FAILUR PROCESS MONITORING OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE DURING AXIAL COMPRESSION USING CODA WAVE INTERFEROMETRY
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摘要:
钢管混凝土因其强度高、延性好、稳定性强等优点，在工程上被大量运用。在材料自身性能退化、外部荷载等的作用下，钢管混凝土的性能不断劣化，但在其服役过程中，利用破损的方法切开外层钢管来检测内部混凝土的劣化情况往往是不被允许的，因此利用无损检测方法对不同受力状态下的钢管混凝土开展监测十分必要。该文在轴压荷载下，分别对普通和带内筒两种钢管混凝土试件的失效过程进行了超声监测，并利用尾波对介质中微小变化敏感的特性，构造了适用于钢管混凝土试件损伤监测预警的尾波走时偏移变化率指标。研究结果表明：超声信号幅值、尾波走时偏移、尾波走时偏移变化率三个损伤指标可以反映钢管混凝土的损伤演化情况，在试件失效前，三个指标均发生了显著的降低，后两个指标对钢管混凝土轴压失效不同阶段的刻画更加细致；与普通钢管混凝土试件相比，带内筒的钢管混凝土的三个损伤指标突变点更加靠后，印证了带内筒的钢管混凝土的延性更好；相比于超声信号幅值以及尾波走时偏移这两个指标的突变点，尾波走时偏移变化率的突变点更加靠近钢管混凝土极限承载力出现点，因此更适于作为钢管混凝土试件失效前兆的预警指标。
Abstract:Concrete-filled steel tube (CFST) is widely used in engineering because of its high strength, good ductility and strong stability. Under the influence of material performance degradation and external loads, the performance of concrete-filled steel tube continues to deteriorate; but during its service, the use of damage methods to cut the outer steel tube to detect the deterioration of the internal concrete is often not allowed, therefore, the use of non-destructive testing methods to monitor concrete-filled steel tube under different stress states is necessary. The failure processes of two kinds of concrete filled steel tube specimens, ordinary and hollow sandwich, were respectively monitored by ultrasonic under axial load. Based on the sensitivity of coda wave to small changes in the medium, a coda wave damage index, coda wave travel time deviation change rate, was constructed which is suitable for damage monitoring of concrete filled steel tube members. The results show that, ultrasonic signal amplitude, coda wave travel time shift and coda wave travel time shift change rate can effectively reflect the damage evolution of concrete-filled steel tube (CFST), and the three indexes all decrease significantly before the failure of the specimen. Compared with ordinary concrete-filled steel tube specimens, the mutation points of the three damage indexes of concrete-filled steel tube with inner tube are later, which confirms that the ductility of concrete-filled steel tube with inner tube is better. Compared with the abrupt points of ultrasonic signal amplitude and coda wave travel time shift, the abrupt points of coda wave travel time shift change rate are closer to the occurrence point of the ultimate bearing capacity of CFST, so it is more suitable to be used as an early warning index of the failure precursor of CFST members.
