許 穎， 牛 麗， 祖紅光

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

Ⅰ形鋼有橫向和縱向兩個對稱軸，故具有優(yōu)良的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于各種工程建筑、橋梁、支架和機械等方面[1]。焊接Ⅰ形鋼在翼緣與腹板的連接處受力復(fù)雜，這一部位是實際使用中最容易發(fā)生疲勞破壞的區(qū)域: 某廠平臺裝機軌道的疲勞破壞實例中，梁上翼緣與腹板連接焊縫全部開裂，梁上軌道因此下沉[2]。

在檢測鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷[3]方面，傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)存在一些不足: 磁粉和渦流檢測只能檢測到表面的缺陷[4-5]；滲透法只能檢測到表面開口的缺陷，并且檢測成本較高[6]；射線法雖然比較方便，但是對身體傷害很大。近年來出現(xiàn)了很多新興的無損檢測方法[7]，但是目前發(fā)展還不是很成熟。超聲波法是目前使用最廣泛的鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷檢測技術(shù)，具有穿透性好、靈敏度高、成本較低、對人體無害等特點。其中沖擊回波法是超聲檢測中常用的一種方法，它利用小錘或者小鋼球輕敲結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生低頻應(yīng)力波，應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)體內(nèi)傳播，遇到損傷或結(jié)構(gòu)界面發(fā)生反射，反射波被沖擊點附近的傳感器接收，通過對接收信號的時頻域分析可得到結(jié)構(gòu)厚度和損傷位置等信息[8-10]。

本文將能激發(fā)寬頻信號[11]的沖擊回波法和光纖傳感器相結(jié)合，提出一種沖擊-光纖無損檢測技術(shù)，與壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramic Transducer, PZT)傳感器[12]相比具有以下優(yōu)點: ①光纖靈敏度相比于其他傳感器靈敏度很高[13]，檢測數(shù)量級可以達到納米，能捕捉到極小的應(yīng)變變化；②在實際工程中，本文所述方法可以預(yù)先將光纖沿梁的長度方向粘貼在鋼梁表面，這種檢測方法適用于只能接觸鋼梁一個表面的情況，因為在實際工程中，損傷多發(fā)生在梁上翼緣與腹板連接處，而上翼緣連接著橋板，不可直接放置檢測設(shè)備；③檢測過程中沖擊荷載只需用力錘敲擊梁翼緣表面，具有檢測快速、數(shù)據(jù)處理方便[14]等優(yōu)點，而傳統(tǒng)的脈沖超聲法則需要在激勵設(shè)備和鋼梁以及接受設(shè)備和鋼梁表面之間加耦合劑，操作繁瑣且耦合效果不好，經(jīng)常會導(dǎo)致激勵信號太弱而無法有效傳遞到鋼梁。 所以本文所述檢測方法較適合土木工程粗放型作業(yè)的要求，能克服傳統(tǒng)無損檢測方法的不足，提高檢測效率，便捷快速地檢測到疲勞損傷的發(fā)生，及時采取補救措施， 從而避免災(zāi)難的發(fā)生。

1 沖擊-光纖檢測技術(shù)原理

當(dāng)鋼梁內(nèi)無損傷時，應(yīng)力波在鋼梁上下翼緣表面來回反射，上下兩界面均為鋼-空氣界面，每次反射后其相位都會發(fā)生改變。波在梁上下界面發(fā)生反射的情況如圖1所示，實線表示壓縮波，虛線表示拉伸波，沖擊荷載產(chǎn)生的原始P波都是壓縮波，從圖中可以看出，經(jīng)底面反射到達沖擊面的P波都是拉伸波，壓縮波在界面上產(chǎn)生向外位移，而拉伸波在界面上產(chǎn)生向內(nèi)位移。設(shè)初始波為P，到達底面的奇次反射波3P，5P，7P是壓縮波，到達沖擊面的偶次反射波2P，4P，6P是拉伸波。在沖擊點和P波經(jīng)一次反射到達沖擊面的波2P傳播的距離為兩倍梁高2D，經(jīng)歷時間t=2D/Cp，并且隨后到達沖擊面的波4P，6P為等間隔，因此，P波每次到達沖擊面引起的上表面位移呈周期性，t為周期，頻率為

(1)

