陳勝軍, 吳 成, 張?zhí)焓妫?張啟迪, 吳錦麗
(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;3.合肥工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院,安徽 合肥 230601)
隨著橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng),以及各種自然環(huán)境因素的影響,橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能會(huì)不斷地下降,甚至發(fā)生破壞[1]。因此,需要使用科學(xué)的監(jiān)測(cè)方法來(lái)實(shí)時(shí)地對(duì)橋梁的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能,及時(shí)地識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的位置和程度,從而制定維護(hù)計(jì)劃,來(lái)保證運(yùn)營(yíng)過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)的安全、可靠和穩(wěn)定[2]。
近年來(lái),結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(structural health monitoring, SHM)在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用,旨在對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷與安全狀態(tài)及其演化規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、識(shí)別和評(píng)估[3],其形式可以分為全局監(jiān)測(cè)和局部監(jiān)測(cè)[4]。全局監(jiān)測(cè)一般是通過(guò)全橋布置的傳感器來(lái)獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),以動(dòng)力響應(yīng)的信息來(lái)評(píng)估橋梁的整體狀態(tài);而局部監(jiān)測(cè)主要是使用無(wú)損測(cè)試技術(shù),在結(jié)構(gòu)損傷熱點(diǎn)區(qū)域的布置傳感器,更加準(zhǔn)確地識(shí)別結(jié)構(gòu)的局部損傷。目前大型橋梁的健康監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估通常是以全局監(jiān)測(cè)為主,局部監(jiān)測(cè)為輔的方式來(lái)進(jìn)行[5]。隨著橋梁健康監(jiān)測(cè)近40年的發(fā)展,雖然監(jiān)測(cè)手段和方式不斷地進(jìn)步,但還是存在著不足,如何將全局監(jiān)測(cè)和局部監(jiān)測(cè)有機(jī)結(jié)合、利用有限的傳感器數(shù)量獲取高質(zhì)量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、充分挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的結(jié)構(gòu)信息、提升結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的精度和準(zhǔn)確性是未來(lái)橋梁健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向[6-8]。
聲發(fā)射技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在機(jī)械、航空航天、土木工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和研究,具有無(wú)須超聲波激勵(lì)、對(duì)損傷敏感度高、受幾何構(gòu)造影響小、探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì),適用于結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的損傷監(jiān)測(cè),在橋梁的健康監(jiān)測(cè)具有較高的應(yīng)用潛力。因此,本文從現(xiàn)有的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)出發(fā),綜述現(xiàn)有的基于聲發(fā)射技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測(cè)研究成果,并提出聲發(fā)射技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用難點(diǎn)與發(fā)展方向。
1.1.1 加速度
基于加速度的監(jiān)測(cè)方式利用加速度傳感器采集加速度信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)損傷監(jiān)測(cè),Anshuman Kunwar等[9]提出了利用動(dòng)力加速度響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法。通過(guò)加速度響應(yīng)可以分析橋梁損傷的存在情況,但是結(jié)果易受噪聲等因素的影響。