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钢管混凝土是在钢管中填充混凝土形成共同承受外荷载作用的一种组合结构，具有良好的力学性能与耐久性，能够提高结构的承载能力和稳定性，因而被广泛应用于桥梁、建筑等结构[1 − 2]。施工问题、外部荷载及材料自身退化等因素，可能导致的钢管与内部混凝土出现缺陷[3 − 6]，然而检测人员往往无法在结构服役过程中对破损结构进行检测，因此通过无损检测评定结构安全性能是十分必要的。
21世纪初童寿兴及商涛平[7]便通过工程实例证实利用超声波对钢管混凝土质量进行检测是可行的。陈猛等[8]利用超声波对钢管混凝土进行轴压荷载试验，证明了波形均方根振幅、均方根振幅比和频谱可以反映钢管混凝土裂隙的变化情况。CALLEJAS等[9]使用超声C扫描技术检测钢管混凝土不同缝隙比例下基频幅度的响应变化，所采用的快速傅里叶变换、短时傅里叶变换及宽带超声频率技术均对内部损伤方面非常敏感。李宁等[10]提出对剥离损伤尺寸较敏感的归一化扩散及耗散系数作为检测指标，可作为探明损伤规律性的重要参数。凌干展等[11]建立考虑脱空影响的超声波波速计算模型，提出了基于超声波波速的钢管混凝土带球冠形脱空缺陷定量评估模型。上述研究多集中在对钢管混凝土某一状态下的无损检测与评估，而钢管混凝土在服役过程中的状态往往是动态变化的，若能利用无损检测的方法对其受力失效过程开展健康监测，则能从多学科交叉的视角揭示钢管混凝土结构的性能演化机理，有助于实现钢管混凝土结构健康状态评估预知和性能控制。
尾波是在强散射介质内由散射体引起的应力波多次反射、折射、散射后叠加形成的在直达波之后到达的波段，对介质中的微小扰动更加敏感[12]。利用尾波干涉分析介质属性变化的方法最早在地球物理[13 − 15]、岩石力学[16 − 18]等领域内发展起来，由于其对微小扰动的敏感性以及混凝土自身的强散射特性，尾波干涉近年来在土木工程领域也得到了越来越多的应用[19 − 20]。DIEWALD等[21]通过实验收集的超声波信号的相关系数和速度变化，量化了普通混凝土的单轴压缩、单轴拉伸、收缩和蠕变对尾波信号变化的影响。张鹏飞等[22]用尾波干涉法对不同强度等级的混凝土进行受压实验，对尾波波速变化率随应力的变化规律与尾波传播的影响因素进行分析。马彬[23]通过有限元建模，分析混凝土结构中裂缝生长对尾波变化的影响，并套用在室内钢筋混凝土梁试验中，成功对裂隙生长过程进行反演。CHEN等[24]利用尾波检测预载力的微小扰动，提出了一种利用直达波和尾波走时偏移进行多分辨率的螺栓预紧监测方法。ZHOU等[25]对疲劳载荷作用下三个焊接试样的微疲劳裂纹进行检测，发现尾波走时偏移随裂纹宽度变化的增加而线性增大，验证了使用尾波干涉监测焊缝裂纹扩展的可行性。但是，目前尾波分析的方法对钢管混凝土开展监测研究的较少。
本文在轴压荷载下，分别对普通和带内筒两种钢管混凝土试件的失效过程进行了超声监测，并利用尾波对介质中微小变化敏感的特性，构造了适用于钢管混凝土试件损伤监测的尾波特征指标；对比了普通与带内筒两种钢管混凝土结构的超声响应响应，分析了信号幅值、尾波走时偏移及尾波走时偏移变化率三个指标在钢管混凝土试件轴压失效过程中的变化规律。研究成果可为钢管混凝土结构的无损监测工作提供理论与技术支撑。
1 尾波干涉理论
尾波是应力波在含散射体介质中经过多次反射、折射、散射后的结果(图1)，对散射体或异常扰动等有更多的重复采样，所以尾波对介质性质的微小扰动更为敏感，可以识别直达波所不能识别的微小变化。
尾波波场实质上是沿介质内所有可能散射路径传播的波的叠加。在散射特性较强的介质中，波与介质内同一空间区域的各种散射体反复发生作用，此时的介质就如同一个天然干涉仪，由此产生的多次散射波对介质内部发生的微小变化极其敏感。尾波干涉法正是利用尾波的这一特性，通过比较发生扰动前、后的波形，来检测介质的微小变化。若散射介质中某区域发生了变化，那么传播路径上经过此区域的波将被扰动。
在尾波波形图中，若指定一个时间窗口，则此时间窗包含了在该时间窗内到达的所有路径。当介质特性发生微小的变化时，重复波源产生的声信号在穿过该介质时，走时将发生扰动，在波形图上表现为走时偏移。
