基于多道面波技术识别钢-混组合结构粘结滑移损伤的实验研究与机理分析

The construction scale of super high-rise buildings and large-scale engineering structures has been rapidly increased in China. The steel-concrete composite structures have been widely applied in complex civil infrastructures due to their excellent mechanical properties. Therefore, it is urgent to develop the nondestructive testing(NDT) method for the bond-slip detection of steel-concrete composite structures to guarantee the mechanical performance and structural safety of civil structures. This project intends to introduce multi-channel surface wave analysis (MASW) to improve the recognition accuracy of bond-slip defects in view of the shortcomings of the conventional NDT techniques. The theoretical analysis on the dispersion characteristics of stress wave in large scale steel-concrete composite members will be performed, followed by the MASW-based bond-slip monitoring for the push-out tests on eight groups of steel-concrete composite components and the tensile tests on two sets of concrete filled double-steel-plate composite walls with different lateral connection approaches. Furthermore, the influence of the random distribution of aggregates in concrete on the detection accuracy will be investigated using multi-scale and multi-physics coupling numerical analysis. The physical mechanism of MASW-based bond-slip detection for steel-concrete composite structures will be studied in depth. Finally, the efficiency of the homogenization method in accelerating the time-history analysis on the wave propagation process will be comparatively investigated. Scientific guidelines for the optimization layout of sensors will be provided. The proposed MASW-based NDT approach can achieve bond-slip detection by comparing the variation trend of the coaxial characteristics in the time-history output signals and the dispersion curves obtained from forwarding analysis, for avoiding misjudgment of the experimental observations.

随着我国超高层建筑和大型复杂工程结构建设规模的迅速增长，钢-混组合结构因其优异的力学性能得以广泛应用。研发适用于钢-混界面粘结损伤的高效检测方法，对保障结构性能和安全具有重要意义。本项目针对传统检测技术的不足，引入多道面波分析(MASW)以提高对粘结滑移的识别精度。首先，分析大型钢-混组合构件中应力波的理论频散特性。基于MASW方法，开展8组钢-混组合构件推出实验和2组采用不同锚固模式的双钢板组合剪力墙抗拔实验的界面粘结滑移监测。结合多物理场耦合分析探讨混凝土细观骨料随机分布对检测结果的影响，深入研究MASW识别钢-混界面粘结滑移的物理机制。最后，探究均匀化多尺度方法分析应力波传播机理的高效性，提出科学合理的传感器优化布置准则。本项目提出的基于MASW的钢-混界面粘结滑移损伤识别方法可依据时域检测信号同轴特性的消隐规律及正演分析实现对粘结滑移的双重识别，为避免对检测结果的误判提供双保险。

随着土木工程行业的发展，钢-混凝土组合结构以其优越的力学性能得以广泛应用。钢-混凝土组合结构界面损伤是影响组合结构性能的重要因素，研发适用于钢-混凝土组合结构界面损伤的高效无损检测方法，对结构安全性和耐久性具有重要意义。本项目针对现有技术的不足，提出了基于多道面波分析法（MASW）的钢-混凝土组合结构界面损伤检测技术，深入开展了频散特性的理论分析、数据采集系统搭建和试验研究等研究工作，研究成果对实际工程中钢-混凝土组合结构界面损伤检测具有重要的指导意义。. （1）在理论研究方面，本项目深入探讨了MASW方法的检测机理，建立了胶结区与脱粘区的理论分析模型。研究结果表明：在低频区域，胶结区频散曲线出现显著平台段，而脱粘区波速随着频率的降低而逐渐减小；胶结区波速整体高于脱粘区。. （2）试验检测系统方面，本项目搭建了基于MASW方法的多通道高频数据同步采集系统，开发了完整的数据采集和分析软件。在此基础上，开展了系统的传感器优化选型试验研究。测试结果表明，压电陶瓷（PZT）可实现多道面波的数据采集，压电陶瓷、力锤可作为面波的激励源。. （3）在试验研究方面，设计了不同缺陷长度、缺陷深度和钢板厚度的钢管混凝土柱、剪力墙和粘钢加固构件，并开展了系统的试验研究。试验结果与理论分析基本一致，证明了MASW法应用在钢-混凝土组合结构界面脱粘缺陷检测的可行性，验证了数据采集系统的可靠性。. （4）基于实测数据，开展了系统的参数分析。重点研究了缺陷占比、阵列间距和阵列长度对MASW实测数据的影响。分析结果表明：缺陷占比直接影响频散曲线的变化趋势；阵列长度主要影响检测分辨率和检测频段下限；阵列间距决定检测频段上限和对误差的平衡能力。最后，提出了一套完整的MASW方法的实施方案。. 本研究针对MASW方法的界面损伤方法，开展了系统的理论分析、试验研究和参数分析，提出了完整的测试流程。研究成果可进一步完善钢-混组合结构无损检测技术，可用于指导MASW方法的实际工程应用。