1.1.2 動(dòng)應(yīng)變
基于動(dòng)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)方式利用動(dòng)應(yīng)變來(lái)識(shí)別出橋梁的振動(dòng)變形,從而實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)。主要存在兩種方法,一種為擬靜力變形測(cè)量法,該方法認(rèn)為可以通過(guò)動(dòng)應(yīng)變來(lái)反算出對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng);另一種方法為基于位移-應(yīng)變傳遞函數(shù)方法[10],該方法利用應(yīng)變模態(tài)與位移模態(tài)獲得對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移-應(yīng)變傳遞函數(shù),進(jìn)而獲取結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變形。同時(shí),利用動(dòng)應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)橋梁動(dòng)撓度識(shí)別[11]的間接的監(jiān)測(cè)方式也具有可行性。
1.1.3 圖像識(shí)別
基于圖像識(shí)別的監(jiān)測(cè)方式運(yùn)用設(shè)備采集圖像來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁表面裂縫情況,現(xiàn)有的自動(dòng)監(jiān)測(cè)裂縫的圖像處理方法有快速Haar變換(FHT)、Sobel和Canny算子、快速傅里葉變換等。目前采用圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁損傷的監(jiān)測(cè)[12]是切實(shí)可行的,但是存在難以監(jiān)測(cè)橋梁內(nèi)部損傷的缺陷。
1.2.1 紅外線熱像儀檢測(cè)技術(shù)
基于紅外線熱像儀檢測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)方式利用所監(jiān)測(cè)橋梁的表面溫度、紅外輻射與材料特性的內(nèi)在聯(lián)系,收集紅外輻射時(shí)橋梁表面的溫度等相關(guān)信息,并使用紅外熱像儀將輻射信息轉(zhuǎn)換為熱像圖[13],從而監(jiān)測(cè)出橋梁結(jié)構(gòu)上存在的不連續(xù)缺陷。該方法存在易受環(huán)境因素影響、分辨率易受覆蓋層厚度影響的缺點(diǎn)。
1.2.2 感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)
基于感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)的橋梁監(jiān)測(cè)方式的重點(diǎn)為超聲波深度的應(yīng)用。該技術(shù)可以通過(guò)比較超聲波在穿透所監(jiān)測(cè)橋梁后穿透能力的改變情況來(lái)判斷橋梁的損傷情況,還可以通過(guò)對(duì)比超聲波在所監(jiān)測(cè)橋梁表面的反射情況來(lái)推斷橋梁結(jié)構(gòu)的均勻性與內(nèi)部孔洞等損傷狀況。該方法存在著難以對(duì)缺陷進(jìn)行定量判斷以及需要統(tǒng)計(jì)并處理相關(guān)數(shù)據(jù)的問(wèn)題。
1.2.3 無(wú)線電檢測(cè)技術(shù)
基于無(wú)線電檢測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)方式利用對(duì)無(wú)線電[14]發(fā)射頻率等信息的測(cè)量,主要可以監(jiān)測(cè)橋梁的應(yīng)力波情況,從而判斷橋梁的具體損傷情況。該方法還適用于對(duì)橋梁的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
1.2.4 光纖傳感器技術(shù)
基于光纖傳感器技術(shù)的監(jiān)測(cè)方式利用光纖傳感器測(cè)量橋梁的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特性等信息[15],從而判斷所監(jiān)測(cè)橋梁的損傷情況。光纖傳感器在橋梁的應(yīng)變測(cè)量中得到結(jié)果的差值較小,因此可以獲取具體的損傷位置等情況[16]。該技術(shù)的成本較高,因而應(yīng)用并不廣泛。
由于受到外力或者內(nèi)力的作用,材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部局部能力的快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱(chēng)之為聲發(fā)射[17]。聲發(fā)射波沿著固體介質(zhì)傳播,可以通過(guò)相應(yīng)設(shè)備獲取信號(hào),通過(guò)對(duì)電信號(hào)的分析和處理,便能推斷出材料內(nèi)部的變化情況。聲發(fā)射源是在應(yīng)力作用下發(fā)生變形與裂紋擴(kuò)展的材料,作為結(jié)構(gòu)失效的重要形式,這種直接和變形與斷裂機(jī)制有關(guān)的源,可以從本質(zhì)上反映結(jié)構(gòu)存在的缺陷信息。圖1給出了聲發(fā)射現(xiàn)象的信息傳遞及處理流程[18]。隨著科技的發(fā)展,通過(guò)傳感器、信號(hào)放大器等設(shè)備捕捉聲源,并根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn),采用相應(yīng)的采集和分析軟件,分析出橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部變化情況,從而達(dá)到健康監(jiān)測(cè)的目的。