尾波干涉测量介质波速变化的核心思想就是，通过分析扰动前、后的波形，并研究两列波形的走时偏移分布规律，进而求得相对波速变化。假设某散射介质的原始波速平均值为v，在受到扰动后整个介质发生波速变化，假设在介质中的整个传播路径上相对速度扰动相同且都为δv/v，则传播时间为沿着路径P积分：
$$ t_{\mathrm{\mathit{P}}}=\int_{ }^{ }\frac{1}{v}\mathrm{d}s $$ (1) 将式(1)按照一阶泰勒展开式计算，得到：
$$ t_{\mathrm{\mathit{P}}}+\tau_{\mathrm{\mathit{P}}}=\int_{ }^{ }\frac{1}{v+\delta v}\mathrm{d}s=\int_{ }^{ }\left(\frac{1}{v}-\frac{\mathrm{\delta}v}{v^2}\right)\mathrm{d}s $$ (2) 由于相对波速变化已被假设为相同且都为δv/v，故结合式(1)和式(2)可得：
$$ \tau_{\mathrm{\mathit{P}}}=-\frac{\mathrm{\delta}v}{v}\int_{ }^{ }\frac{1}{v}\mathrm{d}s $$ (3) 与式(1)进行代换可得：
$$ \frac{\tau_{\mathrm{\mathit{P}}}}{t_{\mathrm{\mathit{P}}}}=-\frac{\mathrm{\delta}v}{v} $$ (4) 这便推导出走时偏移$ \tau_{\mathrm{\mathit{P}}}/t_{\mathrm{\mathit{P}}} $即为相对波速变化$ \mathrm{\delta}v/v $的负值。
目前有三种常用的尾波干涉分析方法，即移动窗法[26]、波形伸缩法[27]及泰勒级数展开法[28]。其中移动窗法由于其计算效率高，相对其他方法可以更快地获取较为精确的结果，因此在本文中采用移动窗法进行尾波干涉计算。
移动窗法对初始波形u(t)，扰动后的波形$ \tilde u $(t)在记录时段内选取一段长度为T的时间窗，随后进行互相关计算取得相关性R最大时的ts。互相关计算原理如下：
$$ R\left(t\mathit{\mathit{_{\mathrm{\mathit{s}}}}}\right)=\frac{\displaystyle\int_{t-\frac{T}{2}}^{t+\frac{T}{2}}u\left(t'\right)\tilde{u}\left(t'+t_{\mathrm{\mathit{s}}}\right)\mathrm{d}t'}{\sqrt{\displaystyle\int_{t-\frac{T}{2}}^{t+\frac{T}{2}}u^2\left(t'\right)\mathrm{d}t'\displaystyle\int_{t-\frac{T}{2}}^{t+\frac{T}{2}}\tilde{u}^2\left(t'\right)\mathrm{d}t'}} $$ (5) 式中：ts为所求的扰动前后的时间变化；t为时间窗口的中心时间；窗口长度为T。将扰动前后时间窗内的波进行互相关运算，当互相关函数取得相关性R最大时的ts即为该时间窗内波形的时延τP。接着根据所取的时间窗中心点作为时间基点t，即可换算出相对波速变化$ \mathrm{\mathrm{\delta}}v/v $。
2 试验概况
2.1 钢管混凝土试件制作及加载
试验共制备了4个钢管混凝土试件。其中试件1、试件2设计为普通钢管混凝土，以代号CG(常规)命名，二者尺寸相同。试件3、试件4设计为带内筒的钢管混凝土，以代号NT(内筒)命名，内筒与外筒的钢管采用同种材料，且内外筒同心，NT2钢管混凝土的钢管壁厚略大于试件3。
所有试件的核心混凝土采用表1所示的混凝土配合比设计，每组试件的具体尺寸如表2所示。
本次试验采用YAW-5000液压式压力试验机进行加载，采用单调分级加载模式进行加压，整体试验布置如图2所示。
