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原文传递正交异性钢桥面板疲劳裂纹的超声导波检测方法

论文题名：	正交异性钢桥面板疲劳裂纹的超声导波检测方法
关键词：	正交异性钢桥面板;疲劳裂纹;特征值分解;双阵列MUSIC算法;相位差
摘要：	正交异性钢桥面板以其轻质高强、易于施工、超长跨度以及超高承载力等众多优良特性，被广泛应用于大跨度桥梁结构中。但同时，正交异性钢桥面板在长期服役过程中常常会面临疲劳开裂的问题，对其结构安全和正常运行带来严重威胁。因此，对正交异性钢桥面板中的疲劳裂纹进行高效准确的检测，对保证大跨度桥梁的服役运营安全和延长其使用寿命具有重要意义。　　正交异性钢桥面板上的裂纹出现的位置常常具有随机性，有些疲劳裂纹还具有隐蔽性，常规目测无法发现。而且，疲劳裂纹通常不会影响结构整体的静力或动力特性，这使得传统的基于整体信号的损伤识别方法难以发挥作用，进一步增加了检测难度。超声导波可以在板状结构等波导结构中长距离传播而能量损耗较小，并且超声导波对微小的损伤较为敏感，是一种板状结构中精准高效损伤检测方法。本文针对正交异性钢桥面板中不同位置处的疲劳裂纹的特性，分别研究了相应的疲劳裂纹导波检测方法，具体研究内容如下：　　（1）对于导波阵列在实际正交异性钢桥面板U型肋侧面远距离检测时，阵列接收信号信噪比低的问题，提出了一种低信噪比导波阵列信号的特征值分解方法。利用阵列接收信号中信号子空间与噪声子空间正交的特性，从低信噪比的阵列接收信号中提取损伤信息。通过数值模拟和实桥检测试验验证，验证了该方法的有效性。　　（2）对于在正交异性钢桥面板U型肋上进行疲劳裂纹成像时，传统的延时-叠加算法成像分辨率低的问题，提出了一种特征值分解和相位一致性成像算法。通过特征值分解对低信噪比的损伤散射信号进行提取并压制噪声的干扰，在此基础上，利用相位一致性因子，对相位离散较大的未聚焦成分进行抑制，进一步提高成像的分辨率。实桥检测试验结果显示了该方法成像结果远远优于传统的延时-叠加成像算法。　　（3）对于U型肋与顶板焊缝处从焊根处向顶板开裂的裂透型顶板裂纹的检测，提出了一种双阵列多重信号分类（MUSIC）算法。通过两个阵列接收来自顶板裂穿裂纹两端的衍射波信号，利用MUSIC算法来识别两个衍射源的来波方向，并通过该裂纹发生位置的特点以及两个阵列的相对位置信息，最终确定两个衍射源（即裂透裂纹两端点）的位置，从而得到该裂纹的位置及长度信息。该方法在不需要移除铺装,且不需要无损基准信号的情况下，就可检测出这类隐蔽的顶板裂纹，解决了实际工程中该类裂纹威胁巨大但难以检测的难题，在极大的节省人力物力的同时，保障了正交异性钢桥面板的安全服役。　　（4）对于U型肋与顶板焊缝处的未裂透型的顶板裂纹，提出了一种正交异性钢桥面板顶板裂纹检测系统。根据导波在传播路径上穿过裂纹透射时与在无损工况下接收到的导波信号之间会有明显的相位差的特点，将检测信号与基线信号之间的相位差作为识别正交异性钢桥面板中顶板未裂穿裂纹的损伤指标。ANSYS模拟、实验室节段模型检测试验以及实桥检测试验验证了该方法检测该类裂纹的有效性。在正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹检测的导波相位差方法的基础上，研发了一套正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹自动检测系统。该系统可以高效地检测出从焊根处向顶板开裂初期的隐蔽性裂纹，从而可以尽早地控制修复该安全隐患，避免对正交异性钢桥面板结构带来更为严重的损坏。
作者：	王鹏
专业：	力学
导师：	李惠;周文松
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021