吳文彬, 李 恒,2

(1. 中國(guó)地震局地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430071;2. 武漢地震工程研究院有限公司, 湖北 武漢 430071)

0 引言

眾所周知,我國(guó)為地震災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家,地震作為一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害,一旦發(fā)生會(huì)給建筑物帶來(lái)嚴(yán)重破壞,因此對(duì)未進(jìn)行抗震設(shè)防或者抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)的建筑進(jìn)行抗震加固,可降低在強(qiáng)震發(fā)生時(shí)建筑物受到的影響。建筑物主要通過(guò)增加合適的構(gòu)件、強(qiáng)化構(gòu)件性能以及隔振減震處理等來(lái)進(jìn)行抗震加固,其中強(qiáng)化構(gòu)件性能的方法在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛,主要分為粘貼鋼板、外粘型鋼、粘貼纖維復(fù)合材料等方法。碳纖維板作為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforcement Plastic,CFRP)的一種,相比于其他加固方法,粘貼碳纖維板方法具有施工速度快、材料成本低、方便養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn),在結(jié)構(gòu)抗震加固中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。在梁受彎構(gòu)件的加固中,碳纖維板主要通過(guò)碳板專用AB膠與受拉翼緣連接,碳纖維板和梁被組合在一起,共同承擔(dān)荷載,極大提高了原有結(jié)構(gòu)的承載能力。在刷膠施工過(guò)程中,由于接觸面積大、施工工藝等因素導(dǎo)致涂抹不均勻、界面之間無(wú)膠層或者膠層薄弱等問(wèn)題,或者結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中受到疲勞荷載,這些都會(huì)使連接界面出現(xiàn)脫粘,從而影響碳纖維板與受拉梁翼緣的有效連接。

針對(duì)碳纖維板加固結(jié)構(gòu)后出現(xiàn)的脫粘問(wèn)題,相關(guān)學(xué)者做了較為廣泛的研究。Hu等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和邊界元探究了疲勞荷載下碳纖維板加固鋼梁后的脫粘發(fā)展情況;馬第江等[4]探究了膠層厚度與界面剪應(yīng)力以及界面脫粘之間的聯(lián)系;Fanning等[5]嘗試通過(guò)端部錨固的方式來(lái)解決服役過(guò)程中出現(xiàn)的碳纖維板脫粘問(wèn)題;Zhang等[6]提出了一種混合式內(nèi)聚區(qū)模型,通過(guò)該模型可以根據(jù)CFRP板上的應(yīng)變分布來(lái)預(yù)測(cè)加載過(guò)程中的界面脫粘情況;Bocciarelli等[7]在研究中發(fā)現(xiàn)脫粘面積過(guò)大會(huì)導(dǎo)致試件剛度下降,從而影響碳纖維板加固效果。以上研究均表明在加固完成后以及結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中需要進(jìn)行界面粘接性檢查,判斷加固效果以及承載力是否達(dá)到預(yù)定要求。目前對(duì)于界面粘接性檢測(cè)的技術(shù)主要有:聲發(fā)射技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)、X射線分層成像技術(shù)、紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以及阻抗損傷識(shí)別技術(shù)。但上述幾種技術(shù)均存在成本高、設(shè)備體積大及檢測(cè)流程復(fù)雜等缺點(diǎn),限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