圖1 聲發(fā)射信號(hào)采集原理圖
聲發(fā)射的信號(hào)可由傳感器、放大器等設(shè)備獲取?;趬弘娫淼穆暟l(fā)射傳感器具有合適的魯棒性和靈敏度,能夠滿足實(shí)際測(cè)試的需要[19]。通常情況下,聲發(fā)射信號(hào)可分為三種不同的類(lèi)型,分別為突發(fā)型、連續(xù)型以及兩種類(lèi)型相結(jié)合的混合型?,F(xiàn)有的處理聲發(fā)射信號(hào)的方法主要為波形分析方法和參數(shù)分析方法:波形分析方法直接對(duì)信號(hào)的波形進(jìn)行分析,研究其中包含的相關(guān)信息;參數(shù)分析法則是根據(jù)信號(hào)的一些特征參數(shù),通過(guò)建立相關(guān)損傷機(jī)理,來(lái)分析結(jié)構(gòu)損傷的情況。
聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是被動(dòng)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)技術(shù),對(duì)線性缺陷較為敏感,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到外加應(yīng)力下結(jié)構(gòu)缺陷的變化。聲發(fā)射探測(cè)到的能量來(lái)自被測(cè)試物體本身,不像超聲導(dǎo)波、射線法等需要外加激勵(lì)[20-22]。相對(duì)于紅外線熱像儀檢測(cè)技術(shù)、感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)以及無(wú)線電檢測(cè)技術(shù)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù),聲發(fā)射技術(shù)作為一種現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù),不易受被測(cè)對(duì)象幾何形狀影響,適用于各種復(fù)雜構(gòu)件的測(cè)試,同時(shí)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性以及實(shí)時(shí)性等特點(diǎn),能夠準(zhǔn)確地反映出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化。
由此可見(jiàn),聲發(fā)射技術(shù)能有效對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康診斷和損傷檢測(cè),可以發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確診斷結(jié)構(gòu)存在的損傷情況,對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定、剩余使用壽命預(yù)測(cè)和維修方案選擇具有重要意義,進(jìn)而到達(dá)評(píng)估結(jié)構(gòu)健康、提供預(yù)警、指導(dǎo)維修與加固等目的[23],在機(jī)械、航空航天、土木工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和研究。
對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁,細(xì)小裂縫產(chǎn)生與小裂縫的擴(kuò)展是聲發(fā)射信號(hào)的主要發(fā)生源。 聲發(fā)射信號(hào)在橋梁混凝土中傳播時(shí),幅值呈指數(shù)衰減[24]。S Ramadan等[25]使用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(stress corrosion cracking,SCC),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)共析鋼的聲發(fā)射信號(hào)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)有明顯的分區(qū)現(xiàn)象,如圖2所示。其中,A區(qū)對(duì)應(yīng)局部腐蝕,B區(qū)對(duì)應(yīng)裂紋增長(zhǎng),C區(qū)對(duì)應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)失效。
圖2 SCC實(shí)驗(yàn)中聲發(fā)射信號(hào)變化
郭健[26]提出了一種AE定量分析技術(shù),從傳感器直接檢測(cè)到的聲發(fā)射波解析出從聲發(fā)射源發(fā)出的原波,并介紹了一種使用射頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線傳感技術(shù),通過(guò)微粒自持式微電子機(jī)械式傳感系統(tǒng)(MEMS)綜合處理聲發(fā)射信號(hào),達(dá)到監(jiān)測(cè)大型混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)損傷的目的。
