孟利波,劉懷林,馬東鵬,席尚賓,吳澤康,劉逸平*

(1.重慶物康科技有限公司,重慶 400000; 2.浙江清華柔性電子技術(shù)研究院,嘉興 314000;3.華南理工大學土木與交通學院,廣州 516000)

伸縮縫是連接兩段公路橋面的裝置,在大型車輛通過、溫度變化作用下公路橋面會發(fā)生變形,而伸縮縫可以調(diào)節(jié)公路橋面的自由變形,因此伸縮縫在公路橋梁中十分重要。然而,嚴苛的服役環(huán)境和重車作用會使伸縮縫發(fā)生損傷,具體體現(xiàn)為接縫處的混凝土破損、鋼筋外露、伸縮縫頂起等[1-2]。伸縮縫的病害十分普遍。例如,金麗溫高速公路在其通車起的8 a時間內(nèi),共有24條伸縮縫發(fā)生了不同類型的病害[2];麗澤橋的各橋段病害都與伸縮縫病害密切相關(guān)[3]。迄今,國內(nèi)已發(fā)生多起因伸縮縫病害導致的嚴重事故。2020年11月11日,在廣澳高速廣州往珠海方向,一輛白色小貨車碰撞路面橋梁伸縮縫后失控,造成嚴重的交通事故。因此,對伸縮縫的健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測,盡早發(fā)現(xiàn)損傷伸縮縫并排除隱患,對保障公路橋梁正常運營至關(guān)重要。

中外橋梁伸縮縫的損傷監(jiān)測主要通過定期人工排查的方法來開展,費時費力同時影響通行。其他監(jiān)測手段(如安裝位移傳感器)雖然可以方便地獲取與橋梁伸縮縫服役狀況相關(guān)的數(shù)據(jù),但工程上這些采集到的數(shù)據(jù)不能直接反映伸縮縫的損傷情況,同時諸如撓度、應變等物理量受溫度影響較大,往往需要進行被測量與溫度的相關(guān)性校正[4-6]。因此,這類伸縮縫損傷探測技術(shù)與伸縮縫健康監(jiān)測的工程需求仍存在巨大差距。

聲波分析是結(jié)構(gòu)損傷檢測的重要方法,其原理是利用聲波在有損和無損的材料中傳播規(guī)律的差異來判定結(jié)構(gòu)物內(nèi)部是否有損傷。其中,聲波CT通過人工激勵發(fā)射超聲信號,在結(jié)構(gòu)物的另一側(cè)接收信號并根據(jù)聲速構(gòu)造體圖像[7]。但是該技術(shù)難以滿足高探測精度和長探測距離的要求,克服該缺點的方法是使用超磁致伸縮材料作為發(fā)射源,然而該材料價格極其昂貴,不能滿足工程上的大規(guī)模使用。實際上,由于接縫處的不平整,車輛行駛過模數(shù)式伸縮縫時會出現(xiàn)不同程度的跳車現(xiàn)象,跳車荷載產(chǎn)生的噪聲本身就是一種良好的激勵。充分利用跳車噪聲來獲取有效信息是橋梁相關(guān)科學研究和工程應用的發(fā)展趨勢。Algohi等[8]在路段兩端的伸縮縫處各放置一個麥克風和采集裝置以記錄車輛通過伸縮縫時的跳車噪聲信號,通過數(shù)據(jù)處理獲取特征峰點來計算車輛通過該路段的車速。目前已有學者指出,通過聲波分析,跳車噪聲信號可以反映出伸縮縫的健康狀態(tài);Nishikawa等[9]在汽車上加裝噪聲采集設備,記錄該車通過伸縮縫時的噪聲信號,發(fā)現(xiàn)通過有損的伸縮縫時聲波在200～500 Hz或500～800 Hz有特征頻帶;Guerreiro等[10]通過對跳車聲波信號的傅里葉變換,得到了以金屬混響為特征的伸縮縫螺栓松動損傷形式的識別方法,提出了應用程序原型。然而,由于缺乏理論或仿真結(jié)果的支撐,將這些研究的成果推廣到實際工程使用前仍需經(jīng)過大量的試驗檢驗其適用性。

