基于壓電波動測量的套筒灌漿缺陷檢測試驗

喬龍西，肖 揚, 羅曉生，張國文，許云鵬，許 斌，夏 頌

(1.華僑大學 土木工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省智慧基礎(chǔ)設(shè)施與監(jiān)測重點實驗室(華僑大學)，福建 廈門 361021；3.中建二局第一建筑工程有限公司，廣東 深圳 518003；4.西安交通大學 電子與信息學部，陜西 西安 710049)

0 引言

建筑工業(yè)化是我國住宅建設(shè)的重要發(fā)展方向，而裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)建筑工業(yè)化的有效途徑。套筒灌漿連接是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中受力鋼筋的主要連接方式[1]。由于灌漿過程不可視，灌漿質(zhì)量可控性差，容易產(chǎn)生灌漿缺陷，灌漿缺陷對結(jié)構(gòu)的力學性能產(chǎn)生不利影響[2]，因此，研究有效的鋼筋套筒內(nèi)部缺陷的檢測方法具有重要意義。

近年來，研究人員運用常用的無損檢測方法，如沖擊回波法、超聲波法、X線法及預(yù)埋法等對灌漿套筒的缺陷進行檢測[3]。何禮航[4]結(jié)合沖擊回波法中的時間差法和振動法檢測套筒灌漿情況，在保證效率的基礎(chǔ)上提高了檢測精度。但沖擊回波法對多排布置的套筒內(nèi)灌漿缺陷檢測效果并不理想。Li等[5]提出了一種基于小波包能量的套筒灌漿缺陷超聲波檢測方法，試驗結(jié)果表明，該方法可有效檢測一定大小的灌漿缺陷。然而，該方法要求試件套筒壁與灌漿料界面膠結(jié)良好且無法檢測出較小尺寸的缺陷。許國東等[6]考慮混凝土厚度的影響，應(yīng)用X線成像技術(shù)成功檢測出套筒灌漿密實程度和鋼筋插入長度。但因X線檢測設(shè)備龐大且存在放射性，故極大地限制了其應(yīng)用。預(yù)埋傳感器法和預(yù)埋鋼絲拉拔法只能進行定性分析，傳感器是成本較高的一次性消耗品，而預(yù)埋的鋼絲可能在預(yù)制構(gòu)件表面外留置過長，檢測前易受到現(xiàn)場擾動和破壞[7]。

鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)是一種能將機械能和電能互相轉(zhuǎn)換的智能材料，具有靈敏度高，響應(yīng)快，集傳感器與驅(qū)動器于一身等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)無損檢測和損傷識別方面[8-9]應(yīng)用廣泛。杜永峰等[10]使用壓電陶瓷對不同銹蝕程度的灌漿套筒內(nèi)壁進行檢測。周少杰等[11]在套筒壁粘貼壓電陶瓷片，通過不同位置壓電陶瓷片的機電耦合阻抗測量對套筒內(nèi)不同程度的灌漿缺陷進行了有效檢測。Xu等[12]通過在套筒外壁粘貼壓電陶瓷片作為驅(qū)動器和傳感器，發(fā)現(xiàn)了灌漿缺陷對波動傳播的影響。許斌等[13-14]將壓電陶瓷片進行封裝并制成驅(qū)動器埋入鋼管混凝土柱內(nèi)部，測量具有模擬剝離損傷的鋼管混凝土柱4個監(jiān)測面上壓電陶瓷傳感器的輸出電壓，對試驗?zāi)Ｐ偷慕缑鎿p傷區(qū)域進行了準確識別。

考慮到實際工程應(yīng)用中將壓電陶瓷片粘貼于預(yù)制構(gòu)件的鋼筋上更便捷，本文提出了一種基于波動測量與分析的套筒灌漿缺陷檢測方法。在實驗室制作具有不同缺陷尺寸的半灌漿套筒，并在兩端連接鋼筋表面粘貼壓電陶瓷片，采用“一發(fā)一收”的形式測量應(yīng)力波，通過對應(yīng)力波進行小波包分析，定義了應(yīng)力波的小波包能量，發(fā)現(xiàn)了套筒灌漿缺陷長度與小波包能量值的線性關(guān)系，為基于小波包能量的灌漿缺陷尺寸的定量識別奠定了基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明，基于灌漿套筒連接鋼筋表面粘貼的壓電陶瓷片的應(yīng)力波的測量與分析，對鋼筋連接套筒灌漿缺陷進行檢測具有可行性。

1 基于壓電波動分析的灌漿缺陷檢測原理

用電信號激勵作為驅(qū)動器的壓電陶瓷，驅(qū)動器因逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生高頻振動，進而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中傳播時遭遇損傷界面將發(fā)生反射和折射等現(xiàn)象，導致應(yīng)力波信號變化，當高頻應(yīng)力波被作為傳感器的壓電陶瓷接收后，在正壓電效應(yīng)作用下壓電陶瓷傳感器輸出電信號。通過比較健康結(jié)構(gòu)與存在缺陷結(jié)構(gòu)的輸出信號的差異對損傷進行檢測。

