霍林生,田樹曉,王靖凱,羅明璋

(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室，大連 116024；2.長江大學(xué) 電子信息學(xué)院，荊州 434023)

鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、抗震性能好、易于施工等優(yōu)點，是大型土木工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的首選結(jié)構(gòu)。高強螺栓是鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點重要的傳力構(gòu)件[1]，其健康狀況直接影響鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在實際工程中，高強螺栓常直接暴露在環(huán)境中，使其在承受結(jié)構(gòu)應(yīng)力的同時也會發(fā)生腐蝕。在應(yīng)力和腐蝕的共同作用下，高強螺栓常會出現(xiàn)突然斷裂失效的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力銹蝕斷裂[2]。盡管研究人員對高強螺栓應(yīng)力銹蝕斷裂的機理已經(jīng)形成了一定的共識[3]，但是螺栓在斷裂前釋放的信號能量有限，很難被傳統(tǒng)的監(jiān)測手段捕捉到，致使目前尚無有效的措施能夠預(yù)警高強螺栓的斷裂。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，通過接收材料因破壞而產(chǎn)生的應(yīng)力波來監(jiān)測材料的損傷程度[4-5]。相比于傳統(tǒng)的主動檢測技術(shù)，聲發(fā)射技術(shù)具有靈敏度高、可以長時間實時監(jiān)測等優(yōu)點[6]，被廣泛應(yīng)用于土木[7-8]、機械[9]、煤礦[10]和航天[11]等領(lǐng)域，也可用于高強螺栓的損傷監(jiān)測[9]。 URBAHS等[12]對直升機上的螺栓進行聲發(fā)射監(jiān)測，通過分析聲發(fā)射信號參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了當螺栓承載力達到 96%時，微裂紋出現(xiàn)擴展的現(xiàn)象。LEAMAN等[13]采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測了M36 螺栓的疲勞試驗，通過希爾伯特黃譜分析了聲發(fā)射信號，認為高頻峰值與損傷進展有關(guān)，可為聲發(fā)射監(jiān)測螺栓疲勞的早期損傷提供參考。這些研究多集中于螺栓的松動監(jiān)測，目前少有學(xué)者對高強螺栓應(yīng)力銹蝕斷裂前的聲發(fā)射信號特征進行深入研究。

高強螺栓應(yīng)力銹蝕損傷的過程中包含了多種聲發(fā)射源，很難確定不同聲發(fā)射源對應(yīng)的信號特征，且在應(yīng)力銹蝕過程的同一時間段內(nèi)，螺栓可能同時發(fā)生一種或幾種損傷，存在一種或幾種聲發(fā)射源，加大了區(qū)分不同應(yīng)力損傷信號的難度。CHEN等[14]提出同源聲發(fā)射信號應(yīng)當具有較高的相似性，即同源聲發(fā)射信號的特征具有相似性。K均值聚類法[15]可以快速地將具有相似性質(zhì)的聲發(fā)射信號聚類在一起，有利于進一步分析聲發(fā)射信號。蔣鵬等[16]利用聲發(fā)射技術(shù)和K均值聚類法監(jiān)測海洋石油平臺T型管的節(jié)點損傷，并區(qū)分出了微裂紋萌生、微裂紋擴展、宏觀裂紋擴展3種損傷類型，但K均值聚類法容易受到初始條件的影響，且聚類類別數(shù)量K需要預(yù)先設(shè)定。

文章利用聲發(fā)射技術(shù)研究了高強螺栓應(yīng)力銹蝕斷裂的整個過程，通過引入DB(Davies-Bouldin指數(shù))和二分法克服K均值聚類法的缺點，并將改進后的K均值聚類法用于高強螺栓損傷信號的分類，進一步分析了聚類后的聲發(fā)射信號，提出了高強螺栓應(yīng)力銹蝕斷裂的預(yù)警指標。

1 高強螺栓應(yīng)力銹蝕試驗

1.1 試件

試件采用材料為35CrMo的高強螺栓絲桿，其材料與商用高強螺栓的相同，可代替高強螺栓用于銹蝕研究。35CrMo高強螺栓絲桿的抗拉強度為985 MPa，屈服強度為835 MPa，其規(guī)格如表1所示。

表1 高強螺栓絲桿規(guī)格

文章參照工程上高強螺栓的銹蝕，選取高強螺栓絲桿50 mm長的區(qū)域作為待銹蝕區(qū)域。試驗采用電化學(xué)方式加速高強螺栓銹蝕，利用保鮮膜與棉線對待銹蝕區(qū)域進行防水處理。

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備外觀如圖1所示。夾具系統(tǒng)用于加載高強螺栓絲桿，保證高強螺栓絲桿處于持續(xù)銹蝕狀態(tài)。錨桿拉拔儀型號為ML-300B，其通過夾具系統(tǒng)對高強螺栓絲桿進行加載。聲發(fā)射系統(tǒng)用于監(jiān)測整個加載歷程，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖1 試驗設(shè)備外觀

