薄膜壓力傳感器混凝土柱壓力監(jiān)測可行性研究

李培剛，趙 雄，劉 丹，李俊奇，霍 釗，宣淦清

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學軌道交通學院，上海 201418； 2.長安大學公路學院，西安 710064)

隨著社會的快速發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)在土木、交通、水利等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，這些結(jié)構(gòu)在長期服役過程中受到外界因素作用影響，其健康安全會受到一定威脅，傳統(tǒng)的健康監(jiān)測多從結(jié)構(gòu)部件拉應(yīng)變或位移來監(jiān)測和評判，這對一些結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵部位傳力失效或是不均勻傳力等特征并未能較好監(jiān)測[1-3]。混凝土結(jié)構(gòu)在服役中，自身質(zhì)量以及外荷載的作用最終都會通過部件和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傳給大地，其中，壓力是其傳遞的主要特征。傳統(tǒng)的壓電傳感器或其他傳感器，由于測試原理等原因，無法直接測試壓力[4-5]。薄膜壓力傳感器作為一種新型的傳感器，由于具有體積小等特征，將其嵌入到被檢測物體內(nèi)部，對結(jié)構(gòu)本身受力影響較小，并且可有效地對結(jié)構(gòu)壓力進行監(jiān)測[6-10]。薄膜壓力傳感器一般是將力敏材料印刷在2個基材上，通過絕緣膠水粘住，引出端子進行測試。圖1為目前廣泛采用的薄膜壓力傳感器，傳感器對于外界來說是一個電阻，當不受力時電阻很大。傳感器受到壓力時會引起力敏材料電阻發(fā)生變化，壓力越大，電阻越小，其壓阻特性表現(xiàn)為電阻與壓力呈冪函數(shù)關(guān)系，電阻倒數(shù)與壓力值呈近似線性關(guān)系[11-13]。

圖1 薄膜壓力傳感器

目前，不少學者開展結(jié)構(gòu)壓力監(jiān)測，張力[14]采用土壓力盒對風井井筒進行壓力監(jiān)測；芮瑞[15]對膜式土壓力盒進行了標定試驗，通過測量膜的變形(撓曲)量獲取壓力值；劉萌[16]將光纖Bragg光柵應(yīng)用在隧道圍巖壓力監(jiān)測上；張營[17]在對深基坑結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測時采用鋼筋應(yīng)力計和混凝土應(yīng)變計。薄膜壓力傳感器也廣泛應(yīng)用在壓力監(jiān)測上，劉開源[18]，廖波[19-20]，張紫濤等[21]將薄膜壓力傳感器用于土壓力監(jiān)測，對電阻式薄膜壓力傳感器進行了標定和模型試驗。目前，對于薄膜壓力傳感器的研究主要在土壓力監(jiān)測上，在混凝土壓力監(jiān)測上研究相對較少。

依托某中低速磁浮軌道梁靜載試驗項目，提出使用薄膜壓力傳感器對軌道梁試驗過程中內(nèi)部壓力傳遞和變化進行監(jiān)測。首先，對嵌入薄膜壓力傳感器的混凝土柱進行試驗，將薄膜壓力傳感器測試出的混凝土壓力值與實驗實際施加的壓力值進行對比分析，驗證采用薄膜壓力傳感器對混凝土進行壓力監(jiān)測的合理性；然后，進行有限元仿真，分析嵌入薄膜壓力傳感器后對混凝土應(yīng)力影響，為薄膜壓力傳感器在混凝土壓力傳遞監(jiān)測提供可能性。