圖1為基于應(yīng)力波測量的灌漿套筒缺陷檢測原理。粘貼于鋼筋表面的驅(qū)動器產(chǎn)生的應(yīng)力波沿鋼筋傳播，進入套筒后分別沿灌漿及套筒壁傳播，然后被壓電陶瓷傳感器接收。材料自身阻尼特性具有耗能作用[15]，應(yīng)力波在灌漿和套筒壁傳播過程中能量耗散不同，因為灌漿料的阻尼比套筒鋼材阻尼大，所以對套筒鋼材而言，灌漿料中波動能量耗散更大。缺陷長度小的試件中，灌漿料中應(yīng)力波的能量耗散大，傳感器輸出信號能量小。因此，通過比較不同缺陷尺寸套筒輸出信號的差異可反應(yīng)損傷程度。

2 試驗研究

2.1 試件設(shè)計與制作

本試驗中套筒試件采用某型號半灌漿套筒，該套筒一端采用螺紋鋼筋機械連接，另一端采用鋼筋插入灌漿連接。套筒尺寸為?56 mm×292 mm，鋼筋螺紋端連接長度為20 mm，灌漿料為某型號專用高強灌漿料，試件縱向鋼筋為直徑?28 mm的HRB400螺紋鋼筋，如圖2所示。用EVA泡棉材料包裹連接鋼筋模擬3個不同缺陷尺寸，灌漿缺陷距離鋼筋端部10 mm，制作一個健康試件用于對比。

圖2 人工模擬灌漿缺陷狀況

模擬的灌漿缺陷尺寸如表1所示。其中軸向長度是灌漿缺陷沿套筒縱軸方向的長度，厚度指灌漿缺陷沿套筒徑向的厚度。灌漿缺陷沿全圓周方向均勻布置。試件1代表健康試件。

表1 試件缺陷尺寸表

2.2 壓電陶瓷片的布置

本試驗所采用的壓電陶瓷驅(qū)動器和傳感器為壓縮型，平面尺寸為15 mm×10 mm，厚度為0.3 mm。為便于粘貼，通過翻邊處理使壓電陶瓷片的正負電極位于同一面上。圖3為健康與帶灌漿缺陷的試件上壓電陶瓷片布置圖，空白部分表示人為設(shè)置的套筒灌漿缺陷。

圖3 健康與帶灌漿缺陷的試件及壓電陶瓷片布置圖

先將鋼筋打磨出光滑平面，用棉花蘸取酒精擦拭表面的灰塵，涂抹一層AB膠作為絕緣處理，待絕緣層完全固化后，再把涂抹AB膠的壓電片輕輕按壓在粘貼位置。

2.3 試驗裝置

使用任意函數(shù)發(fā)生器對壓電陶瓷驅(qū)動器施加電壓信號，壓電陶瓷傳感器信號由NI數(shù)據(jù)采集儀進行采集，連接電腦采用LabVIEW程序濾波處理，采集程序的采樣頻率設(shè)置為1 MHz，試驗裝置如圖4所示。為了降低頻散效應(yīng)，選擇合適的窗函數(shù)對激勵信號進行調(diào)制[16]。本實驗選用漢寧窗調(diào)制的幅值V0=5 V、中心頻率f=20 kHz的信號作為激勵信號，其函數(shù)表達式為

圖4 試驗測試裝置

(1)

式中：t為時間變量；T為信號周期。激勵信號時域圖如圖5所示。

圖5 激勵信號時域圖

2.4 試驗結(jié)果與分析

在套筒灌漿養(yǎng)護28天后，對壓電驅(qū)動器PZT1施加電壓信號，4個試件壓電陶瓷傳感器PZT2、PZT3輸出電壓信號如圖6、7所示。

圖6 不同試件PZT2傳感器輸出時域信號比較

圖7 不同試件PZT3傳感器輸出時域信號比較

由圖6、7測試結(jié)果可知，當套筒存在灌漿缺陷時，鋼筋表面壓電陶瓷傳感器的測量信號幅值較健康試件明顯增大，且隨著缺陷尺寸的增大，PZT2、PZT3輸出電壓幅值也相應(yīng)增大，此現(xiàn)象與基于表面波測量檢測鋼管混凝土界面剝離試驗[17]相似。

如第1節(jié)所述，由于應(yīng)力波沿鋼筋傳播能量損耗較小，灌漿后沿鋼筋傳播的應(yīng)力波進入內(nèi)部灌漿料將導致壓電傳感器的接收信號幅值降低。因此，灌漿無缺陷時，應(yīng)力波在灌漿中傳播時能量耗散多，進而鋼筋表面壓電傳感器的輸出電壓信號幅值減小。灌漿缺陷尺寸越大，應(yīng)力波在灌漿中傳播時損耗減小，鋼筋表面壓電傳感器的輸出電壓信號幅值大。為進一步闡明試驗研究發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，開展了灌漿套筒應(yīng)力波多物理場模擬研究。

