基于振动特性判别钢管混凝土两种材料间的脱粘规律

王军，曹晖,b

(重庆大学 a.土木工程学院;b.山地城镇建设与技术教育部重点实验室，重庆 400045)

基于振动特性判别钢管混凝土两种材料间的脱粘规律

王军a，曹晖a,b

(重庆大学 a.土木工程学院;b.山地城镇建设与技术教育部重点实验室，重庆 400045)

钢管混凝土；推出试验；非线性分析；AMD滤波

钢管混凝土的脱粘缺陷可以分为2种：1)结构受到荷载作用导致脱粘，如温度以及轴向力等因素的影响；2)由于混凝土的浇筑不良，导致混凝浇筑不密实，从而形成的钢管混凝土的界面脱粘。

目前,钢管混凝土检测主要是基于声光学以及基于弹性假设的力学检测方法。超声波检测方法应用较早，但该方法仅适用于管壁与混凝土胶结良好的界面，首波沿钢管壁传播会对检测结果产生干扰。郝放等[1]在超声波方法实际检测过程中指出：对声能的衰减和波形的变化只能做定性和经验性的判断。丁睿等[2]提出了利用分布式光纤传感系统检测钢管混凝土脱空，表明利用光纤传感器检测钢管混凝土脱空脱粘可行，但此方法必须在施工过程中预埋传感器，无法用于已建成结构的检测。许斌等[3]采用基于压电陶瓷的波动法和阻抗法来监测钢管混凝土界面剥离,以小波包能量谱的变化情况,来判断界面剥离状况。

CFST核心混凝土与钢管的内壁存在相互作用，这种界面作用由化学胶结力、机械咬合力和摩阻力构成。当钢管混凝土发生自由振动时，界面作用复杂的动态变化(微粘滞、微碰撞、微滑动)，导致振动呈现频率随振幅改变的非线性特征。通过识别钢管混凝土振动信号中的非线性特征，能够推测钢管与核心混凝土的界面状况。

目前，基于非线性动力检测进行损伤识别方面的研究还很少。Neild等[4]、Chajdi[5]、郑星[6]、曹晖等[7]通过对混凝土梁的非线性动力研究，探讨了将其运用到损伤识别的可能。许鑫[8]通过3根钢管混凝土悬臂柱证实基于非线性振动特性的钢管混凝土脱粘识别可行；曹平[9]通过实验室CFST短柱和工地实测，研究CFST脱粘与非线性特性的影响关系。

在钢管混凝土拱桥结构中，桥面荷载一般通过吊杆或者立柱先传递给拱肋钢管，然后，通过钢管与混凝土的界面相互作用传递给混凝土，最终使钢管与混凝土共同受力。在实际高层建筑工程结构中，荷载作用于钢管混凝土柱的形式有两种：一种是荷载直接作用于柱顶，此种传力方式钢管与混凝土共同受力，变形协调；另外一种则是梁间荷载先传递给钢管侧壁，再通过钢管与混凝土的粘结作用传递给混凝土，实际工程中的大部分钢管壁脱粘情况与推出试验的传力方式一致。因此，采用推出试验的振动特性来分析钢管混凝土的粘结质量对于实际工程具有非常重要的参考价值。

1 基于信号处理的非线性振动分析方法

1.1 信号采集及前期信号处理

利用IEPE型加速度传感器采集试件被人工激励后的振动加速度信号。由于实验室的各种实验操作，采集的信号往往夹杂较多的噪声。为改善分析效果，采用小波软阈值方法对信号进行前期去噪处理[12]。对于阈值的选择，应本着尽量去掉噪声，又避免信号产生过大失真的原则。通过小波去噪，能够使加速度的信号包线更加平滑，同时，对信号的功率谱影响又很小。

1.2 解析模式分解方法分离一阶信号

采用解析模式分解方法对经过小波去噪后的振动信号进行滤波处理，得到一阶振动分量。Chen等[13]提出的解析模式分析(AMD)方法，可以实现对多组分信号进行分解，该方法能够对频率混叠信号、窄带信号以及间歇性波动信号进行较好的处理。

(1)