針對(duì)碳纖維板加固結(jié)構(gòu)后的界面脫粘問(wèn)題,《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[8](以下簡(jiǎn)稱規(guī)范)中指出通過(guò)采取劃分網(wǎng)格并分區(qū)逐網(wǎng)格錘擊檢測(cè)的方法定性判別該位置處的脫粘情況。敲擊法具有使用簡(jiǎn)單、識(shí)別率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),在鐵軌巡檢[9]、螺栓松動(dòng)檢測(cè)[10]、風(fēng)力葉片脫層損傷檢測(cè)[11]及復(fù)合材料損傷檢測(cè)[12]中被廣泛使用。但規(guī)范中亦指出,錘擊法主要通過(guò)人耳判別,主觀性較大。為了將脫粘位置與未脫粘位置的頻率特征變化進(jìn)行可視化,借助頻率損傷定位方法實(shí)現(xiàn)脫粘損傷位置的定性識(shí)別,本文采用Welch功率譜密度(Power Spectral Density,PSD)估計(jì)法對(duì)敲擊的聲音信號(hào)進(jìn)行頻譜特征分析,得到脫粘位置與未脫粘位置的頻率分布,并與快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)方法得到的頻譜特征進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示:PSD頻譜中的未脫粘位置與脫粘位置的相應(yīng)峰值對(duì)應(yīng)頻率較FFT頻譜中的差異更為明顯,相比于傳統(tǒng)的FFT脫粘損傷定位的方法[13],Welch PSD估計(jì)法能夠得到更直接、明顯的頻率變化,通過(guò)觀察PSD曲線中的頻率峰值變化,定性地驗(yàn)證了敲擊法結(jié)合PSD估計(jì)方法在脫粘位置識(shí)別檢測(cè)中的有效性、便利性,另外通過(guò)提取PSD頻譜曲線中的一階振動(dòng)頻率,從定量的角度揭示了脫粘位置與未脫粘位置的頻率差異;本文還討論了不同屬性錘頭對(duì)脫粘位置識(shí)別結(jié)果的影響。

1 原理介紹

1.1 敲擊法檢測(cè)力學(xué)機(jī)理

敲擊法檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的基本原理如下:敲擊時(shí)待檢測(cè)結(jié)構(gòu)受到瞬間沖擊激勵(lì),該激勵(lì)會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng),由于結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷前后剛度的變化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的聲音信號(hào)中含有的頻率信息也不同。結(jié)構(gòu)受激勵(lì)后的振動(dòng)過(guò)程是一個(gè)衰減阻尼振動(dòng),由于聲音發(fā)生的時(shí)間較短,假設(shè)該過(guò)程為無(wú)阻尼的自由振動(dòng)。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)本身不是無(wú)限剛體,存在一定彈性,假設(shè)結(jié)構(gòu)中振動(dòng)的抽象質(zhì)量塊m的彈性系數(shù)為k,當(dāng)該質(zhì)量塊受到?jīng)_擊激勵(lì)時(shí),其振動(dòng)頻率為:

(1)

當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí),其自身的材料性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變,孫梁等[11]提出等效彈性系數(shù)的概念。我們將待檢測(cè)物體簡(jiǎn)化為彈簧模型,正常區(qū)域的彈性系數(shù)為k1,當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫層等損傷時(shí),損傷區(qū)域上方相當(dāng)于串聯(lián)一個(gè)彈簧系數(shù)為k2的彈簧,近似相當(dāng)于一個(gè)彈性質(zhì)量塊k1變?yōu)閮蓚€(gè)彈性質(zhì)量塊k1、k2串聯(lián),整體彈性系數(shù)減小,如圖1所示。推導(dǎo)的等效彈性系數(shù)為:

圖1 敲擊不同區(qū)域時(shí)的力學(xué)機(jī)理簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of mechanical mechanism when striking different regions

(2)

由式(2)可知,當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生脫粘損傷時(shí),其彈性系數(shù)k減小,導(dǎo)致脫粘后的結(jié)構(gòu)固有頻率f發(fā)生改變。

1.2 Welch功率譜密度(PSD)估計(jì)法

功率譜密度(PSD)估計(jì)法表示信號(hào)能量在頻域內(nèi)的分布,主要分為有參和無(wú)參兩大類。本文用到的Welch PSD估計(jì)法由Welch于1967年首次提出[14],該方法是在無(wú)參的功率譜密度方法基礎(chǔ)上修正的平均周期圖方法。Welch PSD估計(jì)法是一種常用的功率譜密度估計(jì)方法,它將信號(hào)分成多個(gè)部分,提取這些部分的修正周期圖,并對(duì)其進(jìn)行平均。其推導(dǎo)過(guò)程如下:

(1)x(n)表示輸入信號(hào),x(n)被分割為L(zhǎng)段重疊部分,如式(3)所示:

xl(n)=x[n+(L-l)M],n=0,…,N-1,

l=1,…,L

(3)