式中:D為梁高；fD為應(yīng)力波在在Ⅰ形梁上下翼緣表面多次反射的頻率；CP為波在鋼梁中的傳播速度。該公式為沖擊回波法檢測鋼梁損傷的核心。

圖1 沖擊回波法檢測原理圖Fig.1 Shock echo method schematic diagram

沖擊-光纖檢測法是在應(yīng)力波頻譜分析的基礎(chǔ)上用光纖干涉儀來檢測損傷的方法，沖擊荷載使梁內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波，粘貼在構(gòu)件表面的光纖傳感臂接收應(yīng)力波信號，經(jīng)信號解調(diào)和信號處理技術(shù)得到信號頻譜，對頻譜進行分析確定梁內(nèi)損傷的位置及尺寸。圖2為Ⅰ形鋼梁的檢測結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 Ⅰ形鋼梁損傷檢測結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of damage detection for steel Ⅰ-beam structure

如圖2中a點所示，激勵作用在上翼緣中心線位置。如圖2中AB所示，干涉儀的傳感臂粘貼在Ⅰ形截面梁的上表面用來檢測其動應(yīng)變。當(dāng)激勵不在損傷上方時，應(yīng)力波在Ⅰ形鋼梁上下翼緣表面來回反射，在頻譜上產(chǎn)生一個主頻fD，當(dāng)激勵在損傷上方時，主要產(chǎn)生兩個反射波，一個仍為應(yīng)力波在梁上下翼緣表面的來回反射，第二個為應(yīng)力波在梁內(nèi)損傷處和上翼緣表面間的來回反射，此主頻為

(2)

式中:d為上翼緣表面和損傷之間的距離;fd為應(yīng)力波在上翼緣表面和損傷之間多次反射產(chǎn)生的頻率。注意在實驗中采集到的信號會受環(huán)境干擾，應(yīng)力波遇到其他界面反射也會對其造成一定的影響，信號的去噪將在3.2進行詳細闡述。

在上述力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，損傷的位置可按照以下的方法確定: 計算出超聲波在鋼梁中的傳播速度Cp， 通過式(1)和式(2)得到兩種主頻fD和fd， 如果在頻譜中發(fā)現(xiàn)fd處有較大峰值，那么敲擊所對應(yīng)位置即為梁的損傷位置。

2 有限元分析

2.1 有限元模型參數(shù)

(1) 單元網(wǎng)格尺寸

網(wǎng)格劃分的基本準(zhǔn)則是在波的傳播方向上，單元網(wǎng)格[15]劃分尺寸Δx不低于最小波長的1/20。 根據(jù)應(yīng)力波波長，頻率及波速之間的關(guān)系，取波速[16]v=CP=5 944 m/s，最終得到單元網(wǎng)格尺寸Δx≤3.96 mm。 在滿足ANSYS的應(yīng)力梯度條件，并且保證計算效率的前提下，最終選取Δx=3.5 mm。網(wǎng)格劃分在損傷處局部加密，加密單元網(wǎng)格尺寸取整體模型尺寸的1/4。

(2) 積分時間步長

在用ANSYS軟件求解波動問題時，積分步長應(yīng)滿足以下兩個條件: ①Δt應(yīng)小到當(dāng)波在單元之間傳播時足以捕捉到波動效應(yīng)[17]； ②滿足Newmark積分法中對于步長的規(guī)定。另一方面，本課題需要將位移時程曲線進行快速傅里葉(FFT)變換得到時域信號，F(xiàn)FT變換后的頻域圖分辨率與Δt成反比， 如果Δt取得太小，將會導(dǎo)致頻域圖分辨率太低，影響損傷位置判斷精度。

