Page 60 - 《应用声学》2020年第3期

380 2020 年 5 月

析粘接界面层不同厚度对导波在钢层与混凝土层
0 引言
中传播的影响。
具有结构坚固、可靠稳定和节省材料优势的
1 理论模型
钢 -混凝土结构广泛应用在桥梁、超高层建筑和钢
管混凝土拱桥等基础设施中。然而，由于施工工艺 钢 -混凝土组合结构是一种典型的层状结构，
以及环境负荷将导致钢与混凝土粘接处界面发生
超声 Lamb 波在钢 -混凝土中传播视为在层状介质
脱粘，从而影响结构整体的极限承载能力和安全性。
中的传播。针对本文的钢-混凝土层状粘接结构，建
因此对钢 -混凝土结构界面的粘接质量及安全性检
立如图1所示的理论模型。
测评估显得尤为重要。
由于粘接结构各层声阻抗存在差异、基体材料 x  ฉ͜୧வՔ
ቇඡ
的高声衰减性和频散特性，复合结构多层界面间粘
x  ᨂ
接质量的无损检测至今仍是一个难题。目前，国内
外关于钢 -混凝土组合结构的检测方法主要有红外 ຉіژ
热成像、冲击回波、表面波、声学检测等。田长彬
等 [1] 开发了适用于桥梁钢管混凝土裂缝监测的光 (a) ᓢݞዥଌ
纤光栅传感器，若钢层与混凝土层发生界面脱粘，预 x  ฉ͜୧வՔ
ቇඡ
埋的传感器发生光纤微弯，造成能量传输损耗。该
ᨂ
x 
方法需预先埋置传感器且光纤造价高、容易被破坏。
Renshaw 等 [2] 利用红外热成像检测了储罐和密封 ႍ᭧ࡏ
衬管试样的粘接状态，虽然重建缺陷图像，对目标缺 ຉіژ
陷高度敏感，但需均匀加热设备。Pan 等 [3] 提出了 (b) ीዥଌ
一种针对钢管局部模态的振动试验方法，可实现钢
x  ฉ͜୧வՔ
管混凝土拱桥界面分离实时监测，但需要传感器和 ቇඡ
待检测物之间的物理接触，不适用于结构大并需要 x  ᨂ
大范围检查的情况。Zhu等 [4−5] 进行了基于麦克风 ቇඡ
的混凝土板裂缝成像实验，结果表明表面波的传播
经过裂缝时，声波的能量衰减程度和裂缝与波的传 (c) ᑲዥ
播方向夹角有一定关系，可定性识别局部界面脱空
图 1 钢 -混凝土结构中导波传播模型
损伤，不适合环境噪声较大的场合。郑善朴等 [6] 研
Fig. 1 Guided wave propagation model in steel-
究多层结构中脱粘缺陷的超声检测方法，通过对不
concrete structure
同脱粘缺陷超声脉冲回波的特征分析实现缺陷的
定性、定位和定量。上述几种方法虽然可检测粘接 利用全局矩阵法 [7] 建立层状各向同性固体中
界面损伤，但缺乏高效快速的无损检测方法。 的声传播模型，通过层状介质中气 -固界面及固 -固
超声导波检测是无损检测的一种，是最有效的 界面处应力和位移连续性的边界条件，得到声波
检测方法之一，具有穿透力强、灵敏度高等优点，可 在固体层状结构中理论频散曲线及衰减曲线，分析
以检测金属与非金属以及复合材料等多种结构的 声波在钢-混凝土层状粘接结构中的传播特性 [8−9] 。
损伤。本文提出一种利用空耦超声导波的衰减检测 其中各层参数属性如表 1 所示，其中，V P 表示该层
钢-混凝土粘接结构层间缺陷的方法，利用全局矩阵 纵波波速，V S 表示该层纵波波速，ρ表示密度 [10] 。
技术得到不同粘接条件下导波的理论频散特性和 当理论模型为如图 1(a) 所示时，矩阵方程通过
衰减特性，根据理论选择合适的频率、角度等参数。 式(1)表达：
然后，建立有限元分析模型并对有限元时域结果进  [ ] 
D − [−D 2t ]
行二维傅里叶变换及归一化处理分析，得到不同粘 [S] =  1b  , (1)
[ + ]
[D 2b ] −D
接条件下 S0 模态和 A0 模态幅值变化规律。最后分 3t