钢管混凝土拱桥拱顶脱空的被动式红外热成像：季节性太阳辐射荷载与昼夜温度变化下的最佳检测时间窗多因素分析

《Engineering Structures》：The passive infrared thermography of top-crown debonding in Concrete-Filled Steel Tubular arch bridge under seasonal solar loading and diurnal temperature variation: Multi-factorial analysis on optimal detection time windows

　　

- 建立了季节性太阳载荷与昼夜温差作用下钢箱拱肋拱顶脱空表面温度模型。
- 通过多因素方差分析（ANOVA），确定了影响红外检测脱空最优时间窗口的关键因素。
- 提出了平均相对峰值时间指标，用于对日出后和日落后检测的最佳时机进行归一化和表征。
- 在真实施工现场的全尺寸模型上进行了现场测试，验证了仿真方法和研究成果的有效性。

引言

混凝土填充钢管（CFST）拱肋是现代大跨度拱桥的主要结构构件，尤其适用于山区，这得益于其优异的承载能力和抗震韧性。在中国交通网络不断扩张的背景下，尤其是在西部地区，CFST拱桥已成为不可或缺的结构形式[1]。在过去三十年中，超过500座CFST拱桥已建成或开工，其中40个项目跨度超过300米。当前工程能力已使接近600米的跨度成为可能，且对于700米结构的实现尚未发现重大技术障碍[2]。这一稳步进展在国际上也有体现，例如日本的西濑户大桥（跨度240米）和越南的黄文树桥[3]。这些全球性进展凸显了CFST技术在土木工程基础设施中的战略重要性及其持续发展潜力。

CFST拱桥因结构效率高和荷载传递机制简化而备受山区地形青睐，无需过高桥墩或复杂临时支撑系统[4]。然而，这类组合构件的结构完整性常因钢管与混凝土界面脱空而受损。这种现象主要归因于混凝土收缩、核心混凝土与钢管之间的热膨胀差异以及气隙形成[5]。研究表明，显著的昼夜温差会加剧热膨胀系数不匹配，导致界面处变形不均并随后产生应力集中[6], [7], [8], [9]。在循环热载荷（包括昼夜和季节性变化）作用下，这种应力集中可引发渐进性脱空。此外，冻融循环会加速损伤过程，孔隙水冻结产生的膨胀压力进一步恶化界面状况。实地观测和检测数据表明，CFST拱肋的脱空间隙主要集中在上部区域，尤其是拱顶[10]。这一脆弱性在设计建议中得到反映，通常对拱顶截面的折减系数要求严于跨中截面[11]。

因此，拱顶被确定为需要优先进行结构健康监测的关键区域。

脱空检测方法大致分为破坏性检测和无损检测（NDT）。虽然钻芯等破坏性技术可直接识别缺陷，但不可避免地会造成不可逆的结构损伤[12]。常见的无损检测方法包括敲击法、超声波检测、冲击回波和红外热成像（IRT）。敲击法虽然高效，但受限于操作员主观判断和较低的空间精度[13]。超声波检测在异质或低密度组合结构中常遇到较差的信噪比问题[14]，而冲击回波方法则受限于较低效率和反射波表征的复杂性[15]。相比之下，红外热成像（IRT）因其非接触、快速、直观的成像能力以及相对较低的实施成本而成为一种极具优势的替代方案[16]。

关于基于IRT的CFST构件脱空检测的现有研究，主要集中在主动加热方案下的缺陷可检测性，往往忽视了复杂环境变量的影响。例如，主动IRT已成功应用于以3°C温差阈值检测脱空[17]。进一步研究表明，检测性能显著受钢管壁厚和加热时长的影响，其中较薄的管壁和较大的脱空厚度（Ddebond）有利于产生更高的热对比度[18]。近期，Pozzer等人[19]系统评估了被动IRT在混凝土基础设施中的应用，确立了不同太阳照射和环境条件下的最低热通量要求。Abdelazim Ibrahim[20]报道，缺陷深度与尺寸之比和环境条件（如温度和太阳辐射）等因素会显著降低红外热成像检测缺陷的准确性。尽管取得了这些进展，国内研究仍主要围绕热对比度（ΔTcontrast）进行缺陷评估，关于CFST脱空"可检测窗口"——即环境条件优化检测准确性的特定时间范围——的全面研究明显不足。

