科學也可以如此靠近

如何「看穿」結構局部的微小損傷

9月
29
2018

2018年9月29日07時 今日科學 橋樑雜誌

橋樑雜誌

近二十多年來,針對重大橋樑工程結構和關鍵複雜構件的結構健康監測研究逐漸從理論走向實踐,並取得了巨大的成功。可以預見,在未來相當長一段時間內結構健康監測仍是世界範圍內學術研究的熱點方向,也會在橋樑工程領域得到更廣泛的普及。結構健康監測諸多研究內容中,結構損傷識別方法是其核心之一。結構損傷識別方法充分利用監測數據判斷結構是否發生損傷,估計損傷程度並定位損傷,其結果有助於深入了解橋樑結構損傷萌生和演化的機理、了解結構失效路徑、破壞機制和損傷對結構響應和性能的影響。

更為有效的局部損傷識別方法

結構損傷識別可以分為基於全局參數的整體損傷識別方法和基於局部參數的局部損傷識別方法。由於結構振動信號易於測量,因此基於振動的整體結構損傷識別方法是最早、最成熟且最廣泛研究應用的方法。但由於大型橋樑結構的複雜性,結構不同部位的損傷可能對應相同的動力特性變化,這意味著基於振動的結構損傷識別與定位可能存在不唯一性。另外,研究表明,結構低階振型和頻率對結構早期損傷並不敏感;結構力學特性與描述其力學特性的模型之間存在著不確定性,測量信號中包含著環境及測量噪聲。上述因素給準確識別結構損傷部位和程度都帶來了困難。研究指出,至今還不能只通過結構整體反應信息來準確、有效地識別和精確定位大型橋樑結構的早期損傷,需要與其他基於局部損傷識別的理論與方法相結合,為結構損傷提供更可靠的信息。

與基於結構整體信息的損傷識別方法相比,依賴於先進智能材料與傳感元件、裝置以及結構局部力學行為理論的局部損傷識別方法可以更有效地收集局部監測變量,識別損傷類型與狀態,如鋼構件疲勞裂紋、混凝土裂縫萌生與擴展、鋼筋/鋼板/鋼管與混凝土間粘結滑移、鋼構件與鋼筋鏽蝕、主纜與拉索斷絲、螺杆鬆動等。上述損傷大多具有隱蔽性和分散性的特點,但其一旦出現則發展很快,對橋樑服役安全造成嚴重威脅,並大大降低橋樑的服役壽命。如能在上述損傷的早期階段對其進行有效識別,可極大保證橋樑安全、降低維護費用。因此,研究局部損傷監測、識別和診斷方法,揭示損傷演化和發展全過程的規律,建立損傷與橋樑狀態之間的關係,發展相應的橋樑安全評定理論,對保障橋樑服役安全具有重要的科學意義和實用價值。

結構局部損傷往往與結構的缺陷和殘餘應力等因素有關,缺陷與殘餘應力在結構中的空間分布難以準確獲得,而且它們的空間分布還隨服役時間而變化,為此,傳統局部損傷識別方法需要在橋樑結構上布設大量的應變傳感器或採用動態分布式應變傳感器,但由於橋樑結構的巨大尺寸,在其上布設大量的應變傳感器是不現實的,而動態分布式應變監測技術還遠遠未能實用化。相比之下,利用應力波在損傷結構中傳播特徵的變異,可僅使用少量傳感器就可實現應力波傳播範圍內多個多類型結構損傷的監測。因此,基於波動理論的損傷識別方法是解決橋樑結構局部損傷監測/檢測問題的有效方法。

應用廣泛的超聲波損傷識別

日前,在青島舉辦的第七屆結構控制與監測世界大會專門設立了「Recent Advances in Sensing Technology for Structural Health

Monitoring」分會場,為與會者提供了先進傳感技術交流的平台。從參會論文來看,目前基於波動理論的損傷識別方法仍是國內外學者所關注的熱點之一。在橋樑結構和構件中的應力波通常以超聲波的形式傳播。傳統上,基於超聲波的損傷識別方法歸於無損檢測的範疇,但由於近年來在超聲換能器小型化、嵌入式換能器、可永久固定的壓電換能器等方面的研究進展,使得上述方法用於橋樑結構/構件長期監測亦成為可能。基於波動損傷識別方法可分為被動法(聲發射法)和主動法。前者只通過檢測損傷萌生和擴展過程中產生的應力波來監測損傷;後者通過主動激勵產生超聲波在結構一定範圍內傳播後攜帶損傷信息被傳感器接收,該方法可監測已存在和正在發展的損傷。近年來,各國學者們在超聲換能器以及損傷識別理論與方法等方面的研究均有長足進步,目前已經逐步應用於實際橋樑結構的監測和檢測,取得了很好的效果。

