基于時(shí)間反演法的高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)

王 磊， 任偉新

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

高強(qiáng)螺栓連接由于安裝和拆卸方便、整體性好、可靠性高,被廣泛運(yùn)用于大跨度橋梁工程領(lǐng)域和工民建結(jié)構(gòu)當(dāng)中。相對(duì)于普通螺栓而言,高強(qiáng)螺栓的材料強(qiáng)度更高,螺桿可以承受更大的預(yù)拉力。因此,在安裝高強(qiáng)螺栓時(shí),可以施加更大的扭矩、增加被連接構(gòu)件之間的摩擦力,從而阻止其產(chǎn)生相對(duì)滑移，達(dá)到傳遞外力、減小結(jié)構(gòu)變形的目的。由于高強(qiáng)螺栓在服役期間的安全性的可靠程度關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全,而預(yù)緊力不足引起松動(dòng)是高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)失效的常見類型[1],因此,對(duì)于高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的監(jiān)測(cè)具有重要的工程意義。

工程中經(jīng)常用到的高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力檢測(cè)方法有扭矩扳手法、電阻應(yīng)變片法、結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性法和超聲導(dǎo)波法等。扭矩扳手法是通過人工的手段,利用扭矩扳手直接對(duì)高強(qiáng)螺栓松動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。由于實(shí)際工程中,高強(qiáng)螺栓的數(shù)量龐大且部分存在于隱蔽部位,考慮經(jīng)濟(jì)成本和作業(yè)環(huán)境,該方法很難通過人工操作得以實(shí)現(xiàn)。電阻應(yīng)變片法是利用金屬絲的電阻值與金屬絲的長(zhǎng)度、截面積有關(guān)的原理,在實(shí)際應(yīng)用中需要與溫度補(bǔ)償片一起使用[2]。電阻應(yīng)變片法可以在實(shí)驗(yàn)室對(duì)高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力檢測(cè)取得良好效果[3]，應(yīng)變片與粘貼位置[4]、引線的焊接以及粘貼構(gòu)件表面的清潔程度有關(guān)?；诮Y(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的檢測(cè)方法是依據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù),包括頻率、振型、模態(tài)曲率、頻響函數(shù)、傳遞函數(shù)等，來判斷高強(qiáng)螺栓的連接狀態(tài)。Mewer R等[5]以結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)在多個(gè)特征頻段內(nèi)的能量分布為特征參數(shù),成功識(shí)別出螺栓的松動(dòng)狀態(tài)。Cauese V等[6]利用傳遞函數(shù)推導(dǎo)的損傷指標(biāo)檢測(cè)出螺栓的松動(dòng)情況。緱百勇等[7]采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析方法,研究了結(jié)構(gòu)的前五階固有頻率來檢測(cè)螺栓松緊的方法。楊志春等[8]通過分析螺栓松動(dòng)前后的振動(dòng)頻譜互相關(guān)函數(shù)幅值向量變化檢測(cè)螺栓松動(dòng)損傷。然而,高強(qiáng)螺栓連接狀態(tài)的改變相對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響不明顯,低階參數(shù)對(duì)螺栓松動(dòng)的靈敏度較低[9],實(shí)現(xiàn)高頻段精確識(shí)別結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)還是存在困難。基于超聲波的檢測(cè)方法作為一種無損檢測(cè)方法,具有傳播距離遠(yuǎn)、能量衰減弱、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[10]。當(dāng)高強(qiáng)螺栓的受力發(fā)生變化時(shí),可以通過聲彈性效應(yīng)檢測(cè)超聲波在螺栓中傳播時(shí)間的改變,來確定螺栓的軸向力狀態(tài)[11，12]。通過壓電材料激勵(lì)和接收超聲信號(hào)的壓電主動(dòng)傳感方法,其原理是激勵(lì)超聲波通過螺栓連接界面,分析獲得的響應(yīng)信號(hào)能量特征以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓連接狀態(tài)的檢測(cè)[13，14]。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中,直接運(yùn)用超聲波檢測(cè)的方法會(huì)受到環(huán)境等因素產(chǎn)生的噪聲信號(hào)的干擾,噪聲信號(hào)過高甚至?xí)蜎]響應(yīng)信號(hào),影響對(duì)檢測(cè)結(jié)果的判斷。