利用動力學和聲學仿真,可以模擬物體碰撞過程產(chǎn)生的噪聲,從而開展噪聲特征的研究、方案制定和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。這種仿真方法已被運用于交通相關(guān)領(lǐng)域,例如,李中哲等[11]基于多體動力學的變速器噪聲預測方法,準確地預測變速器輻射噪聲,為進一步研究變速器噪聲優(yōu)化設計提供參考;李文平等[12]建立了車窗系統(tǒng)的動力學仿真模型和聲學仿真模型,實現(xiàn)了轎車車窗上升過程振動響應及噪聲仿真;王鵬斌等[13]從噪聲對環(huán)境舒適性影響的角度,通過動力學和聲學仿真研究了輪胎噪聲聲源。因此,利用動力學和聲學仿真模擬車輛車胎與無損/有損伸縮縫的碰撞產(chǎn)生的噪聲特征,優(yōu)化麥克風的布局,技術(shù)上可行。

現(xiàn)建立無損和以路面破損導致伸縮縫鋼筋外露為典型損傷特征的伸縮縫路段模型,采用動力學仿真獲取車胎與伸縮縫碰撞過程的加速度場,并在聲學仿真中將其表征為聲壓,模擬跳車過程中的環(huán)境聲場,分析聲場特征并研究跳車高度對聲場的影響,確定用于伸縮縫健康監(jiān)測的麥克風布局。為基于噪聲分析的伸縮縫健康監(jiān)測提供方案指導。

1 跳車過程動力學-聲學仿真

輪胎-伸縮縫的動力學仿真模型如圖1所示,其中圖1(a)為無損伸縮縫,伸縮縫的C型鋼表面與混凝土表面齊平;圖1(b)為損傷伸縮縫,混凝土破損后伸縮縫的鋼筋部分外露?？紤]到計算成本,所有模型幾何尺寸按實際尺寸的1/4進行縮放,模型中路面大小為1.5 m×1.5 m×0.25 m,輪胎直徑0.35 m,寬度0.08 m,水平速度5 m/s,豎直方向初速度為0,伸縮縫的幾何模型參考GQF-C型伸縮縫。對于無損和損傷的伸縮縫,分別選取輪胎和伸縮縫間距0.01、0.03、0.06 m作為跳車高度?？紤]到車輛的載重,模型中在輪胎中心點處施加2 450 N、方向豎直向下的集中力。輪胎與伸縮縫間采用罰函數(shù)的接觸方式設置了接觸對,計算不同跳車高度下伸縮縫的動力學響應。動力學計算在商業(yè)有限元軟件COMSOL中完成。

模型中輪胎為橡膠,伸縮縫為結(jié)構(gòu)鋼,路面為混凝土,主要的材料參數(shù)如表1所示。其中,由于伸縮縫和路面相較于輪胎剛度較大,在跳車過程中伸縮縫和路面的變形量小,所以在定義本模型中結(jié)構(gòu)鋼和混凝土時只需要考慮其線彈性范圍的力學屬性即可。但是,輪胎在跳車過程中會發(fā)生較大變形,因此需要表征橡膠材料的超彈性模型。本文研究采用的是經(jīng)典的Mooney-Rivlin模型。Mooney-Rivlin模型采用彈性應變能來表征力學性能,考慮到計算成本和計算精度要求,使用Mooney-Rivlin模型2參數(shù)形式的本構(gòu),表達式為

表1 模型材料參數(shù)

(1)

(2)

多體動力學在時域求解,而聲學在頻域求解。由于聲學計算在頻域聲學范疇下開展,其控制方程采用赫姆霍茲方程,即

(3)

式(3)中:?為梯度算子;ρc為材料密度;pt為總聲壓;qd、Qm分別為單、偶極子源項;Keq為角頻率與材料聲速的比值。

聲學仿真中硬聲場邊界條件為

(4)

式(4)中:n為表面法向方向。

具體地,在計算中將輪胎與伸縮縫接觸區(qū)域的法向加速度轉(zhuǎn)換為頻域,并用作噪聲源,然后執(zhí)行聲學分析,以計算圖1(a)中麥克風測點1、2和3的聲壓級。

2 動力學仿真結(jié)果

動力學仿真可以得到跳車過程的應力云圖。圖2為無損和有損狀態(tài)下輪胎與損傷伸縮縫接觸過程出現(xiàn)最大應力時的應力云圖。圖3為不同跳車高度下伸縮縫無損和有損狀態(tài)下的最大應力曲線?？梢园l(fā)現(xiàn),輪胎與無損伸縮縫接觸的最大應力遠小于相同跳車高度時損傷伸縮縫的最大應力。無損狀態(tài)下,最大應力出現(xiàn)在輪胎與伸縮縫接觸時的混凝土位置,跳車高度0.06 m時最大應力為2.5 MPa;損傷狀態(tài)下,最大應力出現(xiàn)在輪胎與伸縮縫接觸時的鋼筋位置,跳車高度0.06 m時最大應力達到27.1 MPa。