1 嵌入薄膜壓力傳感器的混凝土柱制作與試驗

為探究薄膜壓力傳感器在混凝土中的適應(yīng)性，采用尺寸為10 mm×20 mm×0.2 mm薄膜壓力傳感器進行試驗，傳感器量程為10 000 N。

1.1 嵌入薄膜壓力傳感器的混凝土柱制作過程

(1)對進行實驗的薄膜壓力傳感器檢驗，在不受力的情況下薄膜壓力傳感器電阻>2 MΩ，施加壓力后電阻減小。

(2)薄膜壓力傳感器質(zhì)地柔軟，制作時將上下兩層敏感材料粘貼在一起，在長期監(jiān)測過程中，會出現(xiàn)粘貼不牢固的情況，且處于潮濕環(huán)境中時會對測量結(jié)果產(chǎn)生偏差，因此，需進行封裝。薄膜壓力傳感器封裝如圖2所示，將厚度為0.1 mm的金屬片裁剪成20 mm×20 mm形狀，在2個金屬片之間涂上環(huán)氧樹脂膠后將傳感器粘貼在中間，環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)能力強，附著性好，可粘結(jié)各種金屬及合金、塑料、混凝土等材料，在防止傳感器損壞的情況下也能起到防水作用。

圖2 薄膜壓力傳感器封裝圖示

(3)薄膜壓力傳感器的端子較短，需用導(dǎo)線引出以方便測試，傳感器端子和導(dǎo)線用熱縮套管連接，外圍使用絕緣防水膠帶固定，并涂上防水硅膠。為保證傳感器輸出的精度，導(dǎo)線可采用φ0.2 mm銅線，圖3為已封裝薄膜壓力傳感器。

圖3 已封裝薄膜壓力傳感器

(4)選取150 mm×150 mm×300 mm模具，在模具表面均勻涂上煤油以方便拆模，采用C50混凝土澆筑。嵌入式薄膜壓力傳感器在混凝土試塊中的固定非常重要，主要研究薄膜壓力傳感器在標準棱柱體中央的受力情況，如出現(xiàn)傳感器偏移、彎曲等情況，則會造成較大的實驗誤差。用扎絲制作成如圖4所示的骨架，將薄膜壓力傳感器固定在中央，在澆筑混凝土時將其放在模具中，確保在澆筑和振動時骨架在混凝土正中央，引線從模具上端引出，振實后放置24 h后拆模，養(yǎng)護28 d。

圖4 放置薄膜壓力傳感器骨架

1.2 嵌入薄膜壓力傳感器的混凝土柱試驗研究

在試驗之前對薄膜壓力傳感器進行標定，標定時將傳感器放置在小型壓力試驗機夾具中心位置，推動手壓桿向下施加壓力，每50 N記錄薄膜壓力傳感器電阻值，通過線性擬合，確定薄膜壓力傳感器電阻與壓力的關(guān)系。當壓力大于0時，關(guān)系如下

(1)

式中，F(xiàn)t為薄膜壓力傳感器表面壓力值，N；R為薄膜壓力傳感器測試電阻值，kΩ。

薄膜壓力傳感器受壓表面大小為10 mm×20 mm，混凝土柱受壓面大小為150 mm×150 mm，為得到施加在混凝土面上的壓力，需進行以下?lián)Q算

Fc=112.5×Ft

(2)

式中，F(xiàn)c為混凝土表面壓力值，N；Ft為薄膜壓力傳感器表面壓力值，N。

混凝土試塊在達到齡期后進行加載試驗，試驗時采用萬能試驗機施加荷載，在混凝土一側(cè)粘貼應(yīng)變片，測量混凝土在受壓過程中垂向應(yīng)變，通過混凝土應(yīng)力應(yīng)變計算關(guān)系得到混凝土應(yīng)力，用萬用表記錄薄膜壓力傳感器電阻值。對混凝土試塊在預(yù)加載后，首先進行5次最大荷載值為450 kN(20 MPa)的循環(huán)加載；然后進行破壞加載，分析試驗機壓力值與薄膜壓力傳感器電阻值、混凝土壓力計算值的關(guān)系。

選取其中一個混凝土柱進行分析。圖5為嵌入傳感器的混凝土柱加載示意，圖6為混凝土加載至破壞。

圖5 混凝土柱加載

圖6 混凝土加載至破壞

試驗測試結(jié)果如表1所示，通過式(1)、式(2)將薄膜壓力傳感器電阻值換算成混凝土壓力計算值進行分析；圖7為試驗機壓力值與混凝土壓力計算值關(guān)系曲線；表2為針對450 kN最大荷載下，5次循環(huán)加載時試驗機壓力值與混凝土壓力計算值分析。

