以“波”识“害” ——基于超声导波的钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹检测方法

智能化是桥梁工程的未来方向。疲劳导致的钢桥破坏均为无先兆突发破坏，钢桥疲劳问题对智能化的需求尤为迫切，传统监测检测方式的弊端及由此导致的结构安全风险问题日益突出。引入先进的测试技术，推动钢桥监测检测向智能化方向发展，是在役钢桥运维和安全保障的重大战略需求。

正交异性钢桥面板已广泛应用于大跨度公路和铁路桥梁，但其疲劳开裂问题突出。纵肋对接焊缝疲劳开裂，作为钢桥面板结构的重要失效模式之一，严重危害桥梁结构耐久和安全运营，如图1所示。在早年建成的钢桥面板中，传统纵肋对接常采用现场仰位焊接方式，焊接质量难以保证，纵肋作为保证钢桥面板纵向刚度和稳定性的重要构件，一旦发生断裂将直接危害结构安全。目前针对钢桥面板疲劳裂纹的检测方法仍以传统人工巡检和局部检测为主，工作量大、成本高、环境恶劣、检测效率低且易发生漏检。如何及时高效地检测发现疲劳裂纹，为结构运维安全提供支撑，是当前桥梁工程研究的热点和难点问题。

图1 钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳开裂

超声导波是一种高效快速的无损检测与结构健康监测技术，因其具有检测范围大、效率高和缺陷识别能力强等特点而备受关注。本研究团队通过引入超声导波技术，以钢桥面板对接焊缝作为研究对象，探究超声导波在此构造细节的传播特性，并结合钢桥面板足尺节段模型疲劳试验，验证超声导波对钢桥面板对接焊缝疲劳裂纹检测的适用性，以期为钢结构桥梁的疲劳开裂检测及运维提供技术支撑。

超声波在有限弹性介质（例如板）中传播时，受上下板面约束作用，横波与纵波在界面间会不断发生反射、折射与波形转换，而形成一簇能够沿着该介质整截面稳定传播的弹性波，称为超声导波，如图2所示。超声导波在传播过程中若遇缺陷会形成反射波和透射波，通过检测反射波或透射波的变化情况可实现对缺陷的检测。板状结构中超声导波按其质点振动和传播机理可分为Lamb波和SH波，本文选择技术较成熟的PZT压电陶瓷激发超声Lamb波开展研究。

图2 超声导波的形成

Lamb波在传播过程中由于其受上下边界约束，振动模态可分为对称模态（S型）和反对称模态（A型），如图3所示，分别计为S0、S1、S2…和A0、A1、A2…。

图3  对称模态和反对称模态

超声导波因结构参数和频率变化导致其相速度改变的现象称为频散，而其频散曲线包含超声导波的多种关键信息，通过对关键信息的分析可对钢桥面板疲劳裂纹进行有限识别。钢桥面板纵肋对接结构可简化为由多块板组成的板件系统，按照板状结构进行频散特性分析，并进一步研究焊缝特征和交叉过渡等细节对超声导波传播特性的影响。钢材的材料参数按表1取值，以频厚积（频率与板厚的乘积）作为横坐标，计算半无限均匀平板的Lamb波频散曲线如图4所示。

图4  钢板中的Lamb波频散曲线

超声导波的模态数量随着频厚积的增大而增加，多种模态叠加会导致超声导波信号分辨困难，因此尽量避免钢板中超声导波的模态数量过多，应选取较小频厚积的超声导波；但从缺陷检测的角度出发，较高频率的超声导波对微小缺陷更加敏感。结合钢桥面板纵肋常用板厚为8 mm，本文选用中心频率为150 kHz（频厚积1200 kHz·mm）的激励信号，此时钢桥面板纵肋中只存在S0和A0模态的超声导波，且相速度和群速度处于相对稳定区间，对应的S0模态群速度为5016.7 m/s，A0模态群速度为3188.1m/s。

在钢桥面板足尺节段模型疲劳试验的基础上，开展超声导波测试试验研究，采用一发两收式的测点布置，用于接收信号的两测点分别位于焊缝两侧50 mm处，信号激励点位于焊缝一侧距焊缝中心70 mm处，同时在纵肋对接焊缝两侧布置应变测点，辅助判定焊缝的开裂情况，编号为Q1～Q5，两侧各布置两个应变测点（a～d），如图5所示。

图5 局部测点布置（单位：mm）

为了验证超声导波在纵肋对接焊缝中的适用性，根据超声导波缺陷检测机理，现场搭建了超声导波疲劳裂纹检测系统，如图6所示。系统主要由超声导波换能器、任意波形发生器、数字示波器和功率放大器等组成。