表 1 混凝土配合比Table 1. Mix proportion of concrete/(kg/m3) 水泥
P.O 42.5粗骨料
10 mm~16 mm细骨料
中砂水 422 1082 667 227 表 2 试件尺寸Table 2. specimens size试件
编号外筒尺寸
(外径×厚度)/mm内筒尺寸
(外径×厚度)/mm高度/
mm结构描述 CG1 219×1.7 无内筒 657 常规的钢管混凝土 CG2 219×1.7 657 NT1 219×2.5 76×2.5 657 带内筒的钢管混凝土 NT2 219×3.0 76×3.0 657 2.2 超声信号采集
因所有试件外径与高度一致，在实验过程中，统一将压电陶瓷片布置在钢管混凝土试件高度方向正中的腰部位置，并在直径方向上正对进行测试。激励侧采用Olympus 5077PR超声脉冲发生接收仪器，设置激励频率为0.1 MHz，采样间隔5 s，采集侧使用NI-5132信号采集卡联合LabView程序进行采集，设置采样频率为10 MHz，采样点数为10 000，压电片在5%采样点处触发，信号采用50次重复采样的平均值并添加50 kHz~300 kHz的带通滤波以降低噪声干扰。检测装置如图3所示。
2.3 试件破坏情况
四组试件在轴压失效过程中，其加载力随位移变化的关系如图4所示。
从图4可以看出，四个试件在弹性变化阶段荷载位移关系总体趋势基本一致，但带内筒的钢管混凝土试件(NT1和NT2)的荷载位移曲线在弹性变形阶段均位于普通钢管混凝土试件(CG1和CG2)的曲线上方，这表明其刚度更大。
在达到承载力极限后，普通钢管混凝土迅速失去承载能力，而带内筒的钢管混凝土则在峰后的延性表现更加明显。如表3所述为四个试件的最终破坏形态，结果如图5所示。
表 3 试件破坏形态Table 3. Failure forms试件 完全破坏时的破坏形态 CG1 普通钢管混凝土的外部钢管
仅有部分凸出褶皱，偏向脆性破坏CG2 NT1 带内筒的钢管混凝土在结构腰部具有明显的凸出褶皱，
偏向延性破坏，NT2还表现了剪切破坏特征NT2 3 结果与讨论
3.1 超声波传播路径分析
在钢管混凝土结构中，超声波有透过外部钢管和内部混凝土以及从外部钢管环绕传播两条主要路径，若对侧传播的直达波先于从钢管中环绕传播的直达波，即有：
$$ {T}_{钢}=\frac{\pi D}{2{v}_{钢}} > {T}_{混}=\frac{D}{{v}_{混}} $$ (6) 式(6)可改写为：
$$ {v}_{钢} < \frac{\pi }{2}{v}_{混} $$ (7) 式中：T钢、T混分别为从钢管表面传播和直接从混凝土中直达的时间；D为结构直径；v钢、v混 分别为钢管和混凝土的波速。通过对同样直径与材质的单纯钢管壁上进行的对侧波速测试发现，单纯钢管壁上测得的首至波时间为0.058 ms，对应钢材波速为5931 m/s。统计本次测试试件从触发到首至波接收的时间约为0.052 ms＜ 0.058 ms，即满足式(6)与式(7)。由此可知，所采集的超声波并非主要由钢管混凝土表面环绕传播的波构成，而是包含了大量的从钢管内部混凝土中传播的波，因此可用作对钢管混凝土轴压破坏过程进行整体分析。
3.2 超声信号幅值变化
以CG1和NT1分别作为普通钢管混凝土和带内筒的钢管混凝土样例对信号进行分析，在不同位移下的超声时域信号如图6和图7所示。在图6和图7中，首至波与信号幅值的变化情况反馈了两种钢管混凝土结构在轴压破坏过程中的区别。带内筒的钢管混凝土首至波到达时间在轴压过程中基本没有变化，反映了其内部始终存在稳定的超声传播路径。而普通钢管混凝土在加载后期首至波发生明显偏移，表明原有传播路径发生了显著变化，亦即普通钢管混凝土内部的混凝土状态发生了明显变化。此外对比普通钢管混凝土和带内筒的钢管混凝土在10 mm变形前的信号可以看出，前者的幅值比后者更大，这可能是由于内筒钢管与周围混凝土的波阻抗差异所导致的信号衰减。但在10 mm变形之后，普通钢管混凝土中信号衰减的更快，表明了其内部的混凝土比带内筒的钢管混凝土内部的混凝土更早发生破坏。