20世紀(jì)80年代末,法國(guó)科學(xué)家最早將時(shí)間反演法從光學(xué)領(lǐng)域成功運(yùn)用到聲學(xué)領(lǐng)域,并給出了時(shí)間反演法的定義。由于時(shí)間反演法在聲學(xué)中可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)能量在時(shí)間與空間的重新聚焦,因此它可以有效提高信噪比,克服環(huán)境噪聲的干擾[15]。此后,法國(guó)科學(xué)家Fink等開始將時(shí)間反演法引入Lamb領(lǐng)域,通過試驗(yàn)研究證明了時(shí)間反演技術(shù)可以有效補(bǔ)償Lamb波的頻散效應(yīng)。Hoon Sohn等[16]研究發(fā)現(xiàn),利用時(shí)間反演法可以有效提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別,并通過小波變換改善了Lamb波的時(shí)間反演性能。Xu等[17]研究單模式的調(diào)整對(duì)Lamb波時(shí)間反演性能在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的影響,并在之后提出了一個(gè)理論模型分別研究了單模式和雙模式的情況下Lamb波的時(shí)間反演性能。在國(guó)內(nèi),王強(qiáng)等[18,19]利用Lamb波時(shí)間反演技術(shù)以及四點(diǎn)圓弧定位法,研究并提出了基于時(shí)間反演技術(shù)的損傷的成像法;苗曉婷等[20]則利用Lamb波時(shí)間反演技術(shù)結(jié)合加權(quán)分布成像算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)板的多個(gè)損傷的識(shí)別和定位。在螺栓連接狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,Wang等[21]利用基于壓電有源傳感器的時(shí)間反演技術(shù)對(duì)螺栓連接的松緊度進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,聚焦信號(hào)的峰值會(huì)隨著螺栓軸向壓力的增大而增大,當(dāng)螺栓的軸向壓力達(dá)到一定值時(shí),聚焦信號(hào)的峰值變化放緩直至飽和。

本文采用壓電陶瓷片作為激勵(lì)器和傳感器,利用時(shí)間反演技術(shù)獲得不同預(yù)緊力條件下對(duì)應(yīng)的聚焦信號(hào),通過分析聚焦信號(hào)峰值隨預(yù)緊力的變化關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的監(jiān)測(cè)。

1 基于時(shí)間反演法的高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)原理

對(duì)于高強(qiáng)螺栓連接構(gòu)件,隨著預(yù)緊力的增加，螺栓與連接構(gòu)件貼合得越來越緊密。然而從微觀角度分析,高強(qiáng)螺栓與被連構(gòu)件的表面是粗糙不平的,其實(shí)際接觸面積要小于名義上的接觸面積,超聲波在連接界面的傳播正是通過實(shí)際接觸面積進(jìn)行的。隨著預(yù)緊力的增加,高強(qiáng)螺栓與連接構(gòu)件的實(shí)際接觸面積增加,通過的超聲波能量也就越多。

在螺栓連接構(gòu)件表面布置壓電陶瓷(PZT)片,如圖1所示。壓電陶瓷由于具有正逆壓電效應(yīng),所以既可以作為激勵(lì)器也可作為感應(yīng)器。

圖1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

假設(shè)PZT1的激勵(lì)信號(hào)(電壓)為UA(ω),則PZT2得到的響應(yīng)信號(hào)為:

UB(ω)=UA(ω)Ks(ω)Kp(ω)G(ω)

(1)

式中:Ks(ω)表示PZT2的正壓電系數(shù);Kp(ω)表示PZT1的逆壓電系數(shù);G(ω)表示結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)。

由于信號(hào)在時(shí)域里的反演過程等于其通過傅里葉變換為頻域信號(hào)的復(fù)共軛函數(shù),因此得到時(shí)反信號(hào)為:

U*B(ω)=U*A(ω)K*s(ω)K*p(ω)G*(ω)

(2)

式中:*表示復(fù)共軛運(yùn)算。此時(shí)將時(shí)反信號(hào)作為激勵(lì),從PZT2再次發(fā)出,則在PZT1獲得的聚焦信號(hào)可表示為:

U′A(ω)=U*A(ω)K*sp(ω)Ksp(ω)G*(ω)G(ω)

(3)

其中

Ksp(ω)=Ks(ω)Kp(ω)

K*sp(ω)=K*s(ω)K*p(ω)

由于式(2)中K*sp(ω)Ksp(ω)與G*(ω)G(ω)均為一常數(shù),可以得出聚焦信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)只存在幅值的不同,因此我們可以通過聚焦信號(hào)峰值的大小判斷高強(qiáng)螺栓連接狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的監(jiān)測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置

將2塊金屬鋼板采用強(qiáng)度等級(jí)為10.9的高強(qiáng)螺栓連接,在螺栓和金屬鋼板上分別粘貼壓電陶瓷PZT1、PZT2、PZT3、PZT4。試樣的型號(hào)與尺寸大小見表1。

表1 試樣規(guī)格參數(shù)