若每一个分量的时变频率ω1(t),ω2(t),…,ωn(t)满足

|ω1(t)|<ωb1(t)<|ω2(t)|<ωb2(t)<|ω3(t)|…<|ωn-1(t)|<ωb(n-1)(t)<|ωn(t)|。

其中，ωbi(t)∈(ωi(t),ωi+1(t))(i=1,2…,n-1)为选取的截止频率。那么可以解析地分解出它的每一个信号分量。

(2)

si(t)=sin[ωbi(t)]H{x(t)cos[ωbi(t)]}-

cos[ωbi(t)]H{x(t)sin[ωbi(t)]}

(i=1,2,…,n-1)

(3)

式(3)中:H[·]为示希尔伯特变换运算。

1.3 时频分析

2 试验及数据分析

2.1 钢管混凝土构件

试验构件尺寸参考实际工程中1.5 m×1.5 m方形截面、高4 m的钢管混凝凝土柱。综合考虑实验室加载设备的加载能力和传感器的布置，根据结构模型相似理论，采用1∶5的缩尺比例确定构件的尺寸。钢管截面形式为30 cm×30 cm方形截面，钢管厚6 mm,高度为800 mm。材质为Q235。混凝土浇筑前，预先在两侧钢管壁两端及中部开槽并插入钢筋进行预埋。混凝土采用C30等级商品混凝土。浇筑前应对钢管内壁进行人工除锈。CFST1采用机械振捣的方式浇筑；CFST2采用人工振捣的方式浇筑；CFST3设计为人为脱粘，通过在钢管内壁涂抹黄油的方法进行人为脱粘，每侧钢管内壁中央分别设置15 cm×15 cm的方形脱粘区域。混凝土浇筑每浇筑一定量进行逐层振导，混凝土浇筑至钢管顶端50 mm处。过几天后混凝土施工表面由于收缩下凹，采用高标号水泥砂浆抹平。

2.2 试验装置

图1 推出试验加载装置Fig.1 The loading device in the push-out tes

试验采用500T电液伺服式长柱压力试验机加载。采用推出法，荷载首先通过钢垫板传递给混凝土，然后通过钢管与混凝土的界面作用传递给钢管壁，最终传递给支座如图1。试验采用单调分级加载，出现明显滑移后缓慢加载，至下端混凝土与钢板接触为止，然后开始卸载。荷载及位移采用荷载传感器和位移传感器电脑采集。

2.3 钢管纵向应变测试

在钢管外表面粘贴纵向应变片测试分级加载情况下钢管表面的应变值，分析钢管混凝土在粘结破坏试验过程中的钢管纵向应变沿钢管长度的分布规律。钢管外表面应变片之间的竖向间距为100 mm。

在推出试验的过程中，混凝土通过界面粘结力将荷载传递给钢管壁，其传递过程见图2。

图2 荷载传递示意图Fig.2 Force transferring sketc

假设钢管混凝土的粘结应力沿高度方向均匀分布[17]。则混凝土的纵向应变可以表示为

εs=τp(H-h)/(tEst)=a-bh

(4)

图3 CFST1钢管纵向应变沿长度分布Fig.3 Longitudinal strain of steel tubular along the length of No.1 CFST

图3是CFST1在推出试验过程中钢管纵向应变沿高度的分布曲线，图中横坐标为试件高度位置，横坐标为各相应位置处在各个试验荷载下对应的应变值，P为施加的荷载。纵向应变沿高度呈近似三角形分布。在加载初期，钢管的各位置的应变值都很小，表明钢管与混凝土粘结紧密，不存在相对滑移；当荷载逐步增大，钢管顶部与底部的应变应变差距逐渐增大，钢管与混凝土应变的连续性遭到破坏，说明钢管与混凝土之间逐渐出现相对滑移；当荷载加载至约700 kN,应变分布曲线与荷载为600 kN平行，钢管应变沿高度均匀增大，说明钢管与混凝土之间发生明显的整体刚体滑移。

2.4 钢管混凝土相对滑移量测试

钢管与混凝土的相对滑移与其界面的抗剪粘结性能有关。钢管与混凝土的界面作用由化学胶结力、机械咬合力和摩阻力[18]构成。

试验预先在两侧钢管壁上开槽并插入钢筋进行预埋。混凝土浇筑完成后，通过测量钢筋棒与钢管壁的相对位移，从而获得钢管与混凝土在不同部位的相对滑移。3根构件的滑移测试结果见图4～图6。