傳統超聲方法檢測區域小

在常規超聲方法中,超聲相控陣技術對於鋼結構和混凝土內部缺陷檢測具有非常好的識別能力。超聲相控陣列由一組超聲換能單元組成,每個單元可獨立發射和接收超聲波,通過設計每個換能器單元激勵信號的時間延遲,可形成在特定位置上聚焦的波束,用於損傷檢測。相控陣技術能明顯增強信號的信噪比,並提升損傷檢測的空間解析度和檢測精度。同時,由於超聲相控陣探頭尺寸較小,可以檢測難以接近、常規無法檢測的區域,實現對複雜結構件和盲區位置缺陷的檢測,可實現傳統超聲無法實現的高速、全方位、多角度的動態聚焦掃描,節約成本,提高效率。如在某懸索橋結構檢測中,應用超聲相控陣技術對主索鞍、散索鞍和鋼箱梁焊縫進行了系統檢測。該橋主索鞍和散索鞍材料為鑄鋼件,是整體模型一次澆築成型,在服役前檢測合格之後,吊裝使用。然而在經過十多年的長期服役之後,需要對其進行全面的維修和損傷評估。使用超聲相控陣系統檢測表明其絕大部分的主索鞍體內部沒有缺陷,存在少部分小幅值回波信號,經判定為夾砂或澆築內部構造缺陷,且無擴展現象,認為主索鞍體結構健康。散索鞍與主索鞍類似,通過回波信號判斷,散索鞍也存在微小構造缺陷,無產生裂縫擴展的跡象,也可判定為服役健康狀態。此外,超聲相控陣技術還可對鋼箱梁修補後的焊縫進行抽檢以判斷修補質量。分別選擇了位於橫隔板上、U型肋與頂板交界處的幾條焊縫進行檢測,結果表明所有位於橫隔板上的焊縫均成功修補,但在U型肋與頂板交界已修補焊縫中部,發現明顯的缺陷回波,表明該裂縫未完全焊透。類似超聲檢測方法還有超聲衍射時差法、超聲脈衝回波法等。

超聲導波適用多種橋樑構件

上述基於傳統超聲波的各種方法可對橋樑結構局部微小損傷進行有效檢測和排查,但其檢測區域較小,對於大跨度橋樑結構效率較低。因此,超聲導波理論與方法在近年來得到了越來越多的關注。超聲波在有限幾何邊界結構中傳播時,經過邊界的反射、折射、模態轉換和耦合之後,形成穩態傳播的導波。超聲導波是超聲波在有限幾何邊界結構中傳播的具體形式,相應的結構稱之為波導。相比超聲波,超聲導波可沿結構長距離傳播,因此檢測區域非常廣,而且在傳感器端接收到的超聲導波信號會攜帶整個被檢測區域的損傷信息,通過進一步分析可以很容易確定損傷情況與位置。橋樑結構中存在著大量可以考慮為波導的構件,如正交異性鋼橋面板、懸索橋主纜、斜拉索、各種吊杆、體外預應力筋、螺杆及其他有限幾何尺寸構件等,均可採用基於超聲導波的方法對其進行損傷識別和結構監測。

超聲導波可採用多種手段激發,常用的換能器包括壓電類換能器(壓電陶瓷、楔形壓電換能器和壓電複合材料等)、電磁超聲換能器、空氣耦合技術、雷射超聲技術和磁致伸縮技術等。早在1979年,Silk和Bainton已經採用壓電超聲探頭試驗研究了直管和U型薄壁鋼管中各種超聲導波模態。壓電類換能器是得到最廣泛應用的超聲導波換能器,與結構直接耦合使用。磁致伸縮傳能器則可非接觸式激勵和接收超聲導波,可用於斜拉索內部鋼絲腐蝕和斷絲檢測,也永久安裝用於長期健康監測。將磁致伸縮換能器組成環向相控陣,可實現水平剪切波在拉索表面任意一點的聚焦,與時間反轉技術相結合,該方法能夠有效識別多種損傷。壓電複合材料(MFC)也被用於生成扭轉波以檢測軸向裂縫,與常規壓電陶瓷相比,MFC具有更好的壓電性能、柔性以及可靠性。

在超聲導波的各種模態中,SH波和T(0,1)波無頻散效應,在長距離傳輸中波形幾乎不發生任何改變,在邊界處幾乎沒有模態轉換,該特徵可以簡化反射和散射信號的處理和解釋。目前只有兩種換能器可以產生上述模態的導波,即磁致伸縮換能器和厚度剪切模式壓電換能器。但這兩種換能器都需要額外的工作組件,導致其體積較大、安裝複雜以及由此引起的使用中的不可靠性。由此,我們提出了一種新型的d36型壓電晶片,用於激發和感知水平剪切波並用於損傷識別,與常規的d31/d32型的壓電陶瓷相比較,d36型壓電晶片可以引起垂直於極化方向的面內剪切變形,如下圖。在板結構中可以激發非頻散的水平剪切波,在金屬管結構中,可以激發軸向和環向的非頻散扭轉波。在超聲換能器方面的基礎研究可為各種基於波動理論的損傷識別方法提供更好性能的驅動器和傳感器,從而大大拓展相關識別方法的精度、準確性和適用範圍。

d31/d32與d36模式及其參數比較(極化方向3)