表2 聲發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

1.3 試驗方案

根據(jù)文獻[17]可知，高強螺栓設(shè)計預(yù)緊力不得超過其屈服荷載的80%，根據(jù)35CrMo材料的屈服強度和高強螺栓絲桿的有效面積計算得到其80%屈服荷載為56.3 kN，因此試驗設(shè)計預(yù)緊力取50 kN。由于高強螺栓在服役過程中易出現(xiàn)預(yù)緊力松弛等情況，所以另設(shè)置兩組工況，預(yù)緊力取設(shè)計預(yù)緊力的80%和60%，即試驗共有3組工況，預(yù)緊力分別為50，40，30 kN。

試驗采用靜力加載方式，加載裝置外觀如圖2所示。加載至規(guī)定荷載后，保持恒載，直至高強螺栓發(fā)生應(yīng)力銹蝕斷裂后結(jié)束試驗。由于高強螺栓銹蝕信號較弱，為避免萬能試驗機油泵工作時產(chǎn)生噪聲的影響，試驗采用錨桿拉拔儀加載試件，其在恒載時幾乎不產(chǎn)生聲發(fā)射信號，且能滿足高強度恒載的要求。

圖2 加載裝置外觀

試驗用NaCl溶液(濃度為5%)模擬海邊高強螺栓被海水浸泡的腐蝕環(huán)境，通過外加0.2 A直流電流的方式加速高強螺栓的電化學(xué)銹蝕(正極連接高強螺栓絲桿，負極連接銅棒放入腐蝕液中，溫度恒定不變)。

2 K均值算法的改進方法

在眾多成熟的聚類方法中，K均值聚類法屬于無監(jiān)督算法，其不需要樣本標簽即可對數(shù)據(jù)進行篩選歸類，基本原理為：在待聚類樣本中隨機選取幾個聚類中心，基于緊鄰準則比較樣本與樣本、樣本與類別、類別與類別之間的距離,對樣本進行歸類；歸類后重新計算各類別的聚類中心，重復(fù)上述流程直到聚類中心不再變化。采用DB來確定K均值聚類中類別的數(shù)量，該指數(shù)是由DAVIES等[18]提出的評估聚類結(jié)果優(yōu)劣的指標，其通過式(1)求取每個類別最大相似程度的均值。

式中：Si和Sj分別為第i類和第j類(j≠i)樣本到聚類中心的距離;Ai和Aj分別為第i類和第j類樣本的聚類中心;N為樣本的類別個數(shù);P為范數(shù)類型，通常取2。

文章采用二分K均值算法弱化聚類中心對類別劃分的影響，主要思路為：將所有樣本劃分為兩個類別，然后計算各個類別的離散指數(shù)，取離散指數(shù)最大的一類繼續(xù)進行二分，重復(fù)迭代直至滿足條件時停止。

王平光[19]、宮羽麗[20]證實了可使用K均值聚類法對金屬應(yīng)力銹蝕的聲發(fā)射信號進行聲發(fā)射源的劃分。高強螺栓屬于金屬材料，其應(yīng)力銹蝕聲發(fā)射源的分布特征是不均勻的。當聲發(fā)射源信號的特征相差很大時，劃分結(jié)果與實際情況相差較大。需對樣本進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，使樣本各特征處于相同的尺度中，避免因某一特征數(shù)值過大導(dǎo)致聚類效果變差。文章選擇歸一化的數(shù)據(jù)預(yù)處理方式來解決這一問題，通過將特征數(shù)據(jù)映射到(0,1)之間，將有量綱參數(shù)轉(zhuǎn)換為無量綱參數(shù)，使特征數(shù)據(jù)具備可比性。此外，歸一化處理不僅可以提高聚類精度，還加快了求最優(yōu)解的梯度下降速度。歸一化公式為

式中：X為全部樣本中特征x的集合;xnor為特征x的歸一化結(jié)果。

文章采用聲發(fā)射信號的計數(shù)、上升時間、持續(xù)時間、幅值、能量、峰頻作為聚類的參數(shù)，代表信號在多維度下特征的投影。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗結(jié)果與參數(shù)選取

應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對3種工況進行分析，根據(jù)聲發(fā)射撞擊累計計數(shù)可宏觀了解高強螺栓的損傷情況，單位時間聲發(fā)射撞擊計數(shù)可反映高強螺栓銹蝕的活躍程度。以每種工況隨機抽取一組為例進行分析。