式中:xl(n) 表示l階部分?jǐn)?shù)據(jù);(l-1)M表示第l階序列的開(kāi)始。

(2) 對(duì)于xl(n)相應(yīng)的加窗周期圖的描述如式(4)、(5)所示:

(4)

(5)

式中:Al表示加窗后的FFT變換;φl(shuí)表示得到的平均周期圖。

(3)P表示窗口w(n)中的能量,如式(6)所示:

(6)

(4) Welch PSD估計(jì)就是對(duì)這些平均周期圖取平均,如式(7)所示:

(7)

2 試驗(yàn)

本試驗(yàn)主要定性驗(yàn)證敲擊法結(jié)合Welch PSD估計(jì)法在碳纖維板加固鋼梁界面脫粘位置識(shí)別上的可行性,通過(guò)提取一階振動(dòng)頻率從定量的角度揭示脫粘位置與未脫粘位置的頻率差異,突出本文提出方法相比于傳統(tǒng)FFT損傷定位識(shí)別方法的優(yōu)越性,另外還探究了不同屬性錘頭在脫粘位置識(shí)別方面的影響。

2.1 試驗(yàn)試件

本次試驗(yàn)構(gòu)件為試件A和試件B,試件A為無(wú)脫粘損傷基礎(chǔ)試件;考慮到本試驗(yàn)為可行性探索試驗(yàn),為得到更明顯的試驗(yàn)效果,試件B為采用2 mm厚珍珠棉預(yù)設(shè)脫粘損傷對(duì)比試件,其脫粘損傷位置如圖2所示。試件制作過(guò)程按照《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[15]執(zhí)行。制作試件需要用到的材料參數(shù)列于表1。其具體制作過(guò)程如下:(1)鋼梁下部邊緣進(jìn)行除銹處理;(2)粘接劑采用鋼結(jié)構(gòu)加固專用膠,混合比例為2∶1,并均勻攪拌;(3)碳纖維板粘接面采用酒精擦拭,將拌勻的結(jié)構(gòu)膠均勻涂抹在鋼梁翼緣上部,膠層厚度按照規(guī)范設(shè)定為3 mm,待膠層初凝后用適量重物輕壓碳纖維板,保持界面之間無(wú)縫隙?？紤]到實(shí)際工程中梁與柱的連接狀態(tài),本次試驗(yàn)將試件與混凝土試塊及地面通過(guò)膠結(jié)劑進(jìn)行固結(jié),近似模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中鋼梁的邊界受力狀態(tài)。制作完成的試件如圖3所示。

表1 試件材料參數(shù)

圖2 碳纖維板及脫粘模擬Fig.2 CFRP plates and debonding simulation

圖3 試驗(yàn)試件A和BFig.3 Test specimens A and B

2.2 方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要探究了敲擊法結(jié)合Welch PSD估計(jì)法在碳纖維板加固鋼梁界面脫粘位置檢測(cè)中的有效性,以及敲擊錘頭屬性對(duì)識(shí)別效果的影響。在敲擊工具方面,考慮到錘頭材料和截面對(duì)敲擊結(jié)果的影響,我們選擇了兩把質(zhì)量均為200 g的錘子,其中錘子1錘頭截面為方形(l=20 mm),錘子2兩端錘頭均為圓形(d=20 mm),3種錘頭截面材料分別為金屬、金屬、塑料?？紤]到不同屬性錘頭對(duì)敲擊效果的影響,本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種工況,具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表2所列。

表2 基于不同錘頭的試驗(yàn)工況設(shè)置

2.3 數(shù)據(jù)采集

由于本試驗(yàn)主要是利用敲擊后的聲音信號(hào)進(jìn)行脫粘位置識(shí)別,故聲音信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示,具體如下:錘子;專業(yè)麥克風(fēng);筆記本電腦。本次試驗(yàn)中的聲音信號(hào)采集系統(tǒng)是基于LabVIEW2020平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的,開(kāi)發(fā)的界面程序可以實(shí)時(shí)顯示采樣聲音信號(hào)波形及該信號(hào)的實(shí)時(shí)頻譜圖,通過(guò)觀察頻譜圖的變化情況,可以作為初步判別該位置是否發(fā)生界面脫粘的有效依據(jù)。

