基于智能壓電傳感器的節(jié)段砼界面損傷檢測

彭暉， 曾清華， 張明

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

預(yù)制節(jié)段砼梁以其運輸便利、施工速度快、環(huán)境影響小、質(zhì)量可靠度高、自復(fù)位能力強等優(yōu)點被廣泛運用于工程結(jié)構(gòu)中，其結(jié)構(gòu)性能受界面強度的影響。預(yù)制節(jié)段砼梁界面一般由高強度環(huán)氧樹脂膠黏結(jié)形成，結(jié)構(gòu)受力時，由于界面處密度不如整體澆筑的砼致密，易產(chǎn)生黏結(jié)界面破壞。因此，其界面損傷檢測是一個廣受關(guān)注的問題。以壓電陶瓷為代表的智能材料以其特有的驅(qū)動和傳感功能為土木工程結(jié)構(gòu)實時健康監(jiān)測開拓了新思路。該文提出一種基于壓電陶瓷感應(yīng)應(yīng)力波的主動傳感方式，實現(xiàn)預(yù)制節(jié)段砼梁界面損傷檢測和預(yù)警。

1 原理

1.1 智能壓電傳感器

智能壓電傳感器是對壓電陶瓷片(PZT)進行特殊處理后，將其包裹進水泥砂漿中形成的砼砌塊。由于傳感器是由砂漿和細石包裹而成，其能起到與真實骨料一致的作用，可以和砼結(jié)構(gòu)相結(jié)合。

1.2 壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)是壓電材料最典型的特性，包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指當壓電元件受到外力發(fā)生機械變形時，內(nèi)部的正負電荷在電場作用下向元件的2個電極移動，其中電荷的分布密度由外力決定。在電壓作用下，壓電元件中的正負電荷向兩極運動而使元件發(fā)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

壓電陶瓷智能骨料是基于上述壓電效應(yīng)制作而成的兼具應(yīng)力波發(fā)生和接收的傳感裝置，將智能骨料埋入砼構(gòu)件中能實現(xiàn)構(gòu)件中信號發(fā)生和采集，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。

1.3 波動分析法

將至少一對壓電陶瓷智能骨料黏結(jié)于被測結(jié)構(gòu)表面或預(yù)先埋入構(gòu)件內(nèi)，對其中一塊骨料施加激勵電信號，在逆壓電效應(yīng)作用下產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波在被測結(jié)構(gòu)中傳播，另一塊骨料接受信號并通過正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號輸出。應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中傳播的過程中，由于結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)衰減，輸出的電信號出現(xiàn)幅值衰減、模態(tài)和相位變化，據(jù)此對結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測和損傷評估。

1.4 基于小波包的分析

由于小波包具有時域和空域的性能，能準確分解低頻和高頻，采用小波包對信號進行特征分析來識別結(jié)構(gòu)損傷程度。

利用小波包分析原理，通過n級小波包將監(jiān)測信號S分解為等帶寬的多分量信號，利用n層小波包對S進行分解和重構(gòu)，得到具有2N個不同頻帶的子信號Si。S可表示為:

S=s1+s2+s3+…+s2N

將信號進行小波包分解后，定義最終信號各頻段子信號的能量向量為:

Ei={e1,e2,e3,…,e2N}

(1)

式中：ei為各頻段子信號的能量。

(2)

利用小波包對S進行分解和重構(gòu)得到的能量向量的和為：

(3)

損傷指數(shù)用來確定砼結(jié)構(gòu)的健康狀況，評估試件的損傷面積和損傷程度。公式如下：

(4)

式中：DIk為k加載階段結(jié)構(gòu)損傷引起的能量損失；Ek，i為結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)(k加載階段)的信號能量；E1,i為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的信號能量。

2 試驗研究

2.1 試驗設(shè)計和制作

試件由3塊砼構(gòu)件組成，砼配合比為水∶水泥∶砂∶石子=137∶532∶695∶1 046，28 d抗壓強度為55 MPa。每個試件縱向分布直徑12 mm的配筋和直徑為10 mm的鋼箍筋，縱向配筋、配箍的保護層厚度為3 cm。將3塊砼構(gòu)件埋入智能骨料中，并用環(huán)氧樹脂膠進行拼裝。試件尺寸為60 cm×30 cm×10 cm，試件構(gòu)造見圖1。

圖1 試件的構(gòu)造(單位：cm)

