朱 虹，孫 瑜，董志強，陳冬冬，吳 剛

(1.東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，江蘇 南京 211189；2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引 言

裝配式建筑是中國建筑工業(yè)化的重要陣地和最主要的實現(xiàn)途徑。灌漿套筒是實現(xiàn)預(yù)制部件之間可靠連接、發(fā)揮結(jié)構(gòu)整體性能的關(guān)鍵[1]。然而由于施工人員操作不規(guī)范，在運輸和吊裝過程中缺乏恰當(dāng)管理等原因，灌漿套筒時常出現(xiàn)少漿、漏漿等質(zhì)量問題，造成灌漿套筒內(nèi)部產(chǎn)生缺陷[2]。研究表明，當(dāng)套筒灌漿缺陷長度大于3倍鋼筋直徑時，破壞模式將由鋼筋拉斷破壞轉(zhuǎn)變?yōu)殇摻畎纬銎茐?，嚴重影響建筑結(jié)構(gòu)的安全性[3]。因此，針對灌漿套筒內(nèi)部缺陷的無損檢測技術(shù)研究具有十分重要的意義。

由于裝配式建筑中套筒周圍混凝土、箍筋和鋼筋的影響，包括超聲波法[4]、沖擊回波法[5-6]以及X射線法[7-8]在內(nèi)的傳統(tǒng)無損檢測方法無法有效地檢測灌漿缺陷。分布式鋼筋和套筒周圍混凝土的存在影響了超聲波法和沖擊回波法的精度與可靠性；X射線法能對灌漿缺陷進行定性和定量分析，但需要較大的專業(yè)設(shè)備，且具有放射性，較難在施工現(xiàn)場展開；此外，內(nèi)窺鏡法[9]同樣可以直觀地反映套筒內(nèi)部缺陷的位置及大小，但是對檢測孔道尺寸有一定的要求。近年來，壓電陶瓷(PZT)材料因具有較寬的響應(yīng)頻率，可以自定義形狀和尺寸以及經(jīng)濟等優(yōu)點，已被廣泛用作應(yīng)力波的發(fā)射器和接收器，基于PZT的損傷檢測技術(shù)也被認為是最具前景的無損檢測技術(shù)之一[10-12]。與既有方法相比，壓電陶瓷檢測方法具有價格低廉、接收信號穩(wěn)定、所需設(shè)備簡便、測試與應(yīng)用簡單等優(yōu)勢。

李俊華等[13]基于PZT的力-電耦合特性對套筒的灌漿飽滿度進行識別，研究表明可以根據(jù)頻譜信號波峰處諧振頻率和均方根偏差指標(RMSD)的變化有效識別套筒內(nèi)部的飽滿程度，同時利用該方法對裝配式混凝土框架柱和剪力墻中套筒進行了識別應(yīng)用，為套筒的內(nèi)部缺陷識別提供了一種新的有效途徑。Wu等[14]基于波傳播分析法對5個不同密實度的灌漿套筒進行了檢測，采用小波包能量法和希爾伯特-黃變換方法來處理應(yīng)力波信號，結(jié)果表明小波包總能量值和希爾伯特峰值與套筒密實度具有相關(guān)性，驗證了使用PZT傳感器檢測灌漿套筒密實度的可行性。Xu等[15]采用主動檢測方法，分析了接收信號中首波的特性，并基于首波分析提出了相應(yīng)的缺陷指標DEI，結(jié)果表明灌漿缺陷越嚴重，缺陷指標DEI越大，該方法能夠有效識別出灌漿套筒的內(nèi)部缺陷。

本文基于波傳播分析法，對不同灌漿密實度工況進行了試驗研究；利用小波包能量法對比了不同密實度下響應(yīng)信號的能量特征，提出了基于小波包能量的缺陷評價指標，并基于Comsol Multiphysics多物理場仿真軟件進一步分析了灌漿量對應(yīng)力波在套筒內(nèi)傳播路徑的影響，驗證了基于壓電陶瓷檢測灌漿套筒內(nèi)部缺陷的機理和可行性。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計及制作