图4 CFST1钢管与混凝土相对滑移 Fig.4The relative slip of steel-concrete of No.1 CFST

图5 CFST2钢管与混凝土相对滑移Fig.5 The relative slip of steel-concrete of No.2 CFS

图6 CFST3钢管与混凝土相对滑移Fig.6 The relative slip of steel-concrete of No.3 CFS

同样，根据图5和图6分析CFST2和CFST3可以得出：CFST2当荷载小于250 kN，钢管与混凝土之间胶结良好，不产生滑移，未发生加载脱粘；当荷载超过250 kN，CFST2开始产生生微小的滑移，开始发生不完全加载脱粘；当荷载达到600 kN时，构件开始迅速滑移直至破坏，CFST2完全加载脱粘。CFST3当荷载小于300 kN，钢管与混凝土之间胶结良好，不产生滑移，未发生加载脱粘；当荷载超过300 kN，CFST3开始产生生微小的滑移，即开始发生不完全加载脱粘；当荷载达到550 kN时，构件开始迅速滑移直至破坏，CFST3完全加载脱粘。

2.5 振动测试和非线性特性分析

构件的非线性振动特性是指构件受外部激励发生自由振动时，界面作用复杂的动态变化导致振动呈现频率随振幅改变的特性。在实际工程当中，无论是钢管混凝土鼓屈脱粘，还是偏心受拉边缘脱粘，其本质上与推出试验导致的脱粘一样，都会导致钢管与混凝土的粘结破坏，削弱其自由振动过程中界面的相互作用，从而影响结构的非线性特性。

试验动测设备采用江苏东华测试技术股份有限公司的DH5927N型动态信号测试分析系统，加速度传感器采用扬州科动公司的KD1400L型订制传感器。该传感器为电压输出型压电式加速度传感器(IEPE)，重200 g，可测频率范围为0.1～2 000 Hz，电压灵敏度为410 mV/ms-2。

在各加载状态下分别对构件进行动测试验分析，忽略温度对频率的影响，动测尽量在外界无振动施工噪音下进行。在动测过程中激励尝试不同位置和不同大小。动测方法为用力锤在传感器安装的对面进行敲击，测试时间在混凝土浇筑后1个月左右。

图7 CFST1各工况下频率振幅归一化曲线Fig.7 The normalized curves of frequency vs. amplitude of No.1 CFST under different working condition

表1 CFST1数据分析结果Table 1 The analysis results of No.1 CFST

图8 CFST2各工况下频率振幅归一化曲线Fig.8 The normalized curves of frequency vs. amplitude of No.2 CFST under different working condition

工况编号荷载P/kN非线性特性指标/Hz加载脱粘情况C2-11000.05不脱粘C2-22000.74不脱粘C2-33003.58不完全脱粘C2-440019.48不完全脱粘C2-555016.29不完全脱粘C2-67008.02完全脱粘

由表2可知，CFST2所表现出的非线性特性变化趋势与CFST1一致，呈现出先变大后减小的变化趋势。CFST2混凝土浇筑方式采用的是人工振捣，相比于CFST1的机械振捣，其振捣质量较差，混凝土与混凝土的粘结质量较差，钢管与混凝土的化学胶结作用较弱。因此，比较表1和表2可知，在初始加载工况下，即钢管与混凝土未发生加载脱粘时，CFST2其钢管与粘结质量较差，导致其非线性特性远小于CFST1。

图9 CFST3各工况下频率振幅归一化曲线Fig.9 The normalized curves of frequency vs. amplitude of No.3 CFST under different working condition

工况编号荷载P/kN非线性特性指标/Hz加载脱粘情况C3-11000.82不脱粘C3-22001.55不脱粘C3-33003.62不完全脱粘C3-440014.64不完全脱粘C3-550021.76不完全脱粘C3-667014.21完全脱粘

由表3可知，CFST3所表现出的非线性特性变化趋势与CFST1一致，呈现出先变大后减小的变化趋势。CFST3通过在钢管内壁涂抹黄油的方法实现人工脱粘，其混凝土与混凝土的粘结质量相比于CFST1较弱，钢管与混凝土的化学胶结作用较弱。因此，比较表1和表3可知，在初始加载工况下，即钢管与混凝土未发生加载脱粘时，CFST3钢管与粘结质量较差，导致其非线性特性小于CFST1。

