基于行車噪聲的伸縮縫損傷識別縮比試驗

孟利波，劉懷林，馬東鵬，朱少民，席尚賓，劉逸平

（1、國家山區公路工程技術研究中心 重慶 400060；2、浙江清華柔性電子技術研究院 浙江嘉興 314004；3、上海交通大學 上海 200240；4、華南理工大學 廣州 510641）

1 研究背景

橋梁伸縮縫是為適應橋梁變形，在梁端之間、梁端與橋臺之間設置的能自由變形的裝置。由于重型車輛的長期動荷載作用，以及橋臺沉陷、安裝誤差、砂石雜物聚集等多種復雜因素的影響，伸縮縫成為公路橋梁結構中最薄弱的部位［1-2］。近年來伸縮縫的病害普遍，一些典型的伸縮縫損傷實例［3-4］如圖1所示。以金麗溫高速公路為例，自其通車起的8年時間內，共有24條伸縮縫發生了型鋼斷裂等不同類型的病害，嚴重影響了橋梁的健康服役［5］。近年來由于伸縮縫病害導致的事故也時有發生。2020 年11 月11 日，在廣澳高速廣州往珠海方向，一輛白色小貨車碰撞路面橋梁伸縮縫后失控，造成嚴重的交通事故［6］。因此，對伸縮縫病害進行排查，防止伸縮縫內部損傷進一步發展極其重要。然而，國內外橋梁伸縮縫的損傷監測仍主要通過定期人工排查的方法來開展，費時費力同時影響通行。其他監測手段（如安裝位移傳感器）雖然可以方便地獲取與橋梁伸縮縫服役狀況相關的數據，但工程上這些采集到的數據不能直接反映模數式伸縮縫的損傷情況，同時諸如撓度、應變等物理量受溫度影響較大，往往需要進行被測量與溫度的相關性校正［7-9］。因此，這類模數式伸縮縫損傷探測技術與工程監測需求仍存在巨大差距。綜上，發展針對橋梁伸縮縫健康監測的新方法，對保障人民生命財產安全和經濟建設具有重要的意義。

圖1 伸縮縫損傷實例Fig.1 Example of Expansion Joint Damage

聲波分析是結構損傷檢測的重要方法，其原理是利用聲波在有損和無損的材料中傳播規律的差異來判定結構物內部是否有損傷。其中，聲波CT 通過人工激勵發射超聲信號，在結構物的另一側接收信號并根據聲速構造體圖像，但是該技術難以滿足高探測精度和長探測距離的要求［10］?？朔撊秉c的方法是使用超磁致伸縮材料作為發射源，然而該材料價格極其昂貴，完全不能滿足工程上的大規模使用。實際上，由于接縫處的不平整，車輛行駛過模數式伸縮縫時會出現不同程度的“跳車”現象，“跳車”荷載產生的聲波本身就是一種良好的激勵。充分利用“跳車”聲波來獲取有效信息是橋梁相關科學研究和工程應用的發展趨勢。ALGOHI 等人［11］在路段兩端的伸縮縫處各放置一個麥克風和采集裝置以記錄車輛通過伸縮縫時的“跳車”聲波信號，通過數據處理獲取特征峰點來計算車輛通過該路段的車速。目前已有學者指出，通過聲波分析，“跳車”聲波信號可以反映出伸縮縫的健康狀態［12-13］。NISHIKAWA 等人［12］在汽車上加裝聲波采集設備，記錄該車通過伸縮縫時的聲波信號，發現通過有損的伸縮縫時聲波在200～500 Hz 或500～800 Hz有特征頻帶。該方法說明了利用“跳車”的聲波分析在模數式伸縮縫損傷探測中有可行性，但該研究中在檢測時需要該車行駛過所有伸縮縫，同時未證明該方法對其他車型的適用性，因此具有較大的局限性。GUERREIRO 等人［13］通過對“跳車”聲波信號的傅里葉變換，得到了以金屬混響為特征的伸縮縫螺栓松動損傷形式的識別方法，提出了應用程序原型。該研究是對基于聲波分析的橋梁伸縮縫健康監測技術的初步探索，但由于所研究的數據樣本量少、損傷形式單一，更為深入的研究仍亟待展開。

由于實際公路橋梁通行過程中會有較大的環境噪聲，對于研究損傷導致的伸縮縫“跳車”噪聲特征影響會帶來一定的干擾。因此，為排除環境噪聲的干擾，推動基于行車噪聲的伸縮縫健康監測，需要在實驗室環境中開展伸縮縫“跳車”噪聲的研究?？s比試驗是研究車輛裝備等噪聲問題的重要手段。顧華鋒等人［14］研制了模擬重型汽車真實制動工況的縮比試驗裝置，獲取了重型汽車的制動噪聲特征。李愛紅等人［15］基于縮比實驗臺架研究了車輛底盤蠕動噪聲產生和傳遞過程。此外，縮比試驗還被用于飛行器設計的噪聲研究中［16-17］。上述研究表明，采用縮比試驗的方法研究不同健康狀態的伸縮縫“跳車”噪聲特征是可行的。

本研究通過縮比試驗模擬車輛行駛過無損和以路面破損導致伸縮縫鋼筋外露為損傷特征的GQF-C型伸縮縫路面產生的噪聲，并對噪聲信號進行時、頻域分析，提取相應的特征指標，進而對伸縮縫的健康狀態進行評估。本研究將為基于行車噪聲的伸縮縫損傷識別工程應用提供指導。