所有試件按照裝配式建筑連接形式被分為水平向灌漿套筒和豎直向灌漿套筒，分別用“H”和“V”表示，水平向套筒的灌漿量分為100%、70%和40%，豎直向套筒則分為100%、80%和60%，每種工況均包含3個相同試件，并按照“方向-密實度-序號-測點”的方式進行編號，如“H-40-2-3”表示灌漿量為40%的2號水平向套筒的3號測點。需要注意的是，在滿漿情況下，水平向與豎直向套筒內(nèi)灌漿料在空間分布上是一樣的，因此不再單獨制作100%灌漿量的豎直向套筒，即滿漿情況下的試件僅為3個。

試件尺寸及構(gòu)造如圖1所示。全灌漿套筒尺寸均為φ16 mm×310 mm；PZT片采用PZT5H材料，正負極在同一面，尺寸為10 mm×10 mm×1 mm，焊接導(dǎo)線時應(yīng)確保焊點盡量小且位置靠近PZT片邊緣，如圖1(b)所示，以避免阻尼對結(jié)果造成影響，為探索PZT片布置的合理位置，每個試件都布置了3對PZT片，分為激勵器(PZT)和接收器(PZT′)并按照位置進行了編號，如圖1(c)所示，由于PZT片較硬，因此粘貼前需將粘貼位置處的套筒表面打磨平整，粘貼時使用超聲振子專用環(huán)氧膠；采用HRB4000級鋼筋，直徑為12 mm，澆筑之前將鋼筋從兩端接入套筒內(nèi)，兩端塞入橡皮塞并通過模板進行固定以免造成偏心而對結(jié)果帶來影響，如圖2所示；高強灌漿料的水灰比為1∶0.14，其7 d抗壓強度為69 MPa，試件澆筑時通過稱量質(zhì)量來控制灌漿量，實際灌漿量ρm由式(1)計算。

圖1 試件尺寸及構(gòu)造

(1)

式中：m1為實際灌漿質(zhì)量；m2為灌滿時灌漿質(zhì)量。

灌漿套筒某一截面處灌漿量ρs由式(2)計算。

(2)

式中：s1為該截面處灌漿料的面積；s2為該截面處套筒內(nèi)扣去鋼筋的凈面積。

1.2 信號采集

本試驗所用測試設(shè)備包括：配有LabVIEW 2019的個人電腦；美國國家儀器公司(National Instruments，NI)的超聲信號采集系統(tǒng)(PXIe-8861機箱，PXIe-5413波形發(fā)生器，PXIe-5122示波器)，波形發(fā)生器最大頻率為20 MHz，示波器最大采樣頻率為100 MHz；美國TREK公司的功率放大器(2100HF-H)，輸出電壓范圍為±150 V。

研究表明[13]，灌漿后1 d至15 d的電導(dǎo)-頻率曲線變化趨勢總體相同，即漿料硬化后，齡期對壓電信號的影響不大，因此養(yǎng)護7 d后即對灌漿套筒進行缺陷檢測。需要注意的是，若激勵信號頻率過低，則外界噪聲和振動對結(jié)果影響較大；若激勵信號頻率過高，則結(jié)果將受到膠層和PZT晶片自身特性的影響，因此測試前先通過預(yù)掃頻確定激勵信號頻率f。分別對試件V-80-1和V-60-1的滿漿和無漿位置處進行掃頻，通過對得到的時域曲線進行快速傅里葉變換后發(fā)現(xiàn)，滿漿狀態(tài)下響應(yīng)信號的能量集中在39～161 kHz，而無漿狀態(tài)下信號的能量則集中在20～32 kHz，因此確定本試驗激勵信號的頻率f為35 kHz。

