装配式建筑连接构件疲劳损伤智能检测方法研究

陈颖

（福州外语外贸学院智能建造学院，福州 350202）

装配式建筑连接构件在外部条件的作用下会产生疲劳现象，其疲劳损伤的过程是一个伴随着构件内部状态的非可逆过程。疲劳损伤会降低构件的疲劳寿命、劣化其疲劳抗力，导致构件提前失效破坏[1]。对构件的疲劳损伤展开检测有利于及时对其修复，从而实现施工过程的质量风险监控[2]，也有利于维护装配式建筑的稳定性。

目前，国内外已有相关学者针对构件损伤检测方法展开了研究。国外学者Lam[3]提出了一种通过模态数据进行结构模型更新和损伤检测的贝叶斯方法。采用了最新开发的马尔可夫链蒙特卡罗算法来处理模型更新问题。该方法侧重于使用不确定模型参数的后验概率分布函数，考虑建模误差和测量噪声的影响来计算相关问题的不确定性。通过计算对各种结构部件的破坏程度的概率分布，将提出的贝叶斯方法应用于结构损伤检测。Krishnan[4]提出了一种新颖的无基线方法，方法使用递归主成分分析（RPCA）结合时变自回归建模（TVAR）进行多自由度振动结构的连续在线损伤检测。使用一阶扰动方法在线获取递归的适当正交分量，并对第一个变换响应进行TVAR 建模，以检测振动系统从原始状态到初始状态的动态行为的变化，从而识别损坏的连续线性和非线性状态。国内学者也针对该领域展开了研究，如文献［5］中设计的建筑结构动力弹塑性损伤检测方法和文献［6］中设计的基于磁导率检测技术的疲劳损伤检测方法。其中，文献［5］方法从有效应力与Cauchy 应力张量等方面分析了弹塑性损伤模型基本原理，然后利用Bonora 损伤模型获取失效建筑材料损伤指数，并计算整体建筑结构构件损伤指数，从而完成对中强地震下的建筑结构动力弹塑性损伤模型的构建。文献［6］方法利用磁导率检测技术来检测试件磁导率变化，从而得知建筑构件某区域与磁导率相关的各种变化情况，然后从磁路欧姆定律出发，推导分析了检测方法和检测原理。但传统方法存在不同程度的弊端，如灵敏度低、检测耗时长。

超声波技术是一种先进的提取技术，具有时间短、提取效率高等优势[7]。因此，为克服传统构件疲劳损伤检测方法存在的不足，研究借助超声波辅助技术设计了一种新的装配式建筑连接构件疲劳损伤检测方法，以期达到提高连接构件疲劳损伤检测质量的目的。

1 检测方法设计

1.1 疲劳损伤累积模型

疲劳损伤线性累积理论是最早被广泛应用的疲劳损伤累积理论，定义了疲劳损伤变量是在循环加载下的载荷循环次数与疲劳寿命的比值。 疲劳损伤线性累积准则在计算方法上比较简单和直观，在各种构件中都得到了广泛应用。但是无论是建筑材料还是建筑构件，疲劳损伤的产生过程都是比较复杂的。尤其是在外部环境的影响下，疲劳损伤的累积过程并不是简单的线性累积，无论是在单级荷载还是双级荷载水平下，疲劳累积损伤演化过程很容易呈现出非线性的发展趋势[8-9]。为了更准确地描述装配式建筑连接构件疲劳损伤的发展规律，建立了构件的疲劳损伤累积模型。

将装配式建筑连接构件疲劳损伤的形成和扩展过程用载荷循环次数分开，通过建立非线性系数-连接构件-宏观力学量之间的关系[10]，来描述疲劳损伤的演变规律。损伤力学[11]的广泛应用与发展，为疲劳分析提供了新的概念和方法，疲劳分析的损伤力学可以有效降低疲劳分析对实验结果的依赖程度，提高寿命分析的精度。

为了在检测过程中准确了解装配式建筑连接构件的初始力学性能状态，从而确定构件的初始极限强度，研究采用寿命估算的方式确定了构件的疲劳强度之后，可以利用S-N 曲线[12-13]来推算装配式建筑连接构件的初始极限强度fc：

式（1）中，fmax表示极限强度最大值，fmin表示极限强度最小值。针对装配式建筑连接构件的特殊性，需描述装配式建筑连接构件强度衰减所对应的损伤状态[14]。在复杂的环境中，相同的疲劳损伤现象对应着不同的过程，根据构件疲劳损伤的现象和过程，定义装配式建筑连接构件的损伤变量如下：