圖2 跳車過程伸縮縫應力云圖

圖3 跳車高度-最大應力曲線

圖4為不同跳車高度下無損和有損伸縮縫系統(tǒng)的最大加速度曲線。系統(tǒng)的加速度是噪聲輻射的量度,在后續(xù)的聲學仿真中需將其作為聲學的聲壓源,因此對聲學仿真十分重要。可以發(fā)現(xiàn),隨著跳車高度的增加,系統(tǒng)的最大加速度隨之增大,同時在相同跳車高度下有損伸縮縫的最大加速度也顯著大于無損的工況。

圖4 跳車高度-最大加速度曲線

3 聲學仿真結(jié)果

圖5為跳車高度為0.06 m時麥克風測點2處記錄到的聲壓-時間曲線。從圖5可以明顯看出,相較于損傷伸縮縫下記錄到的聲波信號,無損狀態(tài)下的聲壓幅值更小,同時波形也略微滯后于損傷下的波形。因此,通過麥克風記錄到的聲壓-時間曲線,可以對伸縮縫進行損傷探測。

圖5 無損和有損伸縮縫下跳車噪聲聲壓-時間曲線

為研究不同麥克風測點的噪聲信號差異,以跳車高度0.06 m的損傷伸縮縫為例,調(diào)取麥克風1、2和3記錄到的聲壓-時間曲線(圖6)?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著麥克風遠離輪胎與伸縮縫的接觸點,聲壓的幅值會逐漸下降且波形規(guī)律基本保持不變,但聲壓幅值仍明顯高于無損狀態(tài)下的聲壓幅值。因此,在工程實際中,可以根據(jù)實際測量條件在伸縮縫附近布置測點而不影響伸縮縫的健康監(jiān)測。

圖7為聲學仿真得到的損傷狀態(tài)下不同跳車高度的聲壓級云圖。從圖7可以發(fā)現(xiàn),對應于圖1的麥克風各測點,測點1處的聲壓大于測點2和3的聲壓,同時跳車高度對系統(tǒng)聲壓的影響顯著。

圖8為麥克風測點1、2和3記錄到的聲壓-時間曲線。從曲線中可以看出,跳車高度對噪聲聲波頻率幾乎沒有影響,不用跳車高度下聲波的波峰和波谷的位置基本保持一致。但是,跳車高度對噪聲聲壓幅值有一定影響。提取圖8中的不同跳車產(chǎn)生聲波波峰波谷的絕對值,繪制于圖9?？梢钥闯鎏囋肼暤姆党尸F(xiàn)先增后減的趨勢,同時跳車高度越大,幅值上升的速度也越大。波峰波谷的最大幅值也呈現(xiàn)跳車高度越大幅值越大的規(guī)律,可以看出,跳車高度0.06 m時的最大聲壓幅值約為0.01 m時的1.3倍,約為0.03 m時的1.1倍。

圖8 不同跳車高度的損傷伸縮縫麥克風測點3的聲壓-時間曲線

圖9 不同跳車高度的聲壓各波峰波谷絕對值

4 結(jié)論

采用動力學仿真得到跳車過程輪胎與伸縮縫接觸過程的動力學響應,在此基礎上通過聲學仿真得到跳車過程產(chǎn)生的噪聲聲場,分析損傷伸縮縫的噪聲特征,研究跳車高度對噪聲特征的影響,確定用于伸縮縫健康監(jiān)測的麥克風布置方案。得到以下結(jié)論。

(1) 伸縮縫的健康狀態(tài)對輪胎與伸縮縫碰撞過程的動力學響應有顯著的影響,損傷伸縮縫在跳車過程中的最大應力與最大加速度都大于無損伸縮縫。此外,最大應力與最大加速度都隨著跳車高度增加而增大。

(2) 無損與損傷伸縮縫跳車噪聲的主要區(qū)別是無損伸縮縫的噪聲聲壓遠小于損傷伸縮縫,同時無損伸縮縫的聲壓波形滯后于有損系統(tǒng)?？梢岳迷撎卣鱽碜R別伸縮縫的健康狀態(tài)。

(3) 跳車高度會影響系統(tǒng)的聲壓。跳車高度越高,沖擊能量越大,聲壓越大。麥克風離跳車位置越近,麥克風記錄到的聲壓越大。但是,跳車高度和麥克風位置基本不影響除聲壓幅值外的聲波特征。