在實際橋樑結構中,由於噪聲、邊界條件、長距離傳輸等因素的影響,損傷信號的信噪比往往很小。時間反轉聚焦和超聲導波相控陣等信號增強和損傷成像方法是解決該問題的有效手段。根據波動方程的時間反轉不變性和聲場的互易性,可用多個壓電換能器激發並接收超聲導波信號,然後用於生成一個反轉波場,反轉波可以重新發送以得到損傷信息,這就是所謂的時間反轉法,最小可以識別亞毫米級的損傷。將時間反轉概念與超聲導波相結合,如果在超聲導波的傳播路徑中存在損傷,其時間反轉特性將不復存在,重構信號和原始輸入信號之間將會產生很大差別。同時,經過時間反轉過程之後,傳感信號中不同模式及不同頻率的信號成分經過時間反轉的補償之後將同時達到激勵位置,使得此時的重構信號具有信號集中、波形簡單易分析、提升信號信噪比等優勢。與此同時,在地震工程中疊加偏移成像技術常用於地層斷層檢測。美國北卡羅萊納州立大學Yuan教授應用時間反轉偏移成像(Reverse-Time

Migration,即RTM)方法對板結構中的損傷識別做了嘗試性研究,針對不同角度和形狀的損傷採用不同的偏移方式,可以提高損傷成像清晰度、解析度和準確度。美國南卡羅萊納州立大學Giurgiutiu教授將超聲相控陣中的時間延遲方法引入到超聲導波檢測中,在板結構中實現了缺陷掃描成像。近年來得到關注的非線性超聲導波對結構內部早期微損傷具有更高的靈敏度,可廣泛用於結構中的疲勞損傷、閉合裂紋等缺陷檢測。

聲發射技術可應用於大跨橋樑長期監測

聲發射技術被動接受結構內部活動缺陷所產生的超聲波,聲發射信號所蘊含的內在特徵均可以採用體波、表面波或導波理論解釋,因此也是一種基於波動理論的檢測技術。在橋樑結構檢測/監測中,常採用傳統的壓電類聲發射傳感器進行數據採集,但壓電類傳感器易受電磁干擾、體積大、長期耐久性和穩定性較差且傳輸距離受限制。相比之下,光纖傳感器在上述方面均提供了優異的性能。利用相位解調方法,光纖傳感器能夠感知高頻超聲信號,也可以用於接收聲發射信號。1977年美國海軍實驗室的Bucaro等測試了使用光纖感知聲場的可行性。Gachagan等將兩組光纖傳感器嵌入複合材料板中,採用M-Z干涉儀解調聲信號。由於基於M-Z干涉儀的光纖波動傳感器靈敏度與光纖長度相關,我們提出了螺旋形光纖波動傳感器並推導了螺旋形光纖線圈相位差與應變之間的關係,進一步測試了圓柱形光纖聲發射傳感器的頻響特性,並將其應用於混凝土活動裂縫監測。該研究有助於將聲發射技術應用於大跨度橋樑結構的長期監測中。近年來,將模式識別與機器學習與聲發射技術相結合,在損傷識別與分類方面也取得了很好的效果。

橋樑結構健康監測在我國經過多年的研究與應用,以2016年交通部頒布的由中交公路規劃設計院有限公司和哈爾濱工業大學負責起草的《公路橋樑結構安全監測系統技術規程(JT/T

1037-2016)》為標誌,進入了全新的時期。同時我們也應深刻意識到,目前結構健康監測技術水平距離對橋樑結構性能透徹感知、對其安全狀態進行全面評定及對其剩餘壽命進行精確預測尚有很大差距。基於波動理論的結構健康監測方法可為結構局部微小損傷識別提供了有效的手段。與此同時,國內外學者在結構健康監測其他領域的研究也方興未艾,隨著基礎性理論研究持續深入,新方法和技術不斷湧現,結構健康監測必將成為保障重大橋樑工程結構服役安全的最有效手段之一。

作者 / 周文松

作者單位 / 哈爾濱工業大學


延伸閱讀

1991年人類把眼光聚焦到一塊隕石坑,他可能揭示

2018:馬斯克、貝索斯和布蘭森的太空旅行競賽

「當你凝視深淵,深淵也凝視著你」 NASA幫你測

在人類面前,鯊魚「弱」爆了,還能愉快地玩耍麼?

看起來非常萌萌噠,所以很多人都喜歡買一隻魔王松鼠


熱門內容

友善連結