当前关于被动IRT可检测窗口的文献主要局限于混凝土桥面板分层。关于最优检测窗口的确定，以往研究表明，缺陷检测的最优时间窗口受分层信噪比和结构太阳方位角的共同影响。为发展不同太阳辐照条件下的红外检测策略，建议结合太阳路径图进行综合分析[21]。此外，相关研究已建立数值模型，调查分层几何和环境条件等关键参数对红外热响应的影响，并提出了基于总辐射热输入确定检测时间的定量方法[22]。关于之前提出的最优检测窗口，Hiasa的研究[23]表明，晴朗的夜晚为桥面板检测提供了最佳条件，而Raja发现可检测温度在很大程度上取决于环境温度变化速率，建议窗口为08:00至16:00[24]。其他研究人员已确定特定的白天（10:00–15:00）和夜间（19:30–02:00）时段对浅层地下缺陷较为有利[25], [26]。此外，对约200项研究的系统综述[27]表明，目前尚未就最优白天检测窗口达成共识。尽管夜间或冷却阶段被认为是潜在合适的时期，但其可检测性显著受环境条件影响，导致不同观点分别倾向于深夜或清晨作为最优窗口。

总之，目前提出的检测窗口表现出强烈的地域依赖性，且主要从局部实验数据推导而来，难以直接推广至山区气候条件下的CFST结构。此外，CFST构件的热响应机制与裸露混凝土桥面板存在根本差异，最优检测窗口与环境因素（如昼夜温差和太阳辐射）之间的关系尚未得到系统阐明。

本研究调查了在复杂山区气候条件下利用红外热响应检测CFST拱桥界面脱空的可行性。建立了结合有限元分析（FEA）与实验验证的综合研究框架，系统研究了桥梁朝向、缺陷几何形状和气象参数对红外热响应时间特性的影响。为解决传统绝对峰值时间识别方法的不稳定性问题，提出了平均相对峰值时间指标，以稳定地表征相对于日出和日落的最优检测窗口。随后，进行多因素方差分析以识别显著影响因素，并在真实桥梁施工现场开展现场实验验证研究结论。讨论了所提方法的适用性和局限性。

研究框架

为系统调查CFST脱空热响应的平均相对峰值时间与各种影响因素——特别是桥梁朝向、缺陷几何形状和气象条件——之间的相关性，所用研究框架如图1所示。

(1) 仿真模型开发：建立了数值框架，包括几何建模、边界条件定义、网格生成和求解器配置。参数化研究定义了九个…

模型验证

为验证第2节所述数值框架的保真度，建立了包含单根拱顶钢管及其代表性脱空缺陷（251–10 mm）的简化几何模型。在受控恒温和辐照条件下进行了相应的实验室实验，以基准对比仿真结果。

平均相对峰值时间的多因素方差分析

本节系统地分析了桥梁朝向、脱空几何尺寸和气候因素对平均相对峰值时间的影响。为识别控制参数，采用多因素ANOVA和残差建模方法。数据集包含324种组合条件，涉及九种脱空构型、三种季节性辐照水平、四种桥梁朝向（西北-东南、西南-东北、正北和正东）以及三种…

结论

本研究系统评估了混凝土填充钢管（CFST）拱肋在复杂山区气候条件下的脱空热响应特性。通过结合有限元分析与实验验证，量化了热对比度的时间演化过程，并确定了最优检测窗口的控制因素。主要结论如下：

- 气象因素的支配性：尽管桥梁朝向…

CRediT作者贡献声明

Chongsheng Cheng：写作——审阅与编辑，写作——初稿，验证，项目管理，资金获取，概念构思。Lilin Wang：写作——初稿，方法学，调查研究，形式分析，数据整理。Jianting Zhou：监督指导。Hong Zhang：写作——审阅与编辑，监督指导。Shuangshuang Jin：写作——审阅与编辑，监督指导，方法学。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究部分由国家自然科学基金（52478301）、重庆市教育委员会科学技术研究项目（KJZD-M202500706）资助。作者感谢山地桥隧工程国家重点实验室在本研究实验阶段提供的宝贵支持。

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