2.2 建立Ⅰ形鋼梁三維有限元模型

采用ANSYS有限元分析軟件進行數(shù)值模擬。鋼材密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比σ=0.3, 彈性模量E=2.06×1011Pa， 三維Ⅰ形鋼梁實體選用八節(jié)點Solid185單元。Solid185單元為一次單元，單元質(zhì)量均勻分配到節(jié)點上，適合模擬波的傳播。網(wǎng)格劃分尺寸為3.5 mm，模型兩端簡支約束(一端約束UX，UY，UZ，ROTX，另一端約束UX，UZ)，模型如圖3(a)所示。為了方便實驗制作，更為了清晰區(qū)分超聲在損傷界面反射及在梁上下翼緣表面來回反射的信號，本文采用貫穿式損傷來模擬疲勞損傷。圖3(b)為通過布爾運算構(gòu)造的跨中貫穿式疲勞損傷(疲勞損傷在寬度方向上擴展至貫穿腹板的整個厚度方向[18-19])細部圖。疲勞損傷與一般損傷的最大區(qū)別在于隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞中的損傷存在一個累積的過程。本文為了模擬方便，所以在每個模型中損傷的大小是確定的，通過采用帶有不同長度貫穿式損傷的模型來模擬貫穿式損傷在長度方向上的擴展情況。這個貫穿式損傷存在一定局限性，其原因是: ①真實的疲勞損傷不規(guī)則；②真實疲勞損傷是動態(tài)損傷，從非貫穿式慢慢發(fā)展直至變成貫穿式損傷。

圖3 Ⅰ形鋼梁三維建模和疲勞損傷細部Fig.3 Steel Ⅰ-beam 3D model and fatigue damage detail

2.3 不同截面Ⅰ形鋼梁跨中損傷可測性

三維模擬采用在Ⅰ形梁上翼緣直接施加半個周期的正弦沖擊來模擬實驗中小錘敲擊產(chǎn)生的沖擊波。采用互相關(guān)法求解模型中應(yīng)力波波速為5 208 m/s。

為了表明沖擊-光纖法檢測Ⅰ形鋼梁翼緣與腹板交接處疲勞損傷的普適性，本節(jié)對帶有不同個數(shù)、長度、和位置損傷的不同截面Ⅰ形鋼梁進行損傷檢測。數(shù)值模擬中選擇5根不同型號鋼梁進行研究分析，其中1～3號Ⅰ形鋼梁模型尺寸與實驗相同，梁長1 m，損傷位于Ⅰ形梁腹板與下翼緣交接處。Ⅰ形梁的橫截面尺寸參數(shù)如表1所示，Ⅰ形鋼梁損傷位置、長度和個數(shù)匯總?cè)绫?所示，單位為mm，損傷厚度均為0.5 mm。

表1 Ⅰ形梁橫截面尺寸表Tab.1 Cross-section size of Ⅰ-beam

表2 Ⅰ形鋼梁損傷位置及長度匯總表Tab.2 Location and length of damage of steel Ⅰ-beams

1號、2號、3號梁分別在損傷正上方(跨中)和距離損傷正上方中心250 mm處上翼緣表面施加激勵荷載，激勵形式同本章前文所述；4號和5號梁由于梁高較大，在四分之一跨處，應(yīng)力波比較容易受邊界影響，所以選擇在跨中和梁右側(cè)距離跨中150 mm處激勵。提取上翼緣表面處沿梁長度方向兩節(jié)點位移差時程曲線來模擬光纖接收信號，經(jīng)FFT變換得到各截面尺寸Ⅰ形梁對應(yīng)的頻譜，圖4為2號梁檢測信號頻譜。

圖4 2號Ⅰ形梁(有損及無損)頻譜圖Fig.4 Frequency spectrum of No.2 Ⅰ-beam with or without mid-span damage

在荷載激勵下，不同截面Ⅰ形梁頻譜圖中對應(yīng)的主頻可由式(1)和式(2)得到理論計算值。鋼梁響應(yīng)所選取的頻段可根據(jù)理論算出的主頻fD和fd來選擇。當(dāng)激勵源位于損傷上方時，根據(jù)理論計算頻譜中將出現(xiàn)21.7 kHz和23.35 kHz兩個峰值；當(dāng)激勵源不在損傷上方時，頻譜中應(yīng)僅有21.7 kHz一個峰值。從圖4(a)和圖4(b)有損梁不同激勵位置頻譜比較可以看出，當(dāng)激勵源位于有損梁損傷上方時，頻譜中出現(xiàn)23.25 kHz和21.5 kHz兩個較大峰值，23.25 kHz對應(yīng)理論中的fd，且23.25 kHz的幅值比21.5 kHz的幅值大很多；當(dāng)激勵源不在損傷上方時，頻譜圖中只有21.75 kHz一個較大峰值。為了排除激勵點位置對檢測結(jié)果的造成影響的可能性，本文還在完整梁相應(yīng)位置施加相同激勵，得到對應(yīng)頻譜如圖4(c)和圖4(d)所示。從圖4(c)和圖4(d)可以看出，在完整梁中激勵時，不同激勵位置所得到的頻譜圖的峰值頻率只有一個，且數(shù)值與fD基本一致，不會隨著激勵點位置的變化而變化，因此數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算值基本吻合，驗證了模型的可靠性，也說明了當(dāng)激勵源在沿梁長方向逐點施加時，可以根據(jù)頻譜中是否出現(xiàn)峰值較大的fd頻率來判斷I型梁是否存在損傷以及損傷的位置。