2.2 試驗裝置及試驗過程

試驗裝置主要由NI-USB 6366數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、帶環(huán)氧樹脂接頭的砼試件及配套的電腦和液壓千斤頂加載裝置組成，其中NI-USB 6366集成了信號發(fā)生器和接收器，選用正弦波形式的監(jiān)測信號進行掃描，使用NI LABVIEW軟件編寫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序確定輸入信號參數(shù)。試件加載見圖2。

圖2 試件加載示意圖

砼養(yǎng)護28 d后使用環(huán)氧樹脂膠進行拼裝，待其強度符合標準時進行試驗加載。其中壓力傳感器控制加載過程，監(jiān)控系統(tǒng)用來實時監(jiān)控正弦波形的信號變化。試驗中每隔一段時間對傳感器進行一次激勵，同時對監(jiān)控區(qū)域的信號進行一次采集。最后將收集的信號輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理和分析，研究構(gòu)件界面破壞時監(jiān)測信號的變化規(guī)律。

3 試驗結(jié)果與分析

試驗中對試件進行分段加載，通過壓力傳感器控制信號采集的間隔，即每加載一個周期完成一次激勵信號的輸入和采集信號的輸出。

3.1 時域分析

試驗過程中，每一級加載都進行一次正弦波信號掃描，響應(yīng)結(jié)果見圖3。由于試驗中使用功率放大器，圖中信號幅值較強烈。結(jié)果顯示：隨著試件的加載，信號幅值逐漸減小。雖然能看出信號能量隨試件破壞而降低，但總體來說，時域信號對構(gòu)件損傷情況顯示并不明顯。

圖3 時域信號圖

3.2 基于小波包的能量分析

為更準確地分析試件的損傷程度，計算試驗各加載階段的小波包損傷指數(shù)，同時記錄砼應(yīng)變的變化情況。小波包損傷指數(shù)計算結(jié)果見圖4，砼應(yīng)變的變化情況見圖5。

圖4 小波包損傷指數(shù)計算結(jié)果

圖5 砼應(yīng)變的變化情況

由圖4、圖5可知：荷載為零時，試件處于健康狀態(tài)；隨著荷載等級的加大，損傷指數(shù)逐漸增大。有2個明顯的損傷指數(shù)變化點，試驗從零開始加載，試件開始受力，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力波能量下降，砼應(yīng)變出現(xiàn)明顯變化，損傷指數(shù)也發(fā)生變化；第二次損傷指數(shù)的明顯變化出現(xiàn)在30 kN加載階段，此時試件黏結(jié)處出現(xiàn)細小裂縫。初步分析認為，荷載為30 kN時，試件內(nèi)部出現(xiàn)破壞，發(fā)展出細小裂紋，應(yīng)力波能量顯著下降，損傷指數(shù)變大，砼應(yīng)變急劇加大。試件繼續(xù)加載，裂縫持續(xù)發(fā)展，損傷指數(shù)逐漸變大，應(yīng)變也加大。加載過程中，損傷指數(shù)與砼應(yīng)變情況基本吻合。荷載為70 kN時，試件出現(xiàn)脆性破壞，此時應(yīng)力波能量不變(見圖6)，同時損傷指數(shù)達到最大且保持穩(wěn)定。這意味著試件黏結(jié)處剝離，結(jié)構(gòu)完全破壞。說明基于小波包的能量和損傷指數(shù)分析預(yù)測破壞提前于實際破壞，正是由于這種對損傷的高敏感度，其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷預(yù)警中具有很大的潛力。

圖6 小波包能量變化情況

4 結(jié)論

基于壓電陶瓷感應(yīng)應(yīng)力波的主動傳感方式，對預(yù)制節(jié)段砼梁進行加載破壞試驗，對信號數(shù)據(jù)進行時域和小波包能量分析，結(jié)論如下：

(1) 時域分析能識別出信號振幅和能量隨試件加載破壞而降低，但無法準確評估試件的損傷。

(2) 基于小波包的損傷指數(shù)能準確反映在砼應(yīng)變上，隨著加載等級的增大，損傷指數(shù)明顯變化。試件即將破壞時，小波包能量最小且趨于穩(wěn)定，對試件破壞損傷的預(yù)測效果較好。

(3) 相比時域分析，基于小波包的能量分析對損傷具有更好的靈敏度，其預(yù)測破壞早于實際破壞，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷預(yù)警方面有著不錯的效果。