工況1為全預(yù)緊力狀態(tài)，試驗荷載為50 kN；工況2為20%松弛狀態(tài)，荷載為40 kN；工況3為40%松弛狀態(tài)，荷載為30 kN。3種工況的聲發(fā)射累計撞擊計數(shù)曲線如圖3所示，可見，聲發(fā)射撞擊伴隨整個銹蝕過程，但聲發(fā)射撞擊累計總數(shù)不同，3種工況分別為17 600，13 900和43 300，這與傳感器自身、距離高強螺栓損傷的遠近以及與高強螺栓耦合的情況有關(guān)。

圖3 3種工況的聲發(fā)射累計撞擊計數(shù)曲線

聲發(fā)射累計撞擊計數(shù)僅能從宏觀的角度把控高強螺栓的損傷程度，如若需更精準地掌握高強螺栓損傷的演化，應(yīng)對聲發(fā)射信號的特征進行分析。由于多種聲發(fā)射源相互混合，影響了高強螺栓的銹蝕損傷判斷，所以對信號進行聚類分析和模態(tài)識別十分必要。

選取前文所述聲發(fā)射信號的參數(shù)來描述信號源的強度和活度，將其作為K均值聚類參數(shù)進行分析。由于參數(shù)之間數(shù)據(jù)相差較大，例如振鈴計數(shù)與持續(xù)時間相差數(shù)個數(shù)量級，對分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響，為彌補K均值的這一局限，先對各個參數(shù)進行歸一化預(yù)處理，使所有參數(shù)皆分布在(0,1)之間。通過DB確定聚類個數(shù)k，當聲發(fā)射信號分為3類時，3種工況的DB均最小，聚類效果最好，因此k取3，迭代次數(shù)設(shè)置為1 000。

3.2 聚類特征分析

統(tǒng)計聚類信號的各個參數(shù)，得到3種工況各類別信號的參數(shù)分布如表3-5所示。由表3-5可以看出，3種工況的第一類、第二類和第三類信號參數(shù)的分布情況分別相似。高強螺栓發(fā)生銹蝕并達到斷裂強度時，其損傷類型不隨應(yīng)力變化發(fā)生改變，所以可認為3種工況中同類別信號對應(yīng)同種損傷類型。第一類信號的聲發(fā)射參數(shù)浮動范圍最廣，且參數(shù)上限最大，決定了聲發(fā)射信號參數(shù)的上限。第三類信號參數(shù)浮動范圍較窄，且分布下限為3種信號中最小的。第二類信號參數(shù)的分布與第一類信號和第二類信號的有重疊。3種工況同類別信號的分布雖具有很高的相似性，但其分布范圍的上下限存在偏差，主要與傳感器和試件的耦合以及傳感器的位置有關(guān)。

表3 工況1各類別信號的參數(shù)分布

表4 工況2各類別信號的參數(shù)分布

表5 工況3各類別信號的參數(shù)分布

3.3 高強螺栓銹蝕損傷階段劃分

圖4為各工況的聲發(fā)射累計撞擊計數(shù)曲線，可見，第一類信號在3種工況中均持續(xù)存在，但信號激增時期互不相同，在工況1為前期，工況2為前期和中期，工況3為中后期，無明顯規(guī)律可供研究。第二類信號在工況1的前期發(fā)展較快，在工況2和工況3的前期發(fā)展較為緩慢，無明顯規(guī)律可供研究。第三類信號相對于第一類和第二類信號，其起伏變化較為明顯，且在3種工況中的變化趨勢相近。

圖4 各工況的聲發(fā)射累計撞擊計數(shù)曲線

第一類信號、第二類信號在高強螺栓應(yīng)力銹蝕歷程中產(chǎn)生的時刻較為隨機，沒有明確的階段性，發(fā)生密度存在較大的不確定性，而第三類信號伴隨著高強螺栓銹蝕的全歷程，且能夠反映銹蝕的活性，因此文章將采用第三類信號研究高強螺栓的應(yīng)力銹蝕情況。

對3種工況下第三類聲發(fā)射累計撞擊計數(shù)曲線進行分段(見圖5)，根據(jù)趨勢起伏變化將銹蝕過程大致劃分為4個階段。A階段曲線變化緩慢，B階段曲線迅速上升，C階段曲線進入平穩(wěn)階段，D階段聲發(fā)射撞擊再次進入活躍階段。

圖5 3種工況下第三類信號的分段

受傳感器靈敏度、傳感器與試件耦合性的影響，無法使用聲發(fā)射撞擊計數(shù)的絕對值來定量表示高強螺栓的損傷階段，這給工程的實時監(jiān)測識別應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。