图6 超声导波试验检测系统

在疲劳试验过程中，每加载20万次进行一次静载试验，应用上述超声导波试验检测系统对纵肋对接焊缝进行了超声导波试验测试，并辅助应变片进行焊缝局部的应变测试。

计算超声导波信号差异系数和纵肋对接焊缝关键测点应力随加载次数的变化如图7所示。测试结果表明，在疲劳试验加载至480万次时，发现超声导波信号差异系数变化显著，同时应力历程发生突发性急剧下降，经现场检查发现Q3应变测点位置的对接焊缝中心出现了长度约2 cm的浅层疲劳裂纹，裂纹方向与焊缝平行，超声导波测试纵肋对接焊缝开裂前后接收点1的时域信号如图8所示。

图7 超声导波信号差异系数与关键测点应力历程

图8 开裂前后超声导波时域信号对比

为探究超声导波在对接焊缝中的实时传播过程，并 揭示超声导波在对接焊缝中的反射及透射信号特征，明确不同焊接参数对超声导波信号的影响规律，本文采用COMSOL Multiphysics有限元软件，建立钢桥面板纵肋对接焊缝有限元模型。有限元模型几何尺寸为300 mm×8 mm，在构件中心板面一侧设置长8 mm、余高2 mm的焊缝，另一侧设置内衬，其板厚为6 mm，与纵肋搭接相连，模型左右两侧边界设置为吸收边界，材料参数按表1取值。在焊缝一侧距离焊缝中心70 mm板面上施加调制信号激励，并在距离焊缝中心两侧50 mm处各设置信号接收点1和接收点2，用于接收直达、反射及透射波在y方向的振动信号，如图9所示。

图9 有限元模型示意图

将有限元模拟与超声导波试验测试结果进行对比分析，如图10所示，归一化处理后其对接焊缝反射波达到波峰时间相差3.1 μs，误差率为1.55%，表明有限元计算与试验测试结果吻合较好，验证了超声导波检测纵肋对接焊缝有限元模型与试验测试的正确性。

图10 有限元与试验测试结果对比

为探究对接焊缝内衬结构对回波信号的影响，此处建立了含内衬与不含内衬的对比模型。当t=53.3 μs时，无内衬和有内衬模型的焊缝周围导波能量和板厚方向的局部应变张量分布如图11和图12所示。

图11 t=53.3 μs时无内衬模型中导波能量和局部应变张量分布

图12 t=53.3 μs时有内衬模型中导波能量和局部应变张量分布

为探究关键影响参数对超声导波信号特性的影响，本研究团队开展了不同材料特性、焊缝参数和裂纹参数分析，结果可为超声导波回波分析、疲劳裂纹特征提取与识别、缺陷成像与反演提供指导。

钢桥面板结构在焊接连接时需采用焊接材料，其与钢材的材料特性稍有不同（焊接材料的弹性模量约为1.89×105 MPa，密度和泊松比与钢材均相同），计算其A0和S0模态的群速度曲线，并与钢材的群速度曲线对比，如图13所示。

图13 钢材与焊接材料群速度曲线对比

研究结果表明：当横坐标频厚积取1200 kHz·mm时，对S0和A0而言，焊接材料相较于钢材中超声导波的群速度分别下降了4.1%和5.1%，表明钢桥面板的不同材质对频散特性影响较小。另外由于焊接材料在导波的传播过程中仅占较小部分，因此可忽略其对超声导波的影响，后续可将纵肋对接结构视为同种材质进行研究。

对于纵肋对接焊缝而言，几何特征变化是影响超声导波传播特性主要因素之一，由于焊接方法、焊缝强度、坡口形式的差异，会形成不同的焊缝尺寸，包括焊缝宽度和焊缝余高等。基于单一变量对照原则，本文分别以焊缝宽度（B=6，8，10，12，14 mm）和焊缝余高（C=0.5，1，2，3，4 mm）为变量，共建立了用于对比分析的11个有限元模型。通过有限元计算，接收点1、接收点2及波峰峰值对比如图14所示。

图14  不同焊缝参数下接收点信号对比

从有限元结果可以看出，焊缝宽度和焊缝余高对超声导波回波信号有不同程度的影响，包括以下两点：

一是超声导波焊缝反射波波峰随着焊缝宽度的增大而减小，这是由于超声导波传播至对接焊缝时，焊缝宽度越小，截面变化越大，因此形成的焊缝反射信号更强；不同焊缝宽度对超声导波透射波波峰的影响较小，但较大的焊缝宽度会使S0与A0的界限模糊。