表3為位于跨中長度為100 mm損傷檢測結(jié)果匯總，可以看出，當(dāng)損傷長度為100 mm，厚度為0.5 mm時， 5種不同型號的梁均能檢測到損傷的存在。

表3 100 mm長跨中損傷模擬結(jié)果匯總Tab.3 Mid-span 100 mm damage simulation results

2.4 不同截面Ⅰ形鋼梁非跨中損傷可測性

建立損傷位于非跨中處鋼梁三維有限元模型，梁尺寸和損傷信息參照表1和表2，分別在損傷正上方(四分之一跨處或者距離跨中0.15 m處)和跨中處梁上翼緣表面施加激勵，得到不同截面Ⅰ形梁的頻譜，圖5為帶有100 mm損傷的2號梁檢測頻譜，從圖中可以看出，當(dāng)激勵遠離損傷處時頻譜中峰值對應(yīng)的頻率為波在梁上下翼緣來回反射形成的主頻；當(dāng)激勵位于損傷上方時，得到的頻譜中較大峰值所對應(yīng)的頻率比激勵不在損傷上方時要大，此峰值就是波在Ⅰ形鋼梁上翼緣與損傷處來回反射的主頻。將圖5和圖4對比可知，當(dāng)損傷位于非跨中位置時，得到的頻譜更為復(fù)雜。但仍然可以較清晰判斷主頻的位置。

表4為損傷在梁四分之一跨處或距離跨中0.15 m處不同截面梁的檢測結(jié)果匯總，可以看出本文提出的檢測方法對于損傷位于非跨中處仍然適用。

圖5 2號梁損傷位于非跨中處頻譜圖Fig.5 Frequency spectrum of No.2 Ⅰ-beam with non-mid-span damage

表4 四分之一跨損傷模擬結(jié)果匯總Tab.4 Quarter-span damage simulation results

2.5 Ⅰ形鋼梁多個損傷的可測性

根據(jù)表1和表2建立損傷同時位于跨中和梁四分之一跨(或者距離跨中0.15 m)處的鋼梁三維有限元模型。分別在損傷正上方(跨中和右四分之一跨處)以及遠離損傷處(距離損傷0.15 m以外)梁上翼緣表面施加激勵，得到不同截面梁的頻譜圖，圖6為2號梁存在多個損傷時在不同激勵點位置的頻譜。

當(dāng)激勵分別位于梁跨中損傷正上方和非跨中損傷正上方時，其結(jié)果如圖6(a)和圖6(b)所示，頻譜中會出現(xiàn)兩個主頻，其中幅值較大的主頻對應(yīng)fd, 能反應(yīng)損傷的存在和位置信息；當(dāng)激勵遠離兩個損傷時，其結(jié)果如圖6(c)所示，頻譜中只有一個主頻，該主頻對應(yīng)fD, 反應(yīng)了梁高度信息。本課題分別對1～5號Ⅰ型梁進行了數(shù)值模擬，驗證了本方法對同時存在多個梁損傷的可測性，由于篇幅有限，此處不再敖述。

圖6 2號梁多個損傷頻譜圖Fig.6 Frequency spectrum of No.2 Ⅰ-beam with multi-damages

2.6 損傷的最小可檢測長度數(shù)值解

對梁高0.1～0.18 m的有損梁進行損傷檢測，損傷長度采用二分法逐漸變小，當(dāng)損傷位于跨中位置時可以得到如圖7所示損傷最小可檢測長度隨梁高度變化的關(guān)系曲線，從圖中可見，對梁高0.1 m的Ⅰ型鋼梁，理論上可檢測到的最小損傷長度為25 mm。圖中虛線為模擬數(shù)值曲線的線性擬合，從擬合結(jié)果來看，損傷最小可檢測長度隨梁高的增大而逐漸變大，且成一定的線性關(guān)系，即梁高越高，能夠檢測到的最小損傷尺寸越大。對于損傷位于非跨中位置以及多個梁損傷的情況，得到和圖7類似的關(guān)系曲線。

