基于MASW 方法识别高速铁路组合桥梁界面剥离损伤的可行性研究

赵玉栋，陈洪兵，聂鑫

（清华大学 土木工程系，北京 100084）

0 引言

我国高速铁路建设发展迅速，高速铁路运营速度和建设规模均位于世界领先水平。大量高铁建设采用“以桥代路”的建设方法，对桥梁工程的力学性能和安全性提出了更高的技术标准。钢-混组合桥梁由于可以充分发挥钢材和混凝土2 种材料的力学优势，目前已在我国大型公路桥梁中广泛应用。相比于公路桥梁，铁路桥梁的活荷载形式变化较大，高速列车-桥梁之间的动力耦合效应更易诱发钢-混界面的粘结滑移和疲劳损伤。因此，需要对高速铁路钢-混组合桥梁采取行之有效的检测和监测，从而确保桥梁的正常使用性能并提高列车运营的安全性和舒适性。

1 基于PZT 智能材料的无损检测技术及其在组合结构中的应用

钢-混组合结构的界面连接作为钢材和混凝土2种材料协同受力的核心要素，一直都是该类结构设计工作的研究重点。针对如何实现对界面剥离、粘结滑移等损伤的识别，国内外学者开展了大量试验研究和数值模拟。基于智能材料的无损检测技术逐渐成为工程界和学术界的研究热点。智能材料如形状记忆合金、光导纤维、磁致伸缩材料、碳纳米纤维、压电材料等被广泛应用于无损检测领域。其中PZT 材料由于成本低廉、响应速度快、频率范围宽、线性度好等优点而被广泛应用于结构检测中[1]。在粘结滑移的损伤识别方面，Zeng 等[2]利用剪切型压电陶瓷片作为智能骨料，通过在粘结层附近布置智能传感器进行粘结滑移的监测。监测表明，传感器接收的时域电压信号幅值随着界面滑移量的增大而逐渐降低。通过对电压信号进行小波分析来定量描述接收信号的能量大小，并结合有限元分析验证了该方法的可行性。Liang 等[3]基于阻抗法进行了混凝土和钢板之间粘结滑移的试验研究，结合均方根差识别粘结滑移的发展过程。为了进一步研究阻抗法检测粘结滑移的可行性，采用三维耦合数值分析验证了试验数据的正确性和合理性。Li 等[4]采用超声检测技术对圆钢管混凝土的质量进行检测，试验结果表明声速、波形等声学参数及其变异系数可以反映钢管壁与核心混凝土的界面粘结状况。许斌等[5-6]在大量试验研究的基础上提出了基于压电智能传感器进行钢管混凝土构件的界面剥离缺陷识别方法。不仅可以对剥离缺陷进行有效识别，也可满足实时监测的需求。Qin 等[7]将内置的PZT 传感器作为驱动端，外贴PZT 压电陶瓷片作为接收端，实现了在钢-混梁的加载试验过程中的界面剥离检测。结合小波分析建立的损伤指标对加载过程中界面剥离的发展过程十分敏感。

现阶段，基于PZT 的钢- 混组合构件界面剥离检测的主要技术路线见图1。由于实际应用中的钢-混组合构件截面形式多样，以钢管混凝土构件为例，其结构形式从传统的规则矩形和圆形截面，逐步演化为内部构造日趋复杂的多腔室几何构造，且一般均设置横隔板和加筋肋以提高构件的整体刚度，改善构件的传力机制。压电应力波在不同形式构件中的传播时程及波场分布特点需要做深入研究，这对于认知压电波动法识别界面剥离缺陷的内在物理机制和PZT 传感器的优化布置有重要意义。

图1 基于PZT 的钢-混组合构件界面剥离检测的主要技术路线

2 超声导波在无损检测中的应用

对于细长钢管混凝土，当构件高度与直径比例较大时，可以按照杆状波导进行分析[8]。然而对于高层建筑中的钢管混凝土柱，其半径及高度一般为1 m 和4 m，该类构件不能简单按照杆状波导进行分析。本质上讲，导波的产生机制很大程度上取决于波导的几何特性，因此派生出多种基于导波的无损检测方法。对于钢-混组合结构，混凝土及其内部缺陷的存在将会对钢板中的导波传播特性产生影响。此外，钢板内部的锈蚀等缺陷同样会导致钢板频散特性的变化。通过测量钢板中导波及其频散特性的变化可实现对钢-混界面的损伤识别。

Jain 等[9]通过2 个斜入射的传感器试验验证了基于导波进行钢管混凝土损伤识别的可行性。但是该方法需要用水箱实现耦合剂的效果，较大程度上限制了该方法在实际工程中的应用。此外，该方法仅采用单发-单收模式，且检测精度和高效性有待进一步验证。

对于薄板的粘结层，可以采用基于反射波衰减特性实现对界面缺陷的高效识别[10]。但是对于钢管混凝土，由于超声波在混凝土内部传播过程中，其信号幅值和能量衰减显著，因此反射波的信号幅值十分微小，将很大程度上削弱对缺陷的识别精度。

Shen 等[11]通过对比界面层材料特性变化对Rayleigh 波频散曲线的影响，开展了理论、试验研究及数值分析。研究结果表明频散曲线存在多个模态，但是最显著且容易区分的为第一模态。通过对实测的频散曲线的反演分析，可实现对界面粘结层弹性材料特性的预测。