提取超声信号幅值并以初始状态信号幅值进行归一化，与加载力曲线一同绘制如图8所示。受到材料属性、结构形式、试验过程等的影响，虽然四组试验曲线并非完全一致，但其整体趋势仍可归纳为：两种钢管混凝土结构均在加载最大前达到一个极值，且在达到最大加载力前超声信号幅值大幅降低，反映此时混凝土破裂面大量发展，超声信号传播途径大量减少。普通钢管混凝土中的超声在9 mm位移以前存在一个局部峰值，随后迅速衰减，该位置相当于最大承载力的84%，达到最大轴力时信号几乎衰减殆尽。带内筒的钢管混凝土中超声信号衰减起始则约对应12 mm位移，对应最大承载力的90%，同时并非在峰值点之后立即开始迅速衰减，其整体变化趋势更为平滑。
3.3 尾波干涉分析
3.3.1 尾波走时偏移
在相邻两次采集中，结构状态的变化较小，因此只有小部分信号因结构的改变而发生变化。如图9所示为CG1在第20次和第21次的采样信号。从图中可以看出，在首至波部分，二者信号完全重合，但在尾波部分，信号已经发生了较小的偏移。在长期监测过程中，累积每次相邻时间点的尾波走时偏移，则可以反映出结构的变化。
采用移动窗法计算0.11 ms~0.30 ms时间段内的信号的走时偏移，绘制累计的走时偏移曲线与对应位移的加载力曲线对照显示如图10所示。
从图10可以看出，与超声幅值曲线相比，尾波走时偏移曲线变化更为平滑，同时对钢管混凝土不同受力阶段的刻画更为细致。以CG1为例，尾波走时偏移曲线可以大致划分为以下5个不同的阶段：第一阶段(0 mm~3 mm)，可以看出试件的走时偏移开始发生变化，但其变化速率较低，对应钢管混凝土受力初期的加载密实阶段，经计算该段走时偏移平均斜率为3.97×10−4 mm−1。第二阶段(3 mm~6 mm)，走时偏移曲线线性变化，反映钢管混凝土试件在该阶段整体处于弹性变形阶段，该段走时偏移平均斜率为14.07×10−4 mm−1。虽然第一、第二阶段平均斜率均处于增势，但斜率差距明显。第二阶段斜率约为第一阶段的3.5倍，与第一阶段之间存在一个明显的转换点，标志结构从初始压密阶段到弹性变形阶段，走时偏移曲线进入第一次明显增势。第三阶段(6 mm~10 mm)，走时偏移曲线变化趋缓，呈现出明显的阶段转换特征，该段走时偏移平均斜率为2.88×10−4 mm−1。第四阶段(10 mm~14 mm)，该阶段尾波走时偏移急剧增加，表明钢管混凝土内部的应力波传播路径发生了剧烈变化，在该阶段混凝土破裂大量产生，但由于钢管的套箍加强作用，钢管混凝土试件受力仍能继续增加，经计算该段走时偏移平均斜率为33.13×10−4 mm−1。第四阶段斜率约为第三阶段的11.5倍，与第三阶段之间存在一个明显的转换点，走时偏移曲线开始第二次明显增势，标志结构阶段转变进入弹塑性阶段。第五阶段(14 mm~17 mm)走时偏移发生突降，表明钢管发生屈曲，试件迅速失效，该段走时偏移平均斜率为−21.63×10−4 mm−1。
带内筒的钢管混凝土试件的失效过程中，尾波走时偏移曲线也表现出了类似的不同阶段特征，但与普通钢管混凝土试件相比，其变化仍展现出了以下两点主要的不同：① 在弹塑性转换阶段，带内筒的钢管混凝土试件尾波走时偏移曲线的斜率与前后两个阶段斜率的变化差异较小，呈现出了更为自然的过渡形态，但其第二个转换点较为模糊，不易直接定位。② 在达到加载峰值后，尾波走时偏移曲线的变化更加缓和。一个合理的推测，这是因为夹层的内钢管参与协同受力，增强了带内筒的钢管混凝土试件的延性表现。
3.3.2 尾波走时偏移变化率
尾波走时偏移曲线在钢管混凝土试件不同受力阶段展现出了不同的走势变化，为了更加定量地描述上述变化，本文构造了尾波走时偏移变化率指标，即对尾波走时偏移曲线进行求导，并以面积图的形式绘制在尾波走时偏移曲线下方，如图11所示。通过面积图中的波峰、波谷等特征点，可以更加直观的方式对钢管混凝土不同受力阶段进行划分。
在结构的实际使用过程中，人们总是希望能够提前预警结构的破坏时间，以此来避免事故的发生。用于预警的指标，一方面不能过于提前，以免造成结构承载能力的巨大浪费；另一方面也不能过于靠后(如尾波走时偏移峰值点)，以留出一定的响应时间。针对钢管混凝土试件，本文提出溃前信号峰值点(信号幅值曲线迅速衰减前的局部峰值点)、尾波走时偏移二次起增点(即以尾波走时偏移变化率面积图中的波谷点表征的走时偏移曲线开始第二次增势的转换点)、尾波走时偏移变化率峰值点(对应尾波走时偏移变化率面积图中的最大波峰位置)三个预警特征点如图11所示。