圖7 損傷最小可檢測長度隨梁高變化關(guān)系曲線Fig.7 The relationship curve between the minimum detectable length of damage and the beam height

2.7 損傷測量精度

聲場的指向性和擴散性，使損傷長度的測量存在一定的誤差。測量精度可定義為損傷可被感應(yīng)范圍(損傷檢測長度)與損傷實際長度之差的絕對值。分別對梁高0.1 m和梁高0.14 m的跨中損傷梁進行檢測。模型的建立以及檢測方法同前文所述，激勵點從損傷正中心逐漸向兩端移動。由于模型具有對稱性，模擬中只研究梁右半跨。表5為損傷測量精度分析表，從模擬結(jié)果可知，損傷的測量誤差為10 mm左右，是一個絕對值，損傷長度的誤差不隨梁高和損傷實際長度而變化。

表5 損傷長度的測量精度分析表Tab.5 Accuracy analysis of damage length

3 實驗研究

3.1 實驗儀器與實驗布置

實驗中使用力錘敲擊梁上翼緣表面中心產(chǎn)生寬頻沖擊荷載，通過M-Z光纖干涉儀進行信號接收與解調(diào)。M-Z光纖干涉儀由分束器構(gòu)成，當(dāng)相干光從輸入端輸入后，輸出端的兩根基本相同長度的光纖會在匯合處產(chǎn)生干涉，形成干涉場，而干涉場的干涉條紋與輸出端的夾角及光程差相關(guān)。若固定夾角，則外界條件的改變將直接影響干涉場的干涉條紋并引起光程差即相位差的變化，通過相位差變化可分析出外界因素的變化情況。定義粘貼在鋼梁部分光纖傳感臂長度為L，則本文中光纖干涉儀所測量的參量為粘貼在鋼梁部分光纖長度的變化量ΔL，ΔL與相位差成正比。由文獻[14]可知，總相位變化和由超聲脈沖引起的應(yīng)力波所產(chǎn)生的動力應(yīng)變直接有關(guān)。實驗示意圖如圖8所示。被測梁以簡支梁形式放置，在腹板/翼緣連接處構(gòu)造人為損傷，損傷厚度為0.5 mm。跟數(shù)值模型一致，疲勞損傷放在下翼緣/腹板連接處，而激勵沿著梁的上翼緣表面移動，干涉儀的傳感臂通過雙面膠粘貼在I 形鋼梁的上表面用來檢測其動應(yīng)變。

圖8 實驗示意圖Fig.8 Experiment schematic diagram

根據(jù)實驗簡圖連接實驗設(shè)備，連接后的實物圖如圖9所示。光纖干涉儀將接收到的信號輸入計算機，通過計算機Appl-one軟件將信號輸出。

圖9 實驗布置圖Fig.9 Experiment layout

3.2 信號采集與處理

光纖傳感系統(tǒng)采樣頻率設(shè)為150 kHz，采樣時間為5 s。通過光纖傳感器對實驗室環(huán)境噪音進行信號采集，發(fā)現(xiàn)采集到的主要為低頻信號，其中在49.5 Hz的地方有一個明顯的峰值，此頻率為實驗室的主要噪音頻率。由于本文所進行的損傷檢測中，我們所關(guān)心的頻率在10～35 kHz的高頻區(qū)域，與實驗室環(huán)境低頻噪音差距較大，故可通過對0～100 Hz低頻濾波器對實驗室環(huán)境噪音信號進行信號去噪。

圖10(a)為原始信號時域圖。對原始信號選取有效時間振動信號后去除低頻趨勢項，再進行小波濾波，將最終得到的時域圖進行FFT變化得到信號頻譜。從信號頻譜中可以看到兩個明顯的峰值，如圖10(b)所示。

