基于行车噪声的伸缩缝损伤识别缩比试验

2024-03-07孟利波刘怀林马东鹏朱少民席尚宾刘逸平

广东土木与建筑 2024年1期

孟利波，刘怀林，马东鹏，朱少民，席尚宾，刘逸平

（1、国家山区公路工程技术研究中心重庆 400060；2、浙江清华柔性电子技术研究院浙江嘉兴 314004；3、上海交通大学上海 200240；4、华南理工大学广州 510641）

1 研究背景

桥梁伸缩缝是为适应桥梁变形，在梁端之间、梁端与桥台之间设置的能自由变形的装置。由于重型车辆的长期动荷载作用，以及桥台沉陷、安装误差、砂石杂物聚集等多种复杂因素的影响，伸缩缝成为公路桥梁结构中最薄弱的部位［1-2］。近年来伸缩缝的病害普遍，一些典型的伸缩缝损伤实例［3-4］如图1所示。以金丽温高速公路为例，自其通车起的8年时间内，共有24条伸缩缝发生了型钢断裂等不同类型的病害，严重影响了桥梁的健康服役［5］。近年来由于伸缩缝病害导致的事故也时有发生。2020 年11 月11 日，在广澳高速广州往珠海方向，一辆白色小货车碰撞路面桥梁伸缩缝后失控，造成严重的交通事故［6］。因此，对伸缩缝病害进行排查，防止伸缩缝内部损伤进一步发展极其重要。然而，国内外桥梁伸缩缝的损伤监测仍主要通过定期人工排查的方法来开展，费时费力同时影响通行。其他监测手段（如安装位移传感器）虽然可以方便地获取与桥梁伸缩缝服役状况相关的数据，但工程上这些采集到的数据不能直接反映模数式伸缩缝的损伤情况，同时诸如挠度、应变等物理量受温度影响较大，往往需要进行被测量与温度的相关性校正［7-9］。因此，这类模数式伸缩缝损伤探测技术与工程监测需求仍存在巨大差距。综上，发展针对桥梁伸缩缝健康监测的新方法，对保障人民生命财产安全和经济建设具有重要的意义。

图1 伸缩缝损伤实例Fig.1 Example of Expansion Joint Damage

声波分析是结构损伤检测的重要方法，其原理是利用声波在有损和无损的材料中传播规律的差异来判定结构物内部是否有损伤。其中，声波CT 通过人工激励发射超声信号，在结构物的另一侧接收信号并根据声速构造体图像，但是该技术难以满足高探测精度和长探测距离的要求［10］。克服该缺点的方法是使用超磁致伸缩材料作为发射源，然而该材料价格极其昂贵，完全不能满足工程上的大规模使用。实际上，由于接缝处的不平整，车辆行驶过模数式伸缩缝时会出现不同程度的“跳车”现象，“跳车”荷载产生的声波本身就是一种良好的激励。充分利用“跳车”声波来获取有效信息是桥梁相关科学研究和工程应用的发展趋势。ALGOHI 等人［11］在路段两端的伸缩缝处各放置一个麦克风和采集装置以记录车辆通过伸缩缝时的“跳车”声波信号，通过数据处理获取特征峰点来计算车辆通过该路段的车速。目前已有学者指出，通过声波分析，“跳车”声波信号可以反映出伸缩缝的健康状态［12-13］。NISHIKAWA 等人［12］在汽车上加装声波采集设备，记录该车通过伸缩缝时的声波信号，发现通过有损的伸缩缝时声波在200～500 Hz 或500～800 Hz有特征频带。该方法说明了利用“跳车”的声波分析在模数式伸缩缝损伤探测中有可行性，但该研究中在检测时需要该车行驶过所有伸缩缝，同时未证明该方法对其他车型的适用性，因此具有较大的局限性。GUERREIRO 等人［13］通过对“跳车”声波信号的傅里叶变换，得到了以金属混响为特征的伸缩缝螺栓松动损伤形式的识别方法，提出了应用程序原型。该研究是对基于声波分析的桥梁伸缩缝健康监测技术的初步探索，但由于所研究的数据样本量少、损伤形式单一，更为深入的研究仍亟待展开。

由于实际公路桥梁通行过程中会有较大的环境噪声，对于研究损伤导致的伸缩缝“跳车”噪声特征影响会带来一定的干扰。因此，为排除环境噪声的干扰，推动基于行车噪声的伸缩缝健康监测，需要在实验室环境中开展伸缩缝“跳车”噪声的研究。缩比试验是研究车辆装备等噪声问题的重要手段。顾华锋等人［14］研制了模拟重型汽车真实制动工况的缩比试验装置，获取了重型汽车的制动噪声特征。李爱红等人［15］基于缩比实验台架研究了车辆底盘蠕动噪声产生和传递过程。此外，缩比试验还被用于飞行器设计的噪声研究中［16-17］。上述研究表明，采用缩比试验的方法研究不同健康状态的伸缩缝“跳车”噪声特征是可行的。