综上所述，传统波动法存在显著的技术瓶颈：基于体波测量的检测技术需预埋嵌入式传感器，不适用于运营阶段构件的无损检测；采用单发-单收的表面波检测模式，难以有效捕捉并充分利用表面波的频散特性。因此，亟需研发高效的无损监测方法，以提高对钢-混组合构件界面损伤的识别精度。

3 MASW 基本原理及其在无损检测中的应用

3.1 MASW 基本原理

双传感器方法被称为Two-receiver approach 或SASW method，该方法在20 世纪80 年代初期由美国德州大学奥斯汀分校率先提出，该方法基于对重锤冲击的表面波相位谱的快速傅里叶变换（FFT），随后被广泛应用在地质勘探中。双传感器方法被称为表面波的谱分析。在研究初期，基础模态（M0）分析仅针对Rayleigh 波。此后，德州大学奥斯汀分校的学者取得了一系列重要的研究成果[12-18]。

依据信号源的类型，多道面波分析（MASW）方法主要分为两大类：主动MASW（锤击或落锤）和被动（气候或者自然因素，如交通或者潮汐的影响）MASW。主动MASW 方法由Park 等（1999）[19]率先提出，该方法基于线性阵列的传感器来采集数据。基于倾斜叠加法、相移法、tau-pi 变换、F-K 变换[20-24]等方法对采集数据进行频散特性分析。

3.2 应用现状

Cheng 等[25]采用多通道表面波分析方法对钢板频散曲线随粘结层材料性能变化进行了深入研究。通过对各传感器时程信号正演得到频散曲线并与理论频散曲线对比，观察相速度的变化来实现对界面粘结状况的评估。但是在该研究中，粘结状况的改变是通过调节整个粘结层的材料特性进行模拟的，并没有提及局部出现界面剥离的情况，与钢-混组合结构中常见的实际界面剥离缺陷类型差异较大。

此外，结合有限元仿真，采用MASW 方法正演板类构件频散特性的可行性已经得到充分验证。Gómez 等采用商用有限元Comsol[26]进行多通道数据的采集，结合Matlab 实现F-K 变化，从而进一步得到钢板的频散曲线，结果表明该方法得到的频散曲线与理论频散曲线吻合度较高。有限元分析结果为基于MASW 方法的结构无损检测的传感器优化布置、信号选型等提供了良好基础，数值仿真结果可以直接用于指导试验设计并用于校核试验结果的准确性。应力波在传播过程中，遇到缺陷会反射、绕射。依据信号幅值的衰减和能量的损失[27-29]、传播路径的改变和首波声时的延长[30]，即可以实现对构件内部的健康状况的判断。现阶段基于透射波的缺陷检测仍属于体波的范畴。但是，相比能量较低的体波（纵波和横波分别约占7% 和26%），表面波的幅值大且能量相对较高（67%）[31-32]，因此相对比较容易识别。钢-混组合构件的频散特性分析及基于MASW 方法识别钢-混界面剥离缺陷的可行性有待深入研究。

4 MASW 有限元数值模拟

采用2D 细观模型的尺寸为1 000 mm×1 000 mm，单元网格尺寸为1.0 mm×1.0 mm，钢材和混凝土的材料参数与Xu 等[5]的数值模型保持一致（见图2）。界面剥离缺陷的尺寸为300.0 mm×5.0 mm。一般情况下，实际被检测构件的尺寸较大。由于超声波在构件中的衰减显著，为了降低计算量，一般依据超声波波长选取适当的构件尺寸进行数值分析。为了降低或排除几何边界导致的界面反射波，一般需要采用完美匹配层、无限单元或者人工阻尼单元等方法来降低界面反射波的影响。在Abaqus 中引入无限单元来吸收界面反射波，无限单元边界的区域宽度设置为10 mm。采用半周期正弦信号进行激励，以模拟锤击荷载。取2D 有限元模型顶部节点作为竖向加速度Az的采样点，间隔设置为20 mm，加速度时程曲线见图3。

图2 有限元分析模型

图3 加速度时程曲线

对图3 中的加速度时程曲线进行频散特性分析，结果分别见图4—图6。如图2 所示，由于界面剥离缺陷设在有限元模型顶部钢板和混凝土界面的中部，界面剥离区域长度为300 mm，因此缺陷处对应的采样点编号为18～32。

图4 通道1～50 对应的频散曲线

图5 无缺陷区域频散曲线

图6 界面剥离区域频散曲线

通道1～50 对应的频散特性曲线见图4，基础模态M0 表现为Lamb 波和Rayleigh 波的混合模式。无缺陷处各采样点的加速度时程曲线对应的频散曲线见图5，基础模态M0 呈现为多层Rayleigh 波的频散特性。依据缺陷处通道18～32 得到的频散特性曲线见图6，与Lamb 波的振动模态保持一致。

数值分析结果表明，正演频散曲线的基础模态M0在无损情况下接近于Rayleigh 波的理论值，当存在界面剥离时更接近Lamb 波的理论分析结果，且剥离缺陷顶部的钢板中的应力波完全属于Lamb 波的振动模态。

5 结论

系统梳理了现有基于压电陶瓷智能材料和波动法的界面剥离检测技术，详细对比了不同方法的工作机理和优缺点，进而提出基于多道面波分析方法识别界面剥离损伤的检测技术。以高速铁路组合桥梁中常见的钢管混凝土构件为例，通过有限元数值分析，验证了该方法的可行性。后续将依据实际高速铁路桥梁荷载形式进行动力加载试验，并进一步验证MASW 方法识别钢-混组合桥梁界面损伤的高效性。