表1 薄膜壓力傳感器電阻值計算結(jié)果(混凝土柱在450 kN最大荷載作用下5次循壞加載)

圖7 混凝土壓力計算值與試驗機壓力值關(guān)系曲線

表2 混凝土壓力計算值與試驗機壓力值關(guān)系(混凝土柱在450 kN最大荷載作用下5次循壞加載)

對采集數(shù)據(jù)進行處理，分析薄膜壓力傳感器、混凝土壓力計算值、混凝土應(yīng)力與試驗機壓力值的關(guān)系，可得出以下結(jié)論。

(1)壓力值為0時，薄膜壓力傳感器有初始電阻，電阻值介于27.8～29.8 kΩ，多次加載后，傳感器的初始電阻值減小。由圖7可以看出，薄膜壓力傳感器在混凝土中的適應(yīng)性較好，能基本反映荷載的變化情況，除第一次加載外，薄膜壓力傳感器的重復(fù)性較好，可適應(yīng)混凝土多次循環(huán)加載情況。

(2)在450 kN荷載值內(nèi)，試驗機壓力值與混凝土壓力計算值基本呈線性關(guān)系，5次加載的相關(guān)系數(shù)均大于96%，斜率在1.012～1.323，表明混凝土壓力計算值與試驗機壓力值基本一致，從薄膜壓力傳感器電阻值可分析得到混凝土表面的壓力值。

(3)5次加載下截距均小于0，說明在混凝土澆筑后薄膜壓力傳感器表面已產(chǎn)生壓力，因此，在后續(xù)實驗時需將初始壓力歸零后分析。

對試塊加載到破壞，得到破壞階段混凝土壓力計算值與試驗機壓力值關(guān)系曲線，如圖8所示。可以看出，混凝土柱在荷載值達到680 kN時進入塑性階段，壓力計算值曲線變緩，后期傳遞到薄膜壓力傳感器的荷載小于混凝土實際施加的荷載。

圖8 混凝土壓力計算值與試驗機壓力值關(guān)系曲線(混凝土試塊加載到破壞階段)

2 嵌入式薄膜壓力傳感器的混凝土柱有限元分析

為驗證薄膜壓力傳感器對壓力監(jiān)測的可靠性和合理性，進行有限元分析，首先，建立有限元模型，對混凝土應(yīng)力和壓力計算值進行對比分析；然后，分析均布荷載下薄膜壓力傳感器和周圍混凝土的應(yīng)力變化，以及單調(diào)加載時嵌入薄膜壓力傳感器前后混凝土應(yīng)力。

2.1 有限元模型建立

采用尺寸為10 mm×20 mm×0.2 mm的薄膜壓力傳感器，尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的混凝土試塊進行仿真分析。建模時采用整體模型建立，避免由于接觸問題導(dǎo)致模型不收斂[22]。由于薄膜壓力傳感器質(zhì)地柔軟，故用2個金屬片將薄膜壓力傳感器夾在中間，共同處于混凝土結(jié)構(gòu)中心，金屬片可防止由于薄膜壓力傳感器彎曲對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

模型采用C3D8R單元建立，薄膜壓力傳感器、金屬片、混凝土材料屬性如表3所示，混凝土強度等級為C50，混凝土采用損傷塑性模型[23-24]，薄膜壓力傳感器和金屬片采用彈性模型。均布荷載受力分析時，在混凝土表面施加20 MPa均布荷載。在對傳感器單元格劃分時，傳感器寬度方向劃分5個單元格，長度方向劃分10個單元格，圖9(a)為整體仿真模型，圖9(b)為薄膜壓力傳感器仿真模型。

表3 模型參數(shù)取值

圖9 仿真模型

2.2 受力分析

2.2.1 混凝土應(yīng)力及壓力計算值與試驗機壓力值關(guān)系對比

圖10分析了試塊加載到破壞階段時混凝土應(yīng)力及壓力計算值與試驗機壓力值關(guān)系，可以得到：在混凝土柱進入塑性階段后，混凝土應(yīng)力和壓力計算值均出現(xiàn)突變。當荷載值加到680 kN時，混凝土壓力計算值和混凝土應(yīng)力曲線呈下降趨勢，這是因為混凝土在此時開始屈服，隨著荷載增加，混凝土應(yīng)力逐漸較小，傳遞到混凝土內(nèi)部的壓力也逐漸減小。