鋼結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度高、韌性與焊接好,逐漸成為橋梁等公共建設(shè)的主流材料。鋼結(jié)構(gòu)材料可以回收再利用,而且使用鋼結(jié)構(gòu)可以減少混凝土的用量,從而減少了在生產(chǎn)水泥過(guò)程中二氧化碳的排放,更加綠色環(huán)保[26]。在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中,除鋼板部分的失效外,焊接部分的損傷也是影響橋梁壽命的主要原因。
在鋼板部分,于洋等針對(duì)鋼板的腐蝕,提出了一種分型幾何學(xué)結(jié)合獨(dú)立分量分析的方法檢測(cè)鋼板的腐蝕程度。其中,獨(dú)立分量分析可以降低提取的聲發(fā)射信號(hào)中的噪音,分形幾何學(xué)方法難以受檢測(cè)者主觀判斷的影響,更加標(biāo)準(zhǔn)化[27]。
在焊接部分,汪文有等在復(fù)雜噪音的干擾下,成功提取了已開(kāi)裂焊縫的聲發(fā)射信號(hào)特征,并且發(fā)現(xiàn)突發(fā)性信號(hào)與裂縫的完整性之間有很大聯(lián)系[28]。
鋼-混凝土組合橋梁不僅結(jié)合了混凝土梁和鋼梁的優(yōu)勢(shì),又具備了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、施工便捷等優(yōu)點(diǎn),適合現(xiàn)有橋梁工程的發(fā)展方向,在橋梁工程建設(shè)中也取得了越來(lái)越多的應(yīng)用,市場(chǎng)前景良好。雖然擁有諸多優(yōu)勢(shì),但鋼-混組合梁也存在一定的問(wèn)題。鋼-混組合梁在使用過(guò)程中受到環(huán)境作用以及各種荷載作用,不同部位構(gòu)件會(huì)受到不同程度的損傷。其中就包括鋼梁的銹蝕、混凝土的開(kāi)裂、剪力連接件的松動(dòng)以及出現(xiàn)裂縫等一系列問(wèn)題。
針對(duì)在役鋼-混凝土組合橋梁,榮學(xué)亮利用聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)技術(shù),從微觀損失機(jī)理入手,基于無(wú)網(wǎng)格配點(diǎn)法建立結(jié)構(gòu)聲發(fā)射數(shù)值模型,再結(jié)合由試驗(yàn)建立了聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與鋼構(gòu)件疲勞損失之間的關(guān)聯(lián)度模型。該模型研究了組合梁橋栓釘連接件損失過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)特征,揭示其疲勞損傷演化機(jī)理。最后以鋼-混凝土組合梁橋作為研究對(duì)象,基于聲發(fā)射數(shù)值模型,建立了鋼-混組合梁橋疲勞損傷識(shí)別與橋梁健康監(jiān)測(cè)評(píng)估模型[29]。
橋梁拉索基本是由制繩鋼絲組成,鋼絲繩是一種多冗余結(jié)構(gòu)(multi-redundant stucture),能夠承受大量的分布式破壞。在組成橋梁拉索的鋼絲繩內(nèi),可檢測(cè)到的聲發(fā)射的主要來(lái)源包括斷線(wire breaks),線間微動(dòng)和腐蝕。聲發(fā)射技術(shù)在鋼絲繩應(yīng)用中最實(shí)際的應(yīng)用是斷線的檢測(cè)和定位,斷線能否成功檢測(cè)和定位的關(guān)鍵在于繩索的結(jié)構(gòu)、直徑、長(zhǎng)度和斷線的數(shù)量。大量斷線的出現(xiàn)不利于聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用,但是大量的斷線一般只可能在繩索樣本的疲勞測(cè)試實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生,實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)出現(xiàn)此類(lèi)情況[30]。
邵永波等[31]研究了制繩鋼絲在高疲勞過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)的變化情況,也存在明顯的三個(gè)階段,并在整個(gè)疲勞壽命中,裂紋的孕育合成核階段占70%,裂紋的擴(kuò)展占30%。李冬生等[32]對(duì)國(guó)內(nèi)某斜拉橋換下的服役18年的斜拉索進(jìn)行疲勞試驗(yàn),相較于其他直接在嶄新鋼絲上進(jìn)行疲勞試驗(yàn),分析了多齡期斜拉索的各階段聲發(fā)射信號(hào),確定了其聲發(fā)射源。何燕等[33]用斷絲因子圖檢測(cè)鋼絞線的斷裂,進(jìn)而用聲發(fā)射直線定位法和軟件預(yù)測(cè)了斷裂發(fā)生的位置與時(shí)間,誤差在5%上下。進(jìn)一步說(shuō)明了聲發(fā)射技術(shù)在橋梁拉索的損傷的監(jiān)測(cè)可以達(dá)到一定的精度[33]。