二是随着焊缝余高的增大，超声导波焊缝反射波波峰值呈线性增长；当焊缝余高小于2 mm时，对超声导波透射波波峰基本没有影响；当焊缝余高从2 mm增大至3 mm时，超声导波透射波的波峰快速下降，而后维持稳定。

在应用超声导波进行裂纹检测时，裂纹位置和深度是判断纵肋对接焊缝疲劳损伤程度的重要参数，并且疲劳开裂易发生在焊缝区域，两种反射信号产生混叠，将增加超声导波回波信号的识别难度。为进一步提升超声导波的敏感性和检测精度，分析了不同裂纹参数条件下，超声导波信号变化特征，共建立了用于对比分析的9个有限元模型。通过有限元计算，接收点1、接收点2及波峰峰值对比如图15所示。

图15 不同裂纹参数下接收点信号对比

通过有限元结果分析，裂纹位置及深度对超声导波回波信号的影响可归纳为以下5项特性：

第一，当裂纹位于焊缝左侧和右侧时，均具有较强的反射波信号，它的峰值明显高于无裂纹时的反射信号，且裂纹的反射信号峰值基本维持在同一水平，说明超声导波具有在焊缝中识别裂纹的能力。

第二，当裂纹位于焊缝左侧时，接收点1的反射波S0和A0模态界限明显，接收点2的透射波模态发生混叠；而当裂纹位于焊缝右侧时，接收点1的反射波模态混叠，接收点2的透射波S0和A0模态界限明显，说明可通过反射波与透射波的差异性判断裂纹的位置。

第三，当裂纹位于焊缝中间时，由焊缝和裂纹共同的反射信号却比无裂纹仅有焊缝时反射波信号峰值低，且透射波信号无明显差异，说明当裂纹位于焊缝中间，焊接材料发生开裂时，此时不利于超声导波形成有效的裂纹信号，这种情况下利用超声导波进行检测，存在漏检的风险。

第四，不同裂纹深度下，裂纹与焊缝共同形成的反射波信号，随着裂纹深度的增大呈线性增长，同时透射波信号随着裂纹深度的增大呈非线性减小。

第五，超声导波反射波达到峰值的时间随着裂纹深度的增大而提前，由于超声导波入射信号以A0模态为主，当裂纹深度较小时，焊缝形成的反射波信号占主导，反射波信号仍以A0模态为主；当裂纹深度较大时，裂纹与焊缝形成的反射波信号以S0模态为主，说明超声导波在裂纹断面处会发生一次模态转换。

本文通过引入超声导波技术，对钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹检测开展研究，计算了钢桥面板中超声导波的频散特性，建立了基于超声导波的钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹检测方法。在钢桥面板足尺模型中进行了超声导波试验测试，验证了超声导波检测纵肋对接焊缝疲劳裂纹的适用性，最后采用有限元模拟分析了不同焊接参数与裂纹参数对超声导波传播特性的影响，得出下述几点：

结合钢桥面板足尺模型疲劳试验，通过超声导波信号差异系数变化，成功检测了钢桥面板足尺模型纵肋对接焊缝的疲劳裂纹，并通过超声导波理论计算了裂纹位置，验证了超声导波检测钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹的有效性。

采用单面激励的方式在纵肋中形成的超声导波，主要包括A0和S0模态，其中A0模态占主要部分；超声导波在传播至焊缝时形成的反射波以A0模态为主，同时部分A0模态会进入内衬结构，并形成复杂的波形信号；超声导波经过较深裂纹的反射会发生模态转换，使反射信号以S0模态为主。

在不同焊缝宽度下，超声导波焊缝反射波波峰随着焊缝宽度的增大而减小；在不同焊缝余高下，超声导波焊缝反射波波峰值随着焊缝余高的增大呈线性增大；在不同裂纹位置下，超声导波对焊缝两侧焊趾处的裂纹更加敏感，且不同位置裂纹形成的信号具有差异性；在不同裂纹深度下，裂纹与焊缝共同形成的反射波信号随着裂纹深度的增大呈线性增长。

采用超声导波进行钢桥面板实桥裂纹检测，结构特性对超声导波的影响不容忽视。同时考虑环境噪声与车流的影响，结合缺陷定位与损伤成像方法，开展多传感器优化布置研究，并建立结构体系的多损伤定量监测方法是下一阶段的研究重点。