圖4 聲音信號(hào)采集Fig.4 Acquisition of sound signals

本次試驗(yàn)聲音信號(hào)采樣率為16 kHz,根據(jù)單個(gè)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)及敲擊方便,敲擊頻率約為1次/s。由于試驗(yàn)主要是進(jìn)行界面脫粘位置判別的探索性研究,黑色方框僅為缺陷定位使用,敲擊位置為未脫粘試件A和預(yù)設(shè)脫粘試件B上P1～P3處,即白色方框中心位置(圖3)。每組工況中的單個(gè)位置敲擊10次,獲取到10條有效音頻信息,如圖5所示。具體采集方式如下:麥克風(fēng)放置于敲擊位置正前方10 cm處;每次敲擊時(shí)高度與力度均保持一致,從正上方進(jìn)行敲擊;敲擊位置為圖2中白色方框中心位置。聲音信號(hào)均在相對(duì)安靜的環(huán)境下進(jìn)行采集,避免環(huán)境噪聲干擾。單個(gè)聲音的時(shí)域信號(hào)如圖6所示,該聲音信號(hào)長(zhǎng)度為0.25 s。

圖5 聲音時(shí)域信號(hào)圖Fig.5 Time domain signal diagram of sounds

圖6 單個(gè)聲音時(shí)域信號(hào)圖Fig.6 Time domain signal diagram of single sound

3 結(jié)果分析

每組試驗(yàn)工況共有6組聲音信號(hào),每組聲音信號(hào)中有效聲音樣本數(shù)為10。對(duì)每組實(shí)驗(yàn)工況中的每組聲音信號(hào)采用Welch PSD估計(jì)法及FFT方法進(jìn)行分析,由于低階振動(dòng)頻率在結(jié)構(gòu)損傷缺陷識(shí)別過(guò)程中起主導(dǎo)作用[16],故結(jié)果分析中將截止頻率設(shè)置在2 kHz,可以得到PSD曲線圖及FFT頻譜圖(圖7～圖9),考慮到錘頭屬性及敲擊效果等因素,從工況1中的PSD曲線中提取處試件A和B上P1～P3位置處的平均一階振動(dòng)頻率,匯總列于表3。對(duì)圖7～圖9以及表3進(jìn)行分析可以得到如下結(jié)果:

表3 工況1中PSD估計(jì)平均一階振動(dòng)頻率

圖7 工況1中試件A和B在P1～P3處聲音信號(hào)中頻率分布Fig.7 Frequency distribution of sound signals at P1—P3 of specimens A and B (Case 1)

圖8 工況2中試件A和B在P1～P3處聲音信號(hào)中頻率分布Fig.8 Frequency distribution of sound signals at P1—P3 of specimens A and B (Case 2)

(1) 圖7(a)～圖9(a)中的2個(gè)PSD曲線的峰值分布范圍差別明顯,未脫粘位置(紅線)與脫粘位置(藍(lán)線)的峰值分布有明顯差別,脫粘位置低階頻率較小且大多位于500 Hz以下,未脫粘位置低階頻率較大且大多位于500～1 500 Hz之間。分析其原因如下:由于脫粘后彈性系數(shù)k減小,造成對(duì)應(yīng)的固有頻率f減小,從而脫粘位置處的PSD曲線峰值處頻率向0偏移。與圖7(a)～圖9(a)形成對(duì)比的是圖7(b)～圖9(b)中的基于FFT的頻譜分析結(jié)果2個(gè)頻譜曲線峰值分布差異不明顯,未脫粘位置與脫粘位置的峰值分布雜亂且存在重疊部分,故本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析未提取其一階振動(dòng)頻率進(jìn)行分析。從兩種方法的原理上分析:Welch PSD估計(jì)法主要是將FFT中的幅值進(jìn)行多次變換來(lái)放大未脫粘位置與脫粘位置處的峰值對(duì)應(yīng)的頻率差異,從而在相同刻度下可以輕易觀察到兩者的頻率分布差異。