實(shí)時(shí)檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)聲發(fā)射波的意義在于由聲發(fā)射波的軌跡分析,捕捉到結(jié)構(gòu)在失效前的損傷演化規(guī)律,從而在結(jié)構(gòu)真正破壞前給出預(yù)警,為維修方案的確定提供依據(jù),維護(hù)橋梁的結(jié)構(gòu)安全[34]。
因此,對(duì)裂紋發(fā)生前的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)研究,充分挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的結(jié)構(gòu)信息,找出其中特征強(qiáng)、受干擾小的變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一種直接與傳感器信號(hào)實(shí)時(shí)連接的軟件或算法結(jié)構(gòu)將可對(duì)橋梁真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè),最大程度減少損失。
聲發(fā)射是一種有用的實(shí)驗(yàn)室工具,但是該技術(shù)在使用中的繩索等特殊結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用可能會(huì)受到限制。未來(lái)的工作需要集中在工業(yè)上最常用的繩索結(jié)構(gòu)上,以及開(kāi)發(fā)可以設(shè)計(jì)用于未來(lái)設(shè)備的斷線標(biāo)志。這可以通過(guò)窄帶濾波器實(shí)現(xiàn),將換能器的諧振頻率與斷線和模式識(shí)別軟件的主要頻率分量進(jìn)行匹配[19]。
多通道傳感器聲發(fā)射信號(hào)有機(jī)結(jié)合,綜合檢傷,此技術(shù)難點(diǎn)在于找到各聲發(fā)射信號(hào)之間存在的關(guān)系以及傳感器的布置方式對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響。聲發(fā)射技術(shù)是一種將全局監(jiān)測(cè)和局部監(jiān)測(cè)有機(jī)結(jié)合,利用有限的傳感器數(shù)量獲取高質(zhì)量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。傳感器的安裝位置與信號(hào)之間的聯(lián)系方式對(duì)精度與準(zhǔn)確度而言至關(guān)重要。
在大型橋梁中每時(shí)每刻都有數(shù)量龐大的聲發(fā)射源發(fā)出大量的聲發(fā)射波,因而開(kāi)發(fā)出廉價(jià)的傳感器系統(tǒng)與高效的聲發(fā)射波綜合處理系統(tǒng)是聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)與難點(diǎn)[34]。
利用聲發(fā)射信號(hào)能直接判定橋梁的損傷程度,建立通用的標(biāo)準(zhǔn)可以規(guī)范和促進(jìn)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的使用,直接根據(jù)收集或處理過(guò)的聲發(fā)射信號(hào)判定橋梁的損傷程度,從而制定修繕?lè)桨?,延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。
聲發(fā)射技術(shù)目前在混凝土橋、鋼結(jié)構(gòu)、斜拉索等橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和監(jiān)測(cè)中都得到了廣泛的研究,并在相關(guān)實(shí)際應(yīng)用中具有良好的環(huán)境適應(yīng)性與實(shí)時(shí)性,能夠反映結(jié)構(gòu)的損傷部位與受損程度,從而推測(cè)橋梁安全狀態(tài)及其損傷演化規(guī)律,在橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用潛力和前景。
聲發(fā)射技術(shù)作為一種現(xiàn)代的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),目前其在橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用和相關(guān)技術(shù)仍然存在著一定短板。雖在實(shí)驗(yàn)研究中取得了一定的成果,但在實(shí)地應(yīng)用的技術(shù)仍未成熟。針對(duì)這一問(wèn)題,本文提出了對(duì)于聲發(fā)射技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用難點(diǎn)與展望方向,闡述了現(xiàn)有的聲發(fā)射技術(shù)在各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型橋梁中的研究、實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中存在的困難以及難點(diǎn)蘊(yùn)藏的存在的發(fā)展前景,期望通過(guò)技術(shù)的提升、算法的改進(jìn)與規(guī)范的確立來(lái)完善聲發(fā)射技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,提高聲發(fā)射在橋梁健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的廣泛性、準(zhǔn)確性與規(guī)范性。