3 结论

在推出试验过程中，采用力锤激励，分别测试CFST在不同工况下的加速度响应信号。通过采用解析模式分解结合希尔伯特变换的信号分析方法对实验室钢管混凝土进行非线性振动特性分析，得到以下结论:

1)钢管与混凝土的界面作用是影响其非线性特性的主要因素。当钢管与混凝土胶结良好时，其非线性特性较弱；随着加载等级的不断增加，钢管与混凝土的胶结力逐渐破坏，机械咬合力和摩阻力逐渐增强，相应地非线性特性越来越明显；当达到其粘结滑移极限承载力时，其机械咬合力和摩阻力减小，其非线性特性也随之减小。

2)在钢管混凝土未发生加载脱粘的情况下，钢管混凝土的浇筑质量不良将削弱其界面胶结作用，使得构件的非线性远小于浇筑良好的钢管混凝土构件。

3)在钢管混凝土未发生加载脱粘的情况下，采用黄油设置人为脱粘将削弱钢管与混凝土的界面胶结作用，从而降低其非线性振动特性。

4)在钢管混凝土正常使用情况下，钢管与混凝土不会因荷载作用产生脱粘，非线性特性指标可以作为是否因混凝土浇筑质量不好导致脱粘的判定依据。

[1] 郝放，崔红娅，崔振华. 超声波检测钢管混凝土质量的方法与应用[J]. 河南水利与南水北调,2015,14:74-76.

HAO F, CUI H Y， CUI Z H. Method and application of ultrasonic testing of concrete filled steel tubular [J]. Henan Water Conservancy and South to North Water Transfer Project,2015,14:74-76.(in Chinese)

[2] 丁睿，刘浩吾，罗凤林．钢管混凝土拱桥截面脱空光纤传感研究[J]．实验力学，2004，19(4):494-496．

DING R，LIU H W，LUO F L.An investigation on optical fiber sensing of interface disengaging of steel tube confined concrete in arch bridges [J].Journal of Experimental Mechanics，2004， 19(4):494-496．(in Chinese)

[3] 许斌,李冰,宋刚兵，等. 基于压电陶瓷的钢管混凝土柱剥离损伤识别研究[J].土木工程学报,2012,45(7):86-96.

XU B, LI B, SONG G B，et al.Detection of the debonding defect of concrete-filled steel tubes with piezoceramics[J]. China Civil Engineering Journal,2012，45(7):86-96. (in Chinese)

[4] NEILD S A，WILLIAMS M S，MCFADDEN P D．Nonlinear vibration characteristic of damaged concrete beams [J]．Journal of Structural Engineering，2003，129 (2)：260-268．

[5] CHAJDI M. Geometrically nonlinear free vibration of clamped-clamped functionally graded beam with an edge crack using homogenisation method[C]// International Conference on Material Engineering & Application(ICMEA), August 19,2016:56-57．

[6] 郑星.基于非线性振动技术的预应力混凝土梁损伤识别[D]．重庆：重庆大学，2012．

ZHENG X. Damage detection of prestressed concrete beams based on nonlinear vibration [D]. Chongqing：Chongqing University，2012.(in Chinese)

[7] 曹晖, 郑晓宇. 基于盲源分离的钢筋混凝土梁非线性振动特性分析[J]. 工程力学,2012,29(12):40-45.

CAO H, ZHENG X Y. Analysis of non-linear vibration of RC beams by using blind source separation [J]. Engineering Mechanics,2012,29(12):40-45. (in Chinese)

[8] 许鑫． 基于非线性振动特性的钢管混凝土脱粘识别[D]．重庆：重庆大学，2013．

XU X. Debonding monitoring of CFST based on the nonlinear vibration characteristics[D]. Chongqing：Chongqing University，2013. (in Chinese)

[9] 曹平. 钢管混凝土密实性的非线性振动识别研究[D]. 重庆：重庆大学，2015.