信號激勵及接收裝置如圖3所示，使用LabVIEW2019軟件和波形發(fā)生器PXIe-5413產(chǎn)生五波峰正弦調(diào)制激勵信號，電壓V為1 V，頻率f為35 kHZ，激勵信號經(jīng)由功率放大器被放大50倍，即施加在激勵器PZT片上的電壓幅值為50 V，由壓電材料的力-電耦合特性所產(chǎn)生的應(yīng)力波經(jīng)過套筒和灌漿量等介質(zhì)后傳輸?shù)浇邮掌鱌ZT′，從而產(chǎn)生響應(yīng)信號并被示波器PXIe-5122采集和輸出，采樣頻率為10 MHz，采樣時間間隔為0.003 s。

圖3 信號激勵及接收裝置

2 試驗結(jié)果

2.1 信號初步處理

對每個測點測試了3次，取3次信號的平均值作為原始信號。此外，為了減少環(huán)境噪聲的影響，使用低通濾波對原始信號進行去噪，通過對原始信號的快速傅里葉變換進行時頻分析后，確定低通濾波的閾值為40 kHz，去噪后各試件時域圖如圖4～7所示，其中測點H-40-3-2因PZT片短路未能得到信號數(shù)據(jù)。所有豎直向套筒的1號測點對應(yīng)的是脫空(ρs=0%)的情況，2號和3號測點對應(yīng)的是飽滿(ρs=100%)的情況；水平向套筒的缺陷沿長度方向變化較小(0%<ρs<100%)。

圖4 ρs=0%時的響應(yīng)信號

圖5 ρs=40%時的響應(yīng)信號

圖6 ρs=70%時的響應(yīng)信號

2.2 信號幅值分析

圖8為不同截面灌漿量下的信號最大幅值平均值。由圖8可知，在不同截面灌漿量情況下，信號幅值變化明顯，信號幅值隨灌漿套筒內(nèi)部缺陷嚴重程度增大而增大，截面完全脫空(ρs=0%)情況下的信號最大幅值平均值為灌漿飽滿(ρs=100%)時的293%，而灌漿量較為飽滿時幅值的差異變得不再明顯，截面灌漿量為70%和100%時，幅值平均值相差不到10%。應(yīng)力波傳播的介質(zhì)影響了傳播過程中的能耗。圖9為不同灌漿量下的應(yīng)力波傳播路徑。當(dāng)套筒內(nèi)灌漿料完全脫空時[圖9(a)]，應(yīng)力波沿著套筒外壁進行傳播；當(dāng)內(nèi)部存在灌漿料時[圖9(b)]，應(yīng)力波將通過套筒外壁、灌漿料以及內(nèi)部鋼筋，由式(3)和表1可得出在灌漿料和鋼材中波速v分別為3.7 km·s-1和5.8 km·s-1，灌漿料中波速更小，但是傳播路徑的改變也導(dǎo)致了傳播距離的縮短，因此沿著套筒外壁和沿著徑向傳播的應(yīng)力波可以幾乎同時到達接收器PZT′。然而由于應(yīng)力波經(jīng)過了灌漿料，砂漿的密度僅為鋼材的三分之一，且較鋼材而言內(nèi)部存在更多微小裂縫，引起了更多的能量耗散，幅值大幅減小。需要注意的是，響應(yīng)信號存在一定離散，一方面是因為灌漿料屬于非均質(zhì)材料，另一方面是由于焊點大小以及PZT片與套筒外壁間環(huán)氧膠厚度難以做到完全一致。

表1 材料參數(shù)

圖8 不同截面灌漿量下的信號最大幅值平均值

圖9 不同灌漿量下的應(yīng)力波傳播路徑

(3)

式中：E為彈性模量；μ為泊松比；ρ為密度。

2.3 小波包能量分析

為了進一步挖掘不同工況下響應(yīng)信號的能量分布規(guī)律，采用MATLAB對原始信號進行小波包分解，這種分解在小波分解的基礎(chǔ)上，在每一級信號分解時對低頻和高頻自帶均進行分解，既無冗余，也無疏漏。使用不同的小波基將得到不一樣的結(jié)果，此外，分層的數(shù)量也將影響結(jié)果，數(shù)量太小則去噪效果不理想，數(shù)量太大則計算量會增加，可能導(dǎo)致結(jié)果中丟失關(guān)鍵信息[16]。本文選取Sym8作為小波基，因為該小波基是有限緊支撐正交小波，其時域和頻域的局部化能力均較強，特別是在數(shù)字信號的處理中，可以提供有限長的更實際、更具體的數(shù)字濾波器[17-18]。分層數(shù)量n設(shè)置為4，因為當(dāng)設(shè)置為5時，第5層信號有嚴重損失。