本研究通过缩比试验模拟车辆行驶过无损和以路面破损导致伸缩缝钢筋外露为损伤特征的GQF-C型伸缩缝路面产生的噪声，并对噪声信号进行时、频域分析，提取相应的特征指标，进而对伸缩缝的健康状态进行评估。本研究将为基于行车噪声的伸缩缝损伤识别工程应用提供指导。

2 伸缩缝损伤识别缩比试验

本研究采用的缩比比例为1∶4，实验装置示意图如图2 所示。其中缩比路段共3 段，包含缩比小车加速段、健康伸缩缝段和损伤伸缩缝段，采用C40 混凝土铺设，尺寸如图2所示。缩比伸缩缝参考GQF-C 型伸缩缝的尺寸，材质为钢，在加工精度条件下对部分几何尺寸进行近似，尺寸同样如图2 所示。缩比小车的占地面积为0.7 m×1.3 m，选取车体本身与配重共120 kg、150 kg 和180 kg 三种车重工况，车胎为充气橡胶胎。研究时在伸缩缝附近安装声音采集卡，记录缩比小车通过伸缩缝时产生的噪声。实验装置实物如图3所示。

图2 缩比伸缩缝装置示意图Fig.2 Schematic Diagram of Expansion Joint Device with Reduced Scale （mm）

图3 缩比伸缩缝装置实物图Fig.3 Image of Expansion Joint Device with Reduced Scale

如图3 所示，损伤伸缩缝通过在浇筑缩比路面时人工制造伸缩缝处混凝土流失和钢筋裸露来实现，从而模拟公路桥梁伸缩缝的常见损伤。试验时，缩比小车匀速通过健康和损伤的伸缩缝，速度为1 m/s，每种车重工况分别重复试验50次。

3 噪声信号的处理与分析

采用声音采集卡分别收集不同配重小车（120 kg、150 kg、180 kg）经过健康和损伤伸缩缝的噪声信号，并对信号进行时、频域分析，提取相应的特征指标，进而根据指标的变化情况对伸缩缝的健康状态进行评估。截取3 种配重下健康和损伤伸缩缝的噪声信号，如图4所示。

图4 不同配重小车通过伸缩缝的噪声信号Fig.4 Noise Signals Generated by Cars with Different Counterweights Passing through Expansion Joints

从图4可以看出，由于小车与伸缩缝之间的冲击，相较于平坦路面小车在通过伸缩缝时噪声会明显增大。当伸缩缝处于健康状态时，小车通过时声波的峰值处于较低水平；当伸缩缝出现损伤后，小车通过时声波的峰值会明显增大，会出现明显的冲击噪声。因此，小车通过伸缩缝时声波的峰值可以作为评估伸缩缝健康状态的关键指标之一。

对图4 中的时域信号进行频谱分析，结果如图5所示。无损伸缩缝噪声信号的频率成分主要集中在0～1 600 Hz，各频率成分的能量较低；损伤伸缩缝信号的频率成分主要集中在0～2 000 Hz，且各频率成分的能量明显增大。因此，可以通过分析伸缩缝噪声信号在0～2 000 Hz 频率范围内的能量大小对伸缩缝的健康状态进行评估。

图5 不同配重小车通过伸缩缝的噪声频谱Fig.5 Noise Spectrum of Cars with Different Counterweights Passing through Expansion Joints

为了对伸缩缝状态进行定量评价，采用有效值和峭度两个无量纲指标对健康和损伤伸缩缝信号进行统计分析。有效值表示信号的二阶矩，反应了信号幅值大小和冲击的密集程度，指标如果异常变大，则表明伸缩缝出现了损伤；峭度是信号的四阶矩，该指标对冲击比较敏感，反映了信号波形的尖峭程度，正态分布信号的峭度值为3。两个指标的计算过程如式⑴和式⑵所示。

式中：RMS、KU 分别表示有效值和峭度；X表示信号；N为信号长度；xn为信号X中的元素；μ、σ分别为信号的均值和标准差。

每种负载情况下随机抽取20 组正常和异常伸缩缝信号，计算信号的有效值和峭度指标，对所有样本的指标进行箱型图分析，结果如图6所示。可以看出，不同配重情况下，损伤伸缩缝信号的有效值和峭度指标均大于健康伸缩缝，表明伸缩缝出现损伤后，车辆通过时的冲击会产生更大的噪声。伸缩缝出现损伤后，有效值和峭度指标的上下边缘、中位数、两个四分位数均会出现不同程度升高。因此，可以根据伸缩缝噪声信号的有效值、峭度等无量纲指标对信号中的冲击成分进行表征，从而实现对伸缩缝健康状态的评估。