式（2）中，R0表示装配式建筑连接构件的初始应力比，R（′n）表示构件疲劳过程中的应力等值线[15]，R（′n）=，n 表示循环次数。

在连续损伤力学里，材料中的应力、应变和损伤，其分布都是用连续变量来描述的，在连续损伤概念的基础上，根据装配式建筑连接构件瞬时疲劳强度与损伤变量之间存在非线性增量关系的假设，建立构件疲劳损伤演变方程如下：

式（3）中，γ 表示构件循环载荷的最大值，γec表示构件的极限承载能力，B 表示构件循环n 次之后的强度。

装配式建筑连接构件的疲劳损伤过程是一个不可逆的能量损耗过程，滞回环能是装配式建筑连接构件疲劳损伤循环过程中循环塑性应变与循环应力的综合表示，且可以反映构件疲劳损伤循环非线性的相关性[16]。当构件疲劳损伤的不可逆能耗累积到一定的临界值时，就会产生疲劳失效。

1.2 疲劳损伤检测

将装配式建筑连接构件应力应变关系与超声波动方程进行有机结合，得到超声波在装配式建筑连接构件中传播的非线性效应[17]。以构件疲劳损伤的非线性波动方程为例，建立了超声波接收信号与非线性超声特征参数之间的关系。

当装配式建筑连接构件中只有纵波时，则存在：

式（4）中，u、ν 和 w 表示三个位移的分量。其中 u表示装配式建筑连接构件在水平方向上的位移，x 表示超声波在装配式建筑连接构件中的传播距离，t 表示超声波在装配式建筑连接构件中的传播时间。

当装配式建筑连接构件的疲劳损伤处于小应变的情况下，非线性波动方程为：

式（5）中，ρ 表示装配式建筑连接构件的密度，σ表示装配式建筑连接构件发生疲劳损伤的应力。且装配式建筑连接构件的正应变为ε：

装配式建筑连接构件的应力与应变之间的关系可以描述为：

式（7）中，E 表示装配式建筑连接构件发生疲劳损伤时的弹性模量。

超声波在装配式建筑连接构件中传播的声速c满足：

将公式（6）到公式（8）代入到公式（5）中，得到装配式建筑连接构件疲劳损伤的波动方程为：

将f′（ε）按照Taylor 级数展开，可以得到：

式（10）中，β表示超声非线性系数，Δε3表示无穷小项。

将公式（9）代入公式（10）中，可以得到：

当穿过装配式建筑连接构件的超声波为单频率的正弦波时，就会存在：

式（12）中，A1表示基波的幅值，ω 表示角速度。

在检测装配式建筑连接构件疲劳损伤中，超声波的传播距离和频率不变的情况下，频率β 与成正[18]。因此，可以将超声波在装配式建筑连接构件传播的非线性系数定义为下述形式：

式（13）中，A2表示超声波的幅值。超声波通过构件检测表面的耦合剂进入构件，在构件中传播，碰到缺陷或者构件底面就会反射回至探头，根据反射波的位置及波幅高度可以推断其损伤位置和大小[19]。除此之外，当超声波在装配式建筑连接构件中传播时，会导致连接构件产生高次谐波，从而使其基波幅值和谐波幅值都发生改变。与此同时，其非线性系数也会随着改变[20]。因此，应用相对超声非线性系数来检测装配式建筑连接构件的疲劳损伤情况，通过超声波获得装配式建筑连接构件的疲劳损伤量。

2 实验与结果分析

2.1 实验设计

为验证上述超声波辅助下装配式建筑连接构件疲劳损伤检测方法的有效性，设计如下实验加以证明。装配式建筑连接构件疲劳损伤检测系统由RAM-5000 卡带系统、阻抗、衰减器、滤波器、超声波传感器、前置放大器、示波器以及微机测量系统组成，实现了超声信号的产生、控制、采集和处理。

实验材料中：连接构件母板的长度为23 cm，宽度为3 cm，厚度为0.35 cm。另外，复合材料补片半径为0.7 cm，其厚度为0.045 cm。

检测过程如下：装配式建筑连接构件疲劳损伤检测系统产生单频正弦超声信号，通过50 Ω 阻抗将信号传输给衰减器，再将超声信号传输到低通滤波器使高频干扰信号被滤除，输入中心频率为2.25 MHz的激励探针。超声波信号在装配式建筑连接构件中传播过程中。为了更好地接收到含有高次谐波的信号，将接收探针的中心频率设置为激发探针的2 倍左右，然后直接将信号输入1 通道，再经过带通滤波器进行滤波处理后，由前置放大器放大超声波信号，再输入到2 通道，最后通过示波器来调试信号，在计算机操作界面上获得基波和二次谐波的幅值。非线性超声波检测系统的示意图如图1 所示。