經(jīng)過i層分解后，原始信號被分解為2i組，所有信號均以列向量的形式輸入和輸出，因此可以表示為Xij，即

Xij=[Xj1Xj2Xj3…Xjn]

(4)

式中：n為數(shù)據(jù)點數(shù)量，與采樣頻率和時間有關(guān)；本試驗中i=1，2，…，nj且j=1，2，…，2i，原始信號數(shù)據(jù)點數(shù)量為30 000。

第i層第j個分解集的能量Eij以及能量Wij占比可以通過式(5)和式(6)得到。

(5)

(6)

式中：Etotal為信號總能量，等于第n層各分解集能量之和。

以測點H-40-1-1為例，進行小波包分解可以得到該測點4層分解后的各能量占比，如表2所示。從表2可以看出，測點H-40-1-1的原始信號經(jīng)過4層分解后，第1、3、5、7分解集為低頻，其余為高頻，第一個分解集的小波能量比最高，為97.23%，由此可見響應(yīng)信號的能量集中在低頻，高頻的能量占比很低。采用上述方法，可以得到其他測點處的小波能量比。參考對螺栓預(yù)緊力損失的小波能量歸一化[19]，采用式(7)量化套筒內(nèi)部缺陷嚴重程度，計算結(jié)果如表3所示。

表2 H-40-1-1小波包能量比

圖7 ρs=100%時的響應(yīng)信號

(7)

由表3可知，隨著截面灌漿量的增大，缺陷評價指標隨之減小，說明內(nèi)部密實度增加，因此基于小波包能量提出的缺陷評價指標能夠有效反映灌漿套筒內(nèi)部缺陷程度。

表3 套筒內(nèi)部缺陷評價指標

3 數(shù)值模擬

本文基于Comsol Multiphysics多物理場仿真軟件對不同灌漿量下的套筒試件進行模擬，主要目的是說明不同灌漿量對應(yīng)力波傳播的影響。利用其中的固體力學(xué)模塊對材料的力學(xué)屬性以及力學(xué)邊界條件進行定義，對于壓電電場以及電學(xué)邊界的施加則使用了靜電模塊，并通過壓電效應(yīng)耦合場對2個模塊進行了內(nèi)置耦合，進而實現(xiàn)精確模擬。

3.1 模型參數(shù)

考慮到試件的橫截面大小和形狀沿長度方向基本不變以及三維模型的計算量較大，因此將三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題，忽略長度方向的影響。模型的幾何尺寸如圖10所示。

圖10 PZT-灌漿套筒二維有限元模型

有限元模型包括套筒、灌漿料、鋼筋和2個PZT片。套筒、灌漿料和鋼筋均假定為線彈性各向同性材料，具體參數(shù)見表1。

表4 PZT-5H材料參數(shù)

(8)

(9)

(10)

模型中邊界處設(shè)置為低反射邊界，PZT作為激勵器激發(fā)信號，下表面接地，上表面施加交變電壓；PZT′作為接收器接收信號，上表面接地，下表面為壓電終端。

為了得到精確的結(jié)果，單元的尺寸應(yīng)該滿足式(11)的要求[20]。

Rmax≤(1/8～1/12)Lmin

(11)

式中：Rmax為介質(zhì)的最大單元尺寸；Lmin為入射波的最小波長。

本文中采用的最大頻率為35 kHz，由式(3)得出應(yīng)力波在灌漿料中的波速為3.7 km·s-1，而它的波長為0.106 m，因此單元最大尺寸應(yīng)小于8.8 mm，本文中單元最大尺寸定為1 mm。PZT片的單元類型為自由四邊形網(wǎng)格，其余材料的單元類型為自由三角形網(wǎng)格。此外，最大積分步長Δt應(yīng)小于最大周期的1/20。模型中未考慮環(huán)氧樹脂的影響。

