階段(狀態1)，脫粘厚度線性發展階段(狀態2)和脫粘厚度迅速發展階段(狀態3)。

在同一荷載等級下，5個脫粘測點并不一定處于同一脫粘損傷狀態中。將3個狀態的臨界點與實驗梁整體狀態相比，可以看出，當荷載等級為150～200 kN時，由于模型發生初裂，剛度下降，各測點先后發生脫粘，應力波傳遞經過鋼—UHPC界面時能量衰減幅度增大，接收信號幅值下降；當荷載等級為400～470 kN時，由于實驗梁鋼梁部分開始屈服，剛度下降，撓度迅速增長，各個測點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)Figure 7 Debonding thickness of the steel-UHPC structure (J4)

3.2.2接收信號幅值反應界面脫粘程度

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)。根據脫粘損傷厚度所處狀態進行劃分，可以看出，荷載等級在50 kN以下(狀態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3)時，接收信號幅值0.07～0.13 mV。各損傷狀態之間，接收信號幅值降低明顯，損傷狀態得到有效識別。

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)?？梢钥闯?，荷載等級在50 kN以下(狀態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脫粘測點的實際損傷程度，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2、狀態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?，荷載等級在50 kN以下(狀態1)時，接收信號幅值在0.45 mV左右，荷載等級在150～400 kN(狀態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。對比實際脫粘厚度，可以看出，隨著荷載等級的增加，J3脫粘測點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，與整體實驗梁開裂或屈服狀態并不完全一致，可能是結構偏載所致。

工況9-4的接收信號幅值見圖8(d)?？梢钥闯?，荷載等級在100 kN以下(狀態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3)時，接收信號幅值為0.05～0.07 mV。各損傷狀態之間，接收信號幅值降低明顯，損傷狀態得到有效識別。

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3)時，接收信號幅值為0.05～0.2 mV。各損傷狀態之間，接收信號幅值降低明顯，損傷狀態得到有效識別。

4 結論

a.波傳播法實驗結果顯示，荷載等級為150～200 kN時，由于模型初裂，剛度下降，各測點先后發生脫粘，PZT接收信號幅值下降17%～45%；荷載等級為400～470 kN時，由于實驗梁鋼梁部分開始屈服，剛度下降，撓度迅速增長，各個測點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脫粘狀態的變化。

b.實驗過程中，脫粘程度較低的測點對波的傳播影響不大，而脫粘程度較大的測點可以明顯地降低波的幅值，即可以根據所接收波形的振幅來判斷結構損傷的程度。

c.實驗表明，基于波傳播法的鋼-UHPC組合結構脫粘損傷識別技術可以應用于實際工程的監測中，研究成果可以為工程實踐提供一定的應用依據。