图1 非线性超声波检测系统的示意图Fig.1 Schematic diagram of nonlinear ultrasonic detection system

2.2 疲劳试验设置

疲劳试验中疲劳载荷为拉负荷，其波形为正弦波曲线。母板抗拉强度设定为201.2 MPa。当母板抗拉强度在拉力机上施加时，载荷下的装配式建筑连接构件疲劳应力比设为0.1，装配式建筑连接构件的疲劳循环次数设置为0~6 500 次（6 500~7 000 次后的装配式建筑连接构件就会发生断裂）。

实验中采用恒压式伺服油源来调节装配式建筑连接构件疲劳试验机的液压夹持力，其压力值可以采用手动的方式来调节。疲劳试验过程中，冷却水箱不会因为温度过高而导致机器损坏，系统设定温度在35 ℃以上时会自动停止运行。

2.3 结果与分析

为避免实验结果的单一性，将研究方法与文献［3］中的建筑结构动力弹塑性损伤检测方法、文献［4］中的基于磁导率检测技术的疲劳损伤检测方法作为对比，从检测灵敏度、检测耗时、检测准确度3个角度与研究方法共同完成性能验证。

2.3.1 检测灵敏度对比

首先测试不同方法对构件损伤检测的灵敏度，对比结果如图2 所示。

图2 疲劳损伤检测灵敏度对比结果Fig.2 Comparison results of fatigue damage detection sensitivity

从图2 所示的实验结果可以看出，在采用文献［3］方法和文献［4］方法来检测装配式建筑连接构件时，由于连接构件疲劳损伤特征的提取精度较低，使得检测灵敏度低，文献［3］方法的最高检测精度为93%，文献［4］方法的最高检测精度为89%。应用研究方法检测装配式建筑连接构件的过程中，构建了疲劳损伤累积模型，并简化了检测流程，使得损伤检测灵敏度始终保持在93%以上，远远高于两种对比方法的检测灵敏度。

2.3.2 检测过程耗时对比

测试不同方法对构件损伤检测的耗时情况，对比结果如图3 所示。

图3 疲劳损伤检测耗时对比结果Fig.3 Comparison results of fatigue damage detection time

从图3 所示的实验结果可以看出，应用文献［3］和文献［4］方法在检测装配式建筑连接构件损伤时，由于构件的初始极限强度低，随构件数增加时检测时间也明显增加，文献［3］方法的最终检测耗时为11 s，文献［4］方法的最终检测耗时为12 s，而采用本研究方法检测时，最长用时为6 s，并且其整个检测过程耗时可始终保持在6 s 以下。

2.3.3 检测准确度对比

在上述研究的基础上，以检测准确度为指标，进一步对3 种方法的应用性能展开对比，结果如图4所示。

从图4 所示的实验结果可以看出，在采用文献［3］方法和文献［4］方法来检测装配式建筑连接构件时，由于未能对连接构件的疲劳损伤特征进行准确、有效提取，使得检测结果的准确度偏低。使用文献［3］方法和文献［4］方法进行损伤检测，准确度最高才可到达94%，而应用研究方法检测装配式建筑连接构件的过程中，构建了疲劳损伤累积模型，并将构件应力应变关系与超声波动方程有机结合，得到超声波在构件中传播的非线性效应，从而使得损伤检测准确度始终保持在95%上下。

图4 疲劳损伤检测准确度对比结果Fig.4 Comparison results of fatigue damage detection accuracy

综上所述，研究设计的超声波辅助下装配式建筑连接构件疲劳损伤检测方法在检测灵敏度和检测时间上都具有较大优势，有效提高了检测的效果。

3 结论

在超声波辅助技术下，设计了一种装配式建筑连接构件疲劳损伤检测方法，利用S-N 曲线计算连接构件的初始极限强度，然后定义装配式建筑连接构件的损伤变量，并在设计疲劳损伤累积模的基础上，有效应用了超声波检测技术，从而取得了具有较好的检测效果。

在装配式建筑连接构件的疲劳损伤检测研究中，结合疲劳损伤等效性，从循环载荷作用下，根据构件的显微结构特征来看，循环载荷的水平不同会导致构件出现不同的位错结构。因此，在不同水平的循环载荷作用下，不可能存在相同或类似的疲劳损伤状态。随着载荷增大，失效概率逐渐增大，由于疲劳损伤状态与循环载荷水平并非完全的正相关关系，还可以认为构件疲劳损伤与失效概率等效并不是对应的。构件的疲劳损伤累积是具有一定的非线性特征的，不能直接认为在不同情况和水平下，装配式建筑连接构件循环载荷之间找到当量循环次数。