(2) 從表3可知試件A未脫粘位置處P1、P2、P3的一階振動(dòng)頻率分別為469 Hz、807 Hz、360 Hz,試件B脫粘位置處一階振動(dòng)頻率在100 Hz以下,分別為88 Hz、84 Hz、72 Hz。分析可知:對(duì)于不同試件的同一位置P處,脫粘試件B上該位置的平均一階振動(dòng)頻率較未脫粘試件A上該位置的平均一階振動(dòng)頻率明顯減小,這是因?yàn)槊撜澈髲椥韵禂?shù)k減小,造成對(duì)應(yīng)的固有頻率f減小。敲擊位置(圖3白色方框中心)處一階振動(dòng)頻率受該位置脫粘損傷狀態(tài)、位于加固鋼梁翼緣表面位置、梁端固定方式等多重因素影響,其平均一階振動(dòng)頻率與脫粘面積大小不存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。

(3) 從圖7(a)～圖9(a)可知,工況1和2中均在脫粘位置P3處PSD曲線中出現(xiàn)了高階頻率,這是由于隨著脫粘面積增大,脫粘碳板的四周邊界約束較小,在相同錘擊激勵(lì)下,激發(fā)出了局部脫粘碳纖維板的高階振動(dòng)模態(tài);工況3中由于錘頭材料的影響,未能有效激發(fā)出脫粘位置處的真實(shí)振動(dòng)模態(tài),導(dǎo)致P3曲線B頻率特征不明顯。

(4) 從3組工況試驗(yàn)結(jié)果分析來(lái)看:金屬錘頭能夠激發(fā)出局部結(jié)構(gòu)的真實(shí)振動(dòng)頻率,通過(guò)PSD曲線較容易判別出脫粘位置,且脫粘位置與未脫粘位置處低階振動(dòng)頻率差異明顯;由于錘頭材料問(wèn)題,塑料錘頭未能有效地激發(fā)出脫粘位置處的真實(shí)振動(dòng)頻率,判別脫粘位置存在困難;從截面形狀來(lái)看,方形截面與圓形截面試驗(yàn)效果差別不大,均能判別出脫粘位置。

4 結(jié)論

本文將敲擊法結(jié)合Welch PSD估計(jì)法用于碳纖維板加固鋼梁結(jié)構(gòu)的脫粘檢測(cè),并設(shè)置FFT方法的對(duì)照組。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié),得到了如下結(jié)論:

(1) 基于Welch PSD估計(jì)的方法可以將脫粘位置與未脫粘位置的頻率差異進(jìn)行可視化,和FFT的頻譜分析結(jié)果相比,PSD曲線的峰值對(duì)應(yīng)頻率差異更明顯,這種頻率變化與結(jié)構(gòu)損傷前后局部剛度減小相對(duì)應(yīng)。另外通過(guò)從PSD曲線中分別提取其一階振動(dòng)頻率,從定量的角度揭示了脫粘位置與未脫粘位置的頻率差異。由頻率峰值對(duì)應(yīng)頻率變化實(shí)現(xiàn)脫粘位置的有效定位,驗(yàn)證了敲擊法結(jié)合Welch PSD估計(jì)法在碳纖維板加固鋼梁結(jié)構(gòu)脫粘位置識(shí)別的有效性。

(2) 本文還探究了敲擊工具的截面屬性對(duì)敲擊檢測(cè)結(jié)果的外在影響,認(rèn)為金屬截面的敲擊工具在碳纖維板加固鋼梁脫粘檢測(cè)中效果更好。在實(shí)際工程進(jìn)行敲擊檢測(cè)時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用金屬錘頭。這一檢測(cè)結(jié)果可為實(shí)際工程應(yīng)用提供有效參考。

本文主要進(jìn)行敲擊法結(jié)合PSD估計(jì)法在脫粘位置定位判別上的探索性嘗試,為取得更明顯的試驗(yàn)效果,將脫粘厚度設(shè)置為2 mm,在驗(yàn)證該方法具有可行性以后,后期會(huì)采用更接近實(shí)際工程需求的脫粘厚度來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)探究。另外,在未來(lái)的深入研究中會(huì)嘗試在每個(gè)位置進(jìn)行敲擊試驗(yàn),并考慮環(huán)境噪聲對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響及在聲音信號(hào)預(yù)處理中進(jìn)行降噪處理。