施加在PZT片上的交變電壓信號與第1節(jié)所述激勵信號相同，為調(diào)制的五波峰激勵信號，調(diào)制電壓V(t)如式(12)所示。

V(t)=V0sin(2πft)Rect(t)

(12)

式中：V0為電壓幅值；Rect(t)為Comsol內(nèi)置方波函數(shù)，上下限分別2T0和5T0，過渡期設(shè)置為3T0，T0為信號周期，采用連續(xù)二階導(dǎo)數(shù)進行平滑處理，波形如圖11所示；積分步長為1×10-6s，模型計算時間為0.001 s。

圖11 調(diào)制激勵信號波形

3.2 模擬結(jié)果分析

圖12給出了不同時刻不同灌漿量下的應(yīng)力云圖。從圖12可以看出，灌漿量的不同直接改變了截面形式，影響了應(yīng)力波的傳播路徑。各灌漿量條件下，應(yīng)力波均首先由激勵器PZT發(fā)射，經(jīng)由固體介質(zhì)進行傳播，最終到達接收器PZT′形成電勢信號。在套筒完全脫空的情況下，應(yīng)力波僅沿套筒外壁進行傳播，如圖12(a)～(d)所示，不經(jīng)過砂漿和鋼筋，因此能量耗散最小；當(dāng)套筒內(nèi)部存在部分缺陷時，應(yīng)力波在初始時仍僅沿套筒外壁傳播，當(dāng)應(yīng)力波經(jīng)過灌漿料水平高度處時，一部分應(yīng)力波散射入套筒內(nèi)部灌漿料以及鋼筋，如圖12(e)～(l)所示，經(jīng)過反復(fù)折射和反射之后，大部分能量被傳播介質(zhì)所吸收；當(dāng)內(nèi)部灌漿料飽滿時，如圖12(m)～(p)所示，應(yīng)力波同時沿著套筒外壁以及內(nèi)部進行傳播，沿著外壁的應(yīng)力波會有一部分散射入灌漿料內(nèi)部，因此絕大部分能量會被灌漿料耗散。

圖12 不同灌漿量下各時刻應(yīng)力云圖

4 結(jié) 語

(1)壓電陶瓷方法能夠檢測灌漿套筒內(nèi)部缺陷。內(nèi)部缺陷程度越嚴重，所吸收應(yīng)力波的能量越小，響應(yīng)信號幅值越大，通過響應(yīng)信號的幅值能夠初步判斷該灌漿套筒內(nèi)部是否存在缺陷。

(2)基于小波包分解法提出的缺陷評價指標能夠定量反映灌漿套筒內(nèi)部缺陷嚴重程度，缺陷評價指標在0～1之間，內(nèi)部缺陷越嚴重，缺陷評價指標越大。

(3)灌漿量直接影響應(yīng)力波在灌漿套筒內(nèi)部的傳播路徑，灌漿量越小，內(nèi)部缺陷越大，應(yīng)力波傳播就越集中，最終能量損失也越小。

(4)本文以及目前大多數(shù)基于壓電陶瓷檢測灌漿套筒缺陷的研究均處于實驗室階段。與實際工程相比，實驗室的環(huán)境噪聲小，環(huán)境振動少，而工程檢測則處于露天環(huán)境，環(huán)境噪聲和振動不易控制，這些因素很容易對響應(yīng)信號產(chǎn)生影響；實際工程中節(jié)點區(qū)域的配筋量巨大，有可能對應(yīng)力波傳播造成影響。需要進一步驗證壓電陶瓷檢測方法在整體結(jié)構(gòu)、施工環(huán)境中的效果，并采取各種措施和方法提升在實際應(yīng)用中的抗干擾性能，以提升檢測精度。