3 數(shù)值模擬研究

分別建立灌漿套筒與壓電陶瓷片構(gòu)成的多物理場耦合模型，并對耦合模型中壓電陶瓷傳感器的瞬態(tài)時程響應(yīng)進行分析。

3.1 耦合模型的建立

模型與試驗所用半灌漿套筒尺寸相同，忽略灌漿口與出漿口的影響。其材料參數(shù)、阻尼、計算時間步長及壓電陶瓷片相關(guān)參數(shù)的設(shè)置參見文獻[18]。

3.2 物理場與邊界條件設(shè)定

在固體力學場中，設(shè)置套筒物理邊界條件為自由，套筒、鋼筋與壓電陶瓷片的接觸點設(shè)置為耦合節(jié)點，變形協(xié)調(diào)。在電場中，所有壓電陶瓷片與鋼筋接觸面設(shè)置接地，壓電陶瓷驅(qū)動器另一面設(shè)置為終端，激勵信號與試驗相同，而傳感器的另一面設(shè)置為接收終端，輸出電壓響應(yīng)。

3.3 網(wǎng)格尺寸劃分和時間步長的設(shè)置

模型中采用四面體網(wǎng)格單元進行劃分。由于激勵信號頻率較高，波長較短，網(wǎng)格劃分需要足夠精細，最大單元尺寸h應(yīng)滿足：

h≥λ/5

(2)

式中λ為激勵信號作用下產(chǎn)生的應(yīng)力波波長。網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖8 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分圖

3.4 數(shù)值模擬時域信號結(jié)果

通過數(shù)值模擬得到健康與帶灌漿缺陷的數(shù)值模型中PZT2、PZT3傳感器時域信號，對其進行比較，結(jié)果如圖9、10所示。

圖9 不同試件中PZT2傳感器輸出時域信號比較

圖10 不同試件中PZT3傳感器輸出時域信號比較

由圖9、10可見，灌漿缺陷的存在導致鋼筋表面壓電陶瓷傳感器的輸出電壓信號幅值顯著上升，且缺陷長度越大，則傳感器電壓幅值越大。數(shù)值模擬結(jié)果呈現(xiàn)的規(guī)律與試驗結(jié)果一致。

4 缺陷評價指標分析

小波包分析不僅具有傅里葉和小波分析的優(yōu)點，而且具有對低高頻信號更精細的分解能力。本文對具有不同尺寸缺陷的灌漿套筒的試驗實測信號進行小波包分解重構(gòu)，計算接收信號的小波包能量值[19-20]。將有灌漿缺陷試件的不同傳感器信號的小波包能量與完好試件信號的小波包能量進行對比，得到灌漿缺陷與波動測量小波包能量的關(guān)系。以缺陷長度為橫坐標，將PZT2、PZT3的小波包能量值點進行線性擬合，表述缺陷長度與小波包能量的定量關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系可對灌漿缺陷長度進行定量檢測。不同試件上壓電陶瓷傳感器PZT2和PZT3的測量信號的小波包能量的計算結(jié)果分別如圖11、12所示。

圖11 PZT2傳感器在不同缺陷程度下輸出電壓的評價指標

圖12 PZT3傳感器在不同缺陷程度下輸出電壓的評價指標

通過線性擬合得到PZT2、PZT3傳感器測量信號的小波包能量值與灌漿缺陷長度的關(guān)系分別為

yPZT2=4.074 1×10-5x+0.003 45×10-3

(3)

yPZT3=3.810 4×10-5x+0.003 51×10-3

(4)

式中：x為缺陷長度；yPZT2為PZT2傳感器測量信號的小波包能量值，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.985 9；yPZT3為PZT3傳感器測量信號的小波包能量值，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.983 5。

5 結(jié)論

通過在套筒連接鋼筋表面粘貼壓電陶瓷片分別作為驅(qū)動器和傳感器，基于鋼筋表面壓電陶瓷片的波動測量與分析，對鋼筋連接套筒內(nèi)的灌漿缺陷進行檢測。通過對帶有不同缺陷的灌漿套筒試件的試驗研究驗證了所提出方法的可行性。通過數(shù)值模擬，進一步分析了灌漿缺陷對鋼筋表面壓電陶瓷傳感器測量信號的影響?；谠囼炁c數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

1) 套筒內(nèi)存在灌漿缺陷時，應(yīng)力波在灌漿中傳播時能量損耗會降低，表現(xiàn)為帶灌漿缺陷的套筒試件中位于鋼筋表面的壓電陶瓷傳感器輸出電壓幅值比健康試件的電壓幅值大。

2) 鋼筋表面壓電傳感器測量信號的小波包能量與套筒灌漿缺陷尺寸有較明顯的線性相關(guān)關(guān)系，小波包能量指標越大，灌漿缺陷尺寸越大。

3) 通過擬合所得灌漿缺陷長度與鋼筋表面壓電陶瓷片測量信號小波包能量的線性關(guān)系，可為灌漿缺陷尺寸的定量檢測提供依據(jù)。

基于鋼筋表面粘貼壓電陶瓷驅(qū)動器和傳感器的波動測量與分析，對套筒灌漿缺陷進行檢測及對缺陷尺寸進行定量評估具有可行性。本文方法具有較高的工程應(yīng)用價值。