根據(jù)時(shí)間反演法的高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)基本原理,設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)利用LabVIEW編寫的控制程序運(yùn)行,采用中心頻率150 kHz,初始電壓為5V的激勵(lì)信號(hào),如圖3a所示。NI-USB-6366數(shù)據(jù)采集儀將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),電壓信號(hào)再經(jīng)過高壓放大器放大,經(jīng)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)使粘貼在高強(qiáng)螺栓上的PZT1發(fā)生機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。超聲波通過鋼板與高強(qiáng)螺栓的連接界面抵達(dá)鋼板上的PZT2,經(jīng)壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),該電壓信號(hào)可以被NI-USB-6366數(shù)據(jù)采集儀采集并儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中記為響應(yīng)信號(hào),如圖3b所示。將得到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反演處理得到時(shí)反信號(hào),如圖3c所示。將時(shí)反信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào),再次激勵(lì)PZT2,此時(shí)在PZT1采集到的信號(hào)即為聚焦信號(hào),如圖3d所示。

圖3 扭矩為6 N·m時(shí)的聚焦信號(hào)

試驗(yàn)中,高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的大小由扭矩扳手控制,扭矩從60 N·m開始,以5 N·m為間距依次減小至0,且每次進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)都是將高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力從0加載在指定扭矩。為了進(jìn)一步證明時(shí)間反演法對(duì)于高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)的有效性,本文還研究了PZT片間距對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

3 結(jié)果分析與討論

根據(jù)上述的試驗(yàn)方案,依次測(cè)得在不同預(yù)緊力條件下對(duì)應(yīng)的聚焦信號(hào)峰值,并建立聚焦信號(hào)峰值與高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系,相同的PZT間距,重復(fù)測(cè)量3次,當(dāng)PZT間距為5 cm時(shí),所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 PZT間距為5 cm聚焦信號(hào)峰值與扭矩關(guān)系

從圖4可以看出,當(dāng)激勵(lì)器和傳感器兩個(gè)PZT間距為5 cm時(shí),預(yù)緊力從60 N·m減至40 N·m之間,聚焦信號(hào)的峰值變化不明顯,說明在此扭矩范圍內(nèi)高強(qiáng)螺栓處于設(shè)計(jì)范圍的健康狀態(tài);預(yù)緊力從30 N·m減小至?xí)r,此時(shí)聚焦信號(hào)的峰值變化明顯,且隨著預(yù)緊力的減小而減小。因此可以判斷,預(yù)緊力小于30 N·m時(shí)高強(qiáng)螺栓開始出現(xiàn)松動(dòng)。當(dāng)改變PZT的間距后,得到的聚焦信號(hào)與扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5 PZT間距為10 cm聚焦信號(hào)峰值與扭矩關(guān)系

圖6 PZT間距為10 cm聚焦信號(hào)峰值與扭矩關(guān)系

對(duì)比圖5和6可以看出,當(dāng)改變激勵(lì)器與傳感器的間距時(shí),由于超聲波的傳播距離增加,抵達(dá)傳感器的超聲波能量也相應(yīng)減小,因此聚焦信號(hào)的整體峰值降低。然而,隨著螺栓預(yù)緊力的減少,聚焦信號(hào)的峰值的變化趨勢(shì)與圖4保持一致,即聚焦信號(hào)峰值變化的拐點(diǎn)依舊發(fā)生在30 N·m與40 N·m之間。

對(duì)圖4、圖5和圖6試驗(yàn)結(jié)果采用計(jì)算公式μ=1-(Umax-U)(Umax-Umin)進(jìn)行歸一化處理。所得結(jié)果如圖7所示,對(duì)應(yīng)指標(biāo)參數(shù)越趨近于1表示螺栓擰得越緊,相反則說明越松動(dòng)。通過對(duì)比可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),時(shí)間反演技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓的連接狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估,其結(jié)果不受PZT間距的影響。

圖7 不同間距的聚焦信號(hào)峰值歸一化結(jié)果

4 結(jié) 論

針對(duì)橋梁工程中螺栓連接構(gòu)件的螺栓松動(dòng)問題,采用時(shí)間反演法對(duì)螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)當(dāng)螺栓處于擰緊狀態(tài)時(shí),通過時(shí)間反演技術(shù)得到的聚焦信號(hào)峰值變化不明顯;當(dāng)螺栓處于松動(dòng)狀態(tài)時(shí),聚焦信號(hào)峰值會(huì)小于螺栓處于擰緊狀態(tài)的聚焦信號(hào)峰值,且隨著螺栓預(yù)緊力的減小變化趨勢(shì)明顯。

(2)雖然改變激勵(lì)器與傳感器的距離會(huì)影響整體聚焦信號(hào)峰值,但不會(huì)影響對(duì)螺栓松動(dòng)的識(shí)別,且經(jīng)歸一化處理后,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓連接狀態(tài)的有效評(píng)估。

(3)通過與響應(yīng)信號(hào)對(duì)比,時(shí)間反演法具有良好的自適應(yīng)聚焦特征可以有效提高信號(hào)的信噪比,適用于存在噪聲環(huán)境的實(shí)際工程應(yīng)用。