從圖10中發(fā)現(xiàn)實驗頻譜曲線中有較多其他頻率峰值，不過它們都不在fd頻率處，且從圖10可見這些頻率幅值相對于fD和fd都較小，因此對本文的可測性影響不大；另外，本文檢測方法是有參考檢測法，即在對損傷位置未知的梁進行檢測時，可通過數(shù)值模擬或者實驗方法獲得完整梁的頻譜圖作為參考。如果被檢測梁在某激勵點下的頻譜圖和完整梁基本相同，則認為在此激勵點下沒有損傷存在；如果被檢測梁在某激勵點下的頻譜圖中在頻率fd附近出現(xiàn)完整梁頻譜圖沒有的且幅值較大的主頻，則可初步認為在此激勵點附近存在損傷。

圖10 原始信號時域圖以及處理后信號頻譜圖Fig.10 Original time-domain signal and frequency spectrum of processed signal

3.3 不同尺寸Ⅰ形鋼梁疲勞損傷檢測

實驗中采用的Ⅰ形鋼尺寸參照表1中1～3號梁尺寸， 損傷的個數(shù)、長度及位置如表2所示。

實驗時用力錘分別在損傷正上方和遠離損傷處敲擊，為了能更好地檢測到損傷的存在，在損傷處敲擊時，將激勵加載點選在損傷正上方中心處，遠離損傷處激勵點應(yīng)同時滿足不受梁兩端邊界干擾和不受損傷干擾的條件，這里我們選距離損傷0.15～0.25 m同時距離梁兩端邊界0.2～0.25 m的幾個點施加激勵。

圖11為損傷長50 mm時1～3號梁試件的檢測結(jié)果頻譜圖，其結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，從圖中可以看出，當(dāng)力錘敲擊遠離損傷時，檢測結(jié)果頻譜中僅出現(xiàn)一個比較大的峰值，此峰值對應(yīng)的頻率為應(yīng)力波在梁上下翼緣表面來回反射的頻率fD，說明在這些位置不存在損傷；當(dāng)力錘敲擊位于損傷正上方時，得到的檢測結(jié)果頻譜中除了fD以外，還會出現(xiàn)另一個更大的峰值，此峰值對應(yīng)的頻率為應(yīng)力波在梁上翼緣表面與損傷界面之間來回反射的頻率fd，此時敲擊所對應(yīng)位置即為損傷位置。

圖11 跨中損傷50 mmⅠ形鋼梁頻譜圖Fig.11 Spectrum of 50 mm damage at mid-span of the Ⅰ-beam

表6為位于跨中長度為50 mm損傷時檢測結(jié)果，可以看出，對于三種不同型號Ⅰ形梁，均能檢測到損傷的存在以及位置。但當(dāng)損傷長度為30 mm時，對于三種不同型號Ⅰ形梁，無論激勵施加在損傷上方還是遠離損傷處，得到的信號頻譜中都只有一個峰值fD，可認為采用本文所述檢測方法在實際應(yīng)用中對長度為30 mm以下的損傷敏感性不足，不能準(zhǔn)確找到損傷位置。因此本實驗方法對于梁高為1～1.5 m的Ⅰ型梁可檢測損傷最小長度為30 mm左右。這個結(jié)果和前文中的2.6數(shù)值分析結(jié)果基本一致。

表6 50 mm長跨中損傷檢測結(jié)果分析表Tab.6 50 mm mid-span damage detection results

損傷位于四分之一跨位置以及梁內(nèi)同時存在兩處損傷時鋼梁的檢測結(jié)果見表7和表8， 從表7和表8可知這兩種情況與損傷位于跨中位置大致相同，可認為采用沖擊-光纖法對Ⅰ形鋼梁疲勞損傷進行實驗檢測時，能較準(zhǔn)確檢測到表2中所列情況損傷的存在以及位置。