圖10 混凝土應(yīng)力及壓力計算值與試驗機壓力值關(guān)系曲線(混凝土試塊加載到破壞)

2.2.2 均布荷載下薄膜壓力傳感器和周圍混凝土應(yīng)力分析

在20 MPa荷載作用下，薄膜壓力傳感器及周圍混凝土應(yīng)力云圖如圖11所示。薄膜壓力傳感器應(yīng)力為18.67～23.68 MPa，周圍混凝土應(yīng)力為19.34～20.13 MPa，薄膜壓力傳感器應(yīng)力分布范圍較大，最大值大于周圍混凝土的應(yīng)力，與混凝土接觸部分應(yīng)力最大，為23.68 MPa，應(yīng)力值相差15.0 %，對周圍混凝土結(jié)構(gòu)受力影響較小。薄膜壓力傳感器嵌入到混凝土中，由于薄膜壓力傳感器彈性模量較大，可滿足較小量程的薄膜壓力傳感器測試較大荷載要求。

圖11 薄膜壓力傳感器及周圍混凝土應(yīng)力云圖

2.2.3 單調(diào)加載時嵌入薄膜壓力傳感器前后混凝土應(yīng)力分析

單調(diào)施加壓力時，將薄膜壓力傳感器嵌入到混凝土結(jié)構(gòu)中央，以結(jié)構(gòu)中心點為分析對象，分析嵌入傳感器后薄膜壓力中心點荷載與應(yīng)力關(guān)系，以及未嵌入傳感器時相同位置的混凝土荷載與應(yīng)力關(guān)系，如圖12所示。由圖12可以得出，薄膜壓力傳感器和混凝土在彈性階段變化趨勢一致，在混凝土進入塑性階段，由于薄膜壓力傳感器的彈性模量大于混凝土彈性模量，塑性階段隨著荷載增加，相同均布荷載下混凝土應(yīng)力大于薄膜壓力傳感器的應(yīng)力，相差范圍較小，基本不影響混凝土受力，說明嵌入薄膜壓力傳感器后對混凝土結(jié)構(gòu)本身的受力影響較小，驗證了薄膜壓力傳感器監(jiān)測混凝土壓力的合理性。

圖12 薄膜壓力傳感器嵌入前后壓力與結(jié)構(gòu)中心點應(yīng)力關(guān)系曲線

3 結(jié)論

針對混凝土結(jié)構(gòu)壓力監(jiān)測的需求，提出使用薄膜壓力傳感器進行壓力監(jiān)測的方法，介紹嵌入薄膜壓力傳感器的混凝土柱制作過程，對其進行循環(huán)加載和破壞加載，并通過有限元軟件對混凝土柱進行仿真分析，得到以下結(jié)論。

(1)對薄膜壓力傳感器進行標定后，嵌入150 mm×150 mm×300 mm混凝土柱內(nèi)，在450 kN(20 MPa)最大荷載作用下；混凝土壓力計算值與試驗機壓力值呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大于96 %，薄膜壓力傳感器可以更好地反映混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力；加載至破壞時，混凝土壓力計算值逐漸下降。

(2)有限元仿真時，混凝土應(yīng)力和混凝土壓力計算值隨試驗機壓力值的變化趨勢基本一致，在20 MPa均布荷載作用下，薄膜壓力傳感器應(yīng)力變化范圍比周圍混凝土大，與混凝土接觸部分的應(yīng)力最大，最大值相差15.0%；單調(diào)荷載下，嵌入薄膜壓力傳感器前后結(jié)構(gòu)中心點在彈性階段變化趨勢一致，基本不影響混凝土的受力。

(3)研究表明，薄膜壓力傳感器用于混凝土的壓力監(jiān)測具有較好可行性。