2 伸縮縫損傷識別縮比試驗

本研究采用的縮比比例為1∶4，實驗裝置示意圖如圖2 所示。其中縮比路段共3 段，包含縮比小車加速段、健康伸縮縫段和損傷伸縮縫段，采用C40 混凝土鋪設，尺寸如圖2所示?？s比伸縮縫參考GQF-C 型伸縮縫的尺寸，材質為鋼，在加工精度條件下對部分幾何尺寸進行近似，尺寸同樣如圖2 所示?？s比小車的占地面積為0.7 m×1.3 m，選取車體本身與配重共120 kg、150 kg 和180 kg 三種車重工況，車胎為充氣橡膠胎。研究時在伸縮縫附近安裝聲音采集卡，記錄縮比小車通過伸縮縫時產生的噪聲。實驗裝置實物如圖3所示。

圖2 縮比伸縮縫裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Expansion Joint Device with Reduced Scale （mm）

圖3 縮比伸縮縫裝置實物圖Fig.3 Image of Expansion Joint Device with Reduced Scale

如圖3 所示，損傷伸縮縫通過在澆筑縮比路面時人工制造伸縮縫處混凝土流失和鋼筋裸露來實現，從而模擬公路橋梁伸縮縫的常見損傷。試驗時，縮比小車勻速通過健康和損傷的伸縮縫，速度為1 m/s，每種車重工況分別重復試驗50次。

3 噪聲信號的處理與分析

采用聲音采集卡分別收集不同配重小車（120 kg、150 kg、180 kg）經過健康和損傷伸縮縫的噪聲信號，并對信號進行時、頻域分析，提取相應的特征指標，進而根據指標的變化情況對伸縮縫的健康狀態進行評估。截取3 種配重下健康和損傷伸縮縫的噪聲信號，如圖4所示。

圖4 不同配重小車通過伸縮縫的噪聲信號Fig.4 Noise Signals Generated by Cars with Different Counterweights Passing through Expansion Joints

從圖4可以看出，由于小車與伸縮縫之間的沖擊，相較于平坦路面小車在通過伸縮縫時噪聲會明顯增大。當伸縮縫處于健康狀態時，小車通過時聲波的峰值處于較低水平；當伸縮縫出現損傷后，小車通過時聲波的峰值會明顯增大，會出現明顯的沖擊噪聲。因此，小車通過伸縮縫時聲波的峰值可以作為評估伸縮縫健康狀態的關鍵指標之一。

對圖4 中的時域信號進行頻譜分析，結果如圖5所示。無損伸縮縫噪聲信號的頻率成分主要集中在0～1 600 Hz，各頻率成分的能量較低；損傷伸縮縫信號的頻率成分主要集中在0～2 000 Hz，且各頻率成分的能量明顯增大。因此，可以通過分析伸縮縫噪聲信號在0～2 000 Hz 頻率范圍內的能量大小對伸縮縫的健康狀態進行評估。

圖5 不同配重小車通過伸縮縫的噪聲頻譜Fig.5 Noise Spectrum of Cars with Different Counterweights Passing through Expansion Joints

為了對伸縮縫狀態進行定量評價，采用有效值和峭度兩個無量綱指標對健康和損傷伸縮縫信號進行統計分析。有效值表示信號的二階矩，反應了信號幅值大小和沖擊的密集程度，指標如果異常變大，則表明伸縮縫出現了損傷；峭度是信號的四階矩，該指標對沖擊比較敏感，反映了信號波形的尖峭程度，正態分布信號的峭度值為3。兩個指標的計算過程如式⑴和式⑵所示。

式中：RMS、KU 分別表示有效值和峭度；X表示信號；N為信號長度；xn為信號X中的元素；μ、σ分別為信號的均值和標準差。

每種負載情況下隨機抽取20 組正常和異常伸縮縫信號，計算信號的有效值和峭度指標，對所有樣本的指標進行箱型圖分析，結果如圖6所示?？梢钥闯?，不同配重情況下，損傷伸縮縫信號的有效值和峭度指標均大于健康伸縮縫，表明伸縮縫出現損傷后，車輛通過時的沖擊會產生更大的噪聲。伸縮縫出現損傷后，有效值和峭度指標的上下邊緣、中位數、兩個四分位數均會出現不同程度升高。因此，可以根據伸縮縫噪聲信號的有效值、峭度等無量綱指標對信號中的沖擊成分進行表征，從而實現對伸縮縫健康狀態的評估。

圖6 不同配重小車通過伸縮縫的噪聲特征值統計Fig.6 Noise Eigenvalue Statistical Chart of Cars with Different Counterweights Passing through Expansion Joints

通過上述分析可以看出，車輛在通過伸縮縫時，其噪聲信號的時域波形、頻率成分和能量、無量綱指標等均可對伸縮縫的健康狀態進行評價，當伸縮縫出現損傷后，這些指標均會出現不同程度的異常。因此，可以采用多指標融合的方法對伸縮縫的健康狀態進行評估，以保障結果的穩健性。

4 結論

本文搭建了伸縮縫縮比試驗平臺，模擬了車輛通過伸縮縫時產生的行車噪聲，利用聲音采集裝置采集了行車噪聲，并分別對健康和損傷伸縮縫的噪聲信號進行了時域和頻域分析，得到以下結論：

⑴車輛通過損傷伸縮縫時，聲波的峰值會明顯增大，此特征可以作為評估伸縮縫健康狀態的指標之一；

⑵損傷伸縮縫噪聲信號的頻率成分主要集中在0～2 000 Hz，且相較于健康伸縮縫，各頻率成分的能量明顯增大；

⑶伸縮縫出現損傷后，噪聲信號的有效值、峭度等無量綱指標均會異常增大。

通過上述結論分析可以看出，車輛通過伸縮縫時的時域波形、頻率成分、能量和無量綱指標等均可對伸縮縫的健康狀態進行評價，從而為基于行車噪聲的伸縮縫損傷識別技術的工程應用提供了依據。