从图11可以看出，在不同类型钢管混凝土试件上，三个特征点位均按尾波走时偏移二次起增点、溃前信号峰值点、尾波走时偏移变化率峰值点的顺序出现。对于普通钢管混凝土而言，三个特征点的分布十分接近，因此均可作为结构失效前的预警特征点。而由于带内筒的钢管混凝土试件的延性特征更加突出，因此带内筒的钢管混凝土的三个特征点相隔较远。
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图 11 走时偏移与信号幅值关系图Figure 11. Diagram of the relationship between travel time deviation and amplitude对于带内筒的钢管混凝土而言，尾波走时偏移二次起增点虽然能够最早捕捉到钢管混凝土弹塑性变形阶段的转换，但由于试件在其后仍可持续承受较大的荷载，将其作为结构失效的预警指标则会造成结构承载能力的巨大浪费；溃前信号峰值点意味此时结构中混凝土最为密实，十分利于信号传导，但此时钢管尚能进一步承载，且该点之前可能存在其他峰值点，因此单纯以此点作为预警指标较为困难；尾波走时偏移变化率最大点意味着钢管混凝土在塑性变形阶段的变化趋势被改变，在该点的结构受力经计算约为最大承载力的82%，紧邻的下一阶段便迅速达到承载力极限。因此，无论对普通钢管混凝土还是对带内筒的钢管混凝土，尾波走时偏移变化率峰值点都更适于作为结构破坏前的预警指标。
4 结论
本文对普通和带内筒的钢管混凝土试件进行轴压破坏过程的超声监测，并对超声信号幅值、尾波走时偏移、尾波走时偏移变化率等指标进行分析，得到如下结论：
(1) 超声信号幅值、尾波走时偏移、尾波走时偏移变化率三个指标均可以反映钢管混凝土轴压破坏过程演化情况。但尾波走时偏移、尾波走时偏移变化率对钢管混凝土不同受力阶段的刻画更为细致。
(2) 通过尾波走时偏移曲线，可以将钢管混凝土的轴压破坏过程划分为5个阶段。与普通钢管混凝土相比，带内筒的钢管混凝土试件在弹塑性变形转换以及最终失效阶段的延性特征更加明显。
(3) 普通钢管混凝土的超声信号幅值点、尾波走时偏移二次起增点、尾波走时偏移变化率峰值点出现时间接近，带内筒的钢管混凝土三个特征点之间距离较远。所构造的尾波走时偏移变化率峰值点更适合作为钢管混凝土试件失效前的预警指标。
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图 11 走时偏移与信号幅值关系图
Figure 11. Diagram of the relationship between travel time deviation and amplitude
表 1 混凝土配合比
Table 1 Mix proportion of concrete
/(kg/m3) 水泥
P.O 42.5粗骨料
10 mm~16 mm细骨料
中砂水 422 1082 667 227 
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表 2 试件尺寸
Table 2 specimens size
试件
编号外筒尺寸
(外径×厚度)/mm内筒尺寸
(外径×厚度)/mm高度/
mm结构描述 CG1 219×1.7 无内筒 657 常规的钢管混凝土 CG2 219×1.7 657 NT1 219×2.5 76×2.5 657 带内筒的钢管混凝土 NT2 219×3.0 76×3.0 657
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表 3 试件破坏形态
Table 3 Failure forms
试件 完全破坏时的破坏形态 CG1 普通钢管混凝土的外部钢管
仅有部分凸出褶皱，偏向脆性破坏CG2 NT1 带内筒的钢管混凝土在结构腰部具有明显的凸出褶皱，
偏向延性破坏，NT2还表现了剪切破坏特征NT2
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