聲發(fā)射累計撞擊計數(shù)(見圖6藍色曲線)一定程度上可反映高強螺栓的損傷程度，而單位時間聲發(fā)射撞擊計數(shù)(見圖6灰線)在一定程度上可表示高強螺栓損傷的活躍度。由于采樣尺度的影響，單位時間的聲發(fā)射計數(shù)在相鄰的計數(shù)數(shù)據(jù)處偏移，出現(xiàn)極大值極小值，影響了損傷判斷，因此采用式(3)進行優(yōu)化。優(yōu)化后的曲線為圖6中的紅色曲線，極值出現(xiàn)的情況減少了，極大地降低了采樣率帶來的影響，但式(3)存在局限性，優(yōu)化得到的曲線有一定的滯后性，可通過對采樣尺寸的控制來減少滯后性對于高強螺栓應(yīng)力銹蝕階段劃分的影響。

圖6 原始聲發(fā)射撞擊計數(shù)曲線及優(yōu)化結(jié)果

式中：yi為原始值；i為優(yōu)化后的值。

由圖6可知，優(yōu)化后的曲線有兩個明顯的峰值，在實時監(jiān)測中識別兩個峰值即可區(qū)分高強螺栓銹蝕損傷的階段，文章通過設(shè)定門檻來劃分損傷階段，門檻的設(shè)定需滿足要求：① 是無量綱因子，引用無量綱因子可避免傳感器自身以及試件耦合的影響；② 應(yīng)力適用性好，對應(yīng)力不同的高強螺栓皆具備區(qū)分損傷階段的能力；③ 采樣尺度容錯率大，選取最大采樣尺度容錯率指標，可使指標在更廣的尺度范圍內(nèi)區(qū)分損傷階段。

結(jié)合無量綱因子β和監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)定動態(tài)門檻P，P表示為

P=βymax

(4)

式中：ymax為觀測數(shù)據(jù)的最大值。

門檻P為劃分損傷階段的關(guān)鍵，采樣尺度的大小會影響門檻P劃分損傷階段的結(jié)果。采樣尺度過小或過大時的聲發(fā)射撞擊計數(shù)曲線及優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。采樣尺度過小結(jié)果受局部細節(jié)影響較大，無法宏觀地判斷高強螺栓的損傷階段；采樣尺度過大，曲線優(yōu)化滯后性過大，判斷損傷階段存在遲移。采樣尺度無法事先精準鎖定，因此門檻P需在盡可能大的采樣尺度范圍內(nèi)具備劃分損傷階段的能力。確定門檻大小即是確定無量綱因子β的取值，從該節(jié)的試驗可得到區(qū)分高強螺栓損傷階段的β取值范圍(見圖8)。β需要在3種工況下適用，且能夠在相對較廣的采樣尺度內(nèi)劃分損傷階段。綜合上述條件，β取0.45。

圖7 采樣尺度過小或過大時的聲發(fā)射撞擊計數(shù)曲線及優(yōu)化結(jié)果

圖8 各工況下β的取值范圍

在采樣尺度為5 000的條件下，驗證無量綱因子β=0.45對3種工況劃分損傷階段的效果(見圖9)。由圖9可知，隨著聲發(fā)射數(shù)據(jù)的采集，ymax不斷變化，P門檻隨之變動，此時A階段和B階段分界點不斷變化。當采集計數(shù)出現(xiàn)峰值時，ymax不變，門檻穩(wěn)定，此時門檻之下為A階段，門檻之上為B階段。銹蝕發(fā)生后，聲發(fā)射計數(shù)再次低于門檻，此時進入C階段。當聲發(fā)射計數(shù)第二次穿越門檻時，高強螺栓銹蝕進入D階段，此時，螺栓直徑損傷量為2.23 mm，結(jié)合3種工況，可認為當應(yīng)力銹蝕進入D階段時，螺栓具有斷裂風險，可將D階段作為應(yīng)力銹蝕的預(yù)警階段。結(jié)合圖5可知，當β=0.45時，門檻劃分的損傷階段與圖9中定性劃分的損傷階段大致相同，其中A階段與B階段的分界點、B階段與C階段的分界點相對于圖9的有少許滯后性，而C階段與D階段的分界點和圖9中相應(yīng)階段的分界點有較高的重合度。在實際工程中，可利用該節(jié)的方法實現(xiàn)高強螺栓的實時聲發(fā)射檢測，實時判斷高強螺栓的銹蝕狀態(tài)。

圖9 各工況下β=0.45時的損傷階段劃分效果

4 結(jié)語

文章利用聲發(fā)射技術(shù)，研究了高強螺栓的應(yīng)力腐蝕過程，結(jié)合改進的K均值聚類方法，將得到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)分為3類。以第三類信號作為高強螺栓銹蝕損傷階段的劃分對象，利用提出的動態(tài)門檻將高強螺栓應(yīng)力銹蝕斷裂全歷程劃分為4個階段，以最后一個階段作為高強螺栓斷裂的預(yù)警階段。研究結(jié)論可為確定監(jiān)測高強螺栓應(yīng)力銹蝕的指標提供參考。