表7 50 mm四分之一跨損傷檢測結(jié)果分析表Tab.7 50 mm 1/4-span damage detection results

表8 100 mm多個梁損傷檢測結(jié)果分析表Tab.8 100 mm multi-damage detection results

3.4 光纖粘貼位置對檢測的影響

本章前面部分實驗均是將光纖粘貼在梁上翼緣表面位置進行損傷檢測，實驗發(fā)現(xiàn)光纖粘貼位置對于檢測結(jié)果具有一定的影響，本節(jié)通過實驗來探究光纖粘貼位置對于梁損傷檢測結(jié)果的影響。這里僅對1～3號三種型號梁長度為100 mm的跨中損傷進行探究，通過信號頻譜圖來觀察當(dāng)光纖粘貼在腹板不同位置時對損傷可測性影響。光纖粘貼位置如圖12所示，分別將光纖粘貼在梁中性軸處的腹板表面以及距離上下翼緣四分之一梁高處腹板表面，用力錘敲擊梁上翼緣損傷正上方，經(jīng)信號采集以及處理后，得到1號梁光纖粘貼在不同位置時實驗信號頻譜如圖13所示。

圖12 光纖粘貼位置示意圖Fig.12 Fiber position schematic diagram

從圖13中可以看出，對于1號梁，當(dāng)光纖粘貼在腹板3H/4處和腹板H/4處時也能檢測到損傷的存在，且頻譜圖中主頻和光纖粘貼在梁上翼緣表面中心處基本相同；當(dāng)光纖粘貼在腹板H/2處時，得到的信號頻譜圖中僅有一個峰值，此峰值對應(yīng)頻率為應(yīng)力波在梁上下翼緣表面來回反射形成的主頻，即這種粘貼位置對損傷的存在不敏感。

圖13 1號梁光纖粘貼在不同位置時實驗信號頻譜Fig.13 Frequency spectrum of different optical fiber positions of No.1 beam from experiment

為了驗證實驗結(jié)果的可靠性，通過有限元模型進行了數(shù)值分析。圖14為通過二維模擬得到的1號梁光纖粘貼在不同位置時數(shù)值信號頻譜圖，從圖中可以看出光纖粘貼在梁上翼緣表面、腹板3H/4處和腹板H/4處均能檢測到損傷的存在，而當(dāng)光纖粘貼在腹板H/2時無法通過頻譜判斷損傷的存在，模擬結(jié)果與實驗具有一致性，即當(dāng)光纖粘貼在腹板中部時，本檢測方法對損傷的存在不敏感。這可能是因為當(dāng)光纖粘貼在腹板中部時，光纖的位置接近Ⅰ型鋼梁的中性軸位置，中性軸位置既不受拉也不受壓，故對應(yīng)力變化不敏感，因此，在檢測條件允許情況下，光纖位置盡可能不要粘貼在腹板中部。

圖14 1號梁光纖粘貼在不同位置時數(shù)值信號頻譜Fig.14 Frequency spectrum of different optical fiber positions of No.1 beam from numerical analysis

4 結(jié) 論

(1) 數(shù)值模擬和實驗研究結(jié)果表明，本文所述方法對于不同型號的Ⅰ形梁跨中損傷、非跨中損傷以及梁內(nèi)多個損傷均具有可測性。當(dāng)力錘沿梁長敲擊在非損傷位置上方時, 在頻譜中只有一個主頻，此主頻對應(yīng)應(yīng)力波在梁上下翼緣表面來回反射的頻率fD；當(dāng)力錘沿梁長敲擊在損傷位置上方時, 在頻譜中除了存在梁上下翼緣表面來回反射的頻率fD外，還會增加另外一個主頻，此主頻對應(yīng)應(yīng)力波在梁上翼緣表面與損傷界面之間來回反射的頻率fd，通過此時額外增加的主頻可判斷損傷的存在和位置(長度方向) 。

(2) 數(shù)值模擬和實驗檢測結(jié)果表明，本文所述檢測方法對于梁高為1～1.5 m的Ⅰ型梁可檢測損傷最小長度為30～50 mm左右，且損傷最小可檢測長度與梁高大致成線性關(guān)系，這一現(xiàn)象無論當(dāng)損傷位于梁跨中、非跨中還是梁內(nèi)存在多處損傷時都同樣存在；損傷檢測長度的絕對誤差在10 mm以內(nèi)。

(3) 通過實驗和數(shù)值模擬研究了光纖粘貼位置對檢測的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光纖粘貼在梁上翼緣表面、腹板3H/4處和腹板H/4處均能檢測到損傷的存在，而當(dāng)光纖粘貼在腹板中部時，本檢測方法對損傷的存在不敏感。因此，在檢測條件允許情況下，光纖位置盡可能不要粘貼在腹板中部。