CAO P. Non-linear vibration based study on compactness identification of CFST [D].Chongqing：Chongqing University，2015. (in Chinese)

[10] MORISHITA Y, TOMII M. Experimental studies on bond strength between square steel tube and encased concrete core under cyclic shearing force and constant axial force [J].Transactions of Japan Concrete Institute, 1982(4):363-370.

[11] SIMONA C,STEFANIA I, ZILA R. Influence of corrosion on the bond strength of steel rebars in concrete[J].Materials and Structures, 2016,49(1):537-551.

[12] 林助军，严治军，肖敏,等. 基于经验模式分解与小波软阈值的联合去噪法[J]. 青岛科技大学学报(自然科学版)，2015,36(4)：464-467.

LIN Z J, YAN Z J, XIAO M,et al. Signal de-noising based on empirical mode decomposition and wavelet soft threshold [J]. Journal of Qingdao University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2015,36(4) :464-467. (in Chinese)

[13] CHEN G D, WANG Z C. A signal decomposition theorem with Hilbert transform and its application to narrowband time series with closely spaced frequency components [J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2012, 28: 258-279.

[14] 王佐才, 任伟新, 邢云斐. 基于解析模态分解的时变与弱非线性结构密集模态参数识别[J]. 振动与冲击, 2014, 33(19): 1-7, 16.

WANG Z C, REN W X,XING Y F. Analytical modal decomposition-based time-varying and weakly nonlinear structures' modal parametric identification with closely-spaced modes[J]. Journal of Vibration and Shock,2014, 33(19): 1-7, 16. (in Chinese)

[15] 王佐才, 任伟新. 基于解析模式分解的密集工作模态参数识别[J]. 噪声与振动控制, 2013, 33(6): 18-24.

WANG Z C, REN W X.Parameter identification of closely spaced structural modals based on analytical mode decomposition[J].Noise and Vibration Control, 2013, 33(6):18-24.(in Chinese)

[16] HUANG N E．Applications of Hilbert-Huang transform to non-stationary financial time series analysis [J].Applied Stochastic Models in Business and Industry, 2003,19(3)：245-268．

[17] 柯晓军，孙海洋，陈宗平,等. 钢管高强混凝土界面学性能试验研究及粘结强度计算[J]. 建筑结构学报，2015, 36(Sup):401-404.

KE X J，SUN H Y， CHEN Z P,et al.Interface mechanical behavior test and bond strength calculation of high-strength concrete filled circular steel tube [J].Journal of Building Structures,2015, 36(Sup):401-404. (in Chinese)

[18] 张卫东, 王振波. 方钢管再生混凝土界面粘结滑移性能试验研究[J]. 建筑结构, 2015, 45(8):66-67.

ZHANG W D, WANG Z B. Experimental research on the interface bond-slip behavior of recycled aggregate concrete-filled square steel tube[J]. Building Structure，2015, 45(8):66-67.(in Chinese)

2017-05-10

DiscriminantanalysisofconretedebondingofCFSTbasedonnonlinearvibrationcharacteristics

WangJuna，CaoHuia,b

(a.School of Civil Engineering;b.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Ministry of Education, Chongqing University,Chongqing 400045,P.R. China )

This paper firstly conducted push-out test and dynamic signal test on CFST. The difference of nonlinear vibration characteristics of CFST in different working conditions in push-out test was analyzed. And the influence factors of nonlinear characteristics of CFST were studied. The first order of vibration signal was extracted by utilizing analytical mode, the relationship of frequency- amplitude was obtained by Hilbert transform. The test results of three CFST members show that the nonlinear vibration characteristics first increase then decrease in all loading process, and the characteristics are affected by the interaction between steel tubular and concrete. The interface of cementation is weaken by the poor quality of concrete placement, thus the nonlinear characteristics is relatively low when the concrete debonding isn’t occurred.

concrete filled steel tube; push-out test; nonlinear analysis; AMD filtering

10.11835/j.issn.1674-4764.2018.01.007

TU311

A

1674-4764(2018)01-0048-07

2017-05-10

王军(1992-)，男，主要从事结构健康监测研究,E-mail:jwpanda1992@gmail.com。

AuthorbriefWang Jun (1992-), main research interest: structure health monitoring, E-mail: jwpanda1992@gmail.com.

(编辑 胡玲)