基于小波包能量法的扣件式模板支撐架節(jié)點連接狀態(tài)監(jiān)測方法

任師訓(xùn),葉德英,徐 菁,*,劉 客,姜世宇

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,青島 266525;2.萊州市城鄉(xiāng)建設(shè)事務(wù)服務(wù)中心,萊州 261400)

腳手架是用于建造房屋、橋梁和其他結(jié)構(gòu)的臨時支撐結(jié)構(gòu)。扣件式腳手架以承載力大、裝拆方便等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。但過載、幾何缺陷、連接松動、安裝不當(dāng)?shù)纫蛩囟加锌赡軐?dǎo)致腳手架的倒塌,對生命財產(chǎn)安全造成威脅。節(jié)點的連接松動是導(dǎo)致腳手架失效的重要因素。在搭設(shè)腳手架時,即使螺栓擰緊,在使用過程中,也會因震動等因素造成螺栓松動導(dǎo)致節(jié)點的連接松動,進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)特性以及屈曲參數(shù)發(fā)生變化[3]。所以針對腳手架節(jié)點連接松動的監(jiān)測研究具有一定的意義。

目前,對腳手架的安全研究大多在材料性能和力學(xué)性能方面,傳統(tǒng)的腳手架監(jiān)測大多依靠人工來完成,不僅效率低,勞動強度大,而且準(zhǔn)確性和檢測人員的經(jīng)驗相關(guān)[4]。近年來,壓電陶瓷材料[5]因具有靈敏度高、響應(yīng)快、可靠性好且集傳感和驅(qū)動于一體等優(yōu)點,在健康監(jiān)測[6]與損傷識別[7-8]領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。陳冬冬[9]基于壓電材料實現(xiàn)了對螺栓預(yù)緊力松動的監(jiān)測;梁亞斌[10]完成了對大跨度斜拉橋銷鉸式索梁連接錨固區(qū)域中銷栓-銷孔的受力監(jiān)測研究;李鯤等基于PZT提出了敲擊定位法實現(xiàn)了對管道裂紋位置的檢測[11]。

針對扣件式腳手架節(jié)點連接松動問題,結(jié)合壓電傳感技術(shù),提出了基于小波包能量法的節(jié)點連接狀態(tài)的監(jiān)測方法[12],并對施工現(xiàn)場獲得的一個正常使用的鋼管腳手架直角扣件節(jié)點進行了試驗驗證。試驗結(jié)果證明了該方法可以有效地監(jiān)測到節(jié)點的不同狀態(tài)。對于避免因節(jié)點的狀態(tài)變化而導(dǎo)致的腳手架倒塌造成的工程事故具有一定的意義。

1 小波包分析法基本原理

小波包分析能夠為信號提供一種更為精細的分析方法,將頻帶進行多層次劃分,對多分辨率分析沒有細分的高頻信號部分進一步分解,并能夠根據(jù)信號的特征,選擇相應(yīng)的頻帶,使之與信號譜更匹配,從而提高時頻分辨率,因此,小波包具有更高的應(yīng)用價值。

圖1為小波包對信號進行3層分解的示意,其中,S表示信號,A表示低頻段,D表示高頻段,右下標(biāo)的數(shù)字表示小波包分解的層次(即尺度數(shù)),分解前后的關(guān)系如式(1)所示:

圖1 小波包分析信號分解示意

S=AAA3+DAA3+ADA3+DDA3+AAD3+DAD3+ADD3+DDD3

(1)

若對信號S分解的尺度數(shù)為n,分解后可以生成2n個寬度相等的信號頻段。分解后的信號S等于這2n個頻段的信號之和,即

S=T1+T2+…+Ti+…+T2n-1+T2n,(i=1,2,…,2n)

(2)

式中:Ti為第n層第i個頻段的信號。

Ti=[ti,1ti,2…ti,j…ti,m-1ti,m],(j=1,2,…,m)

(3)

式中:ti,j為第i個信號頻段Ti中第j個離散點的信號幅值;m為一個頻段中離散點的個數(shù)。

第i個信號頻段Ti的能量值Ei可以表示為

(4)

信號S轉(zhuǎn)化的總能量值可以表示為

(5)

經(jīng)式(4)(5)計算,把接收到的抽象信號轉(zhuǎn)換為可以量化的小波包能量值,使損傷對比變得更加可視化。

扣件節(jié)點處于不同的松緊狀態(tài)時,應(yīng)力波信號在經(jīng)過節(jié)點時的損失不同,感應(yīng)器接收到的信號也不同,所以根據(jù)信號計算所得到的能量值也不同。通過比較不同工況下計算得出的能量值與扣件結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的能量值,即可判斷扣件節(jié)點的連接狀態(tài)是否發(fā)生變化。均方根差(Root-Mean-Square Deviation,RMSD)表示的是測得數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的差異程度,為了直觀地比較節(jié)點所處狀態(tài)與健康狀態(tài),引入均方根差作為判斷的指標(biāo),此處稱為松動指數(shù)I,其數(shù)學(xué)表達式為

(6)

式中:Ehi為扣件節(jié)點在健康狀態(tài)下采集到的應(yīng)力波信號經(jīng)小波包分解后根據(jù)式(4)計算得出的第i個頻段的能量值;Ei為不同工況下測得的第i個頻段的能量值;2n為信號經(jīng)過n層小波包分解后得到的頻段數(shù)。

松動指數(shù)I以健康狀態(tài)下測得的能量值作為基準(zhǔn)值,不同工況下測得的能量值作為觀測值,I值的大小直接反映了不同狀態(tài)下的節(jié)點松動程度。

2 支撐架節(jié)點連接狀態(tài)

2.1 扣件節(jié)點的組成

扣件式模板支撐架的節(jié)點是由2根垂直鋼管和扣件組成的半剛性節(jié)點。直角扣件節(jié)點主要由底座、T型螺栓、蓋板、墊片、螺母5個部分組成。其中蓋板和底座包裹住鋼管,通過旋擰螺栓使底座與鋼管的接觸更緊密。旋擰的力越大底座內(nèi)表面與鋼管的接觸面積就越大。擰緊螺栓后,扣件和鋼管緊密連接。

2.2 基本理論

由微接觸理論[13]可知,如果在微觀尺度上觀察,所有的加工構(gòu)件表面都是粗糙的,表面之間的接觸僅限于表面尖端的離散區(qū)域。兩個平坦的表面,但不是絕對光滑(或非黏結(jié))的表面之間的接觸也同樣如此。除非是黏接的,否則所有的表面接觸在其接觸的界面上也只有部分的接觸。通過旋擰緊固螺栓可以看作是施加接觸壓力。在這些接觸的界面上實際的接觸面積要比標(biāo)稱的接觸面積要小。實際的接觸面積隨著接觸壓力的變大而變大。即實際的接觸面積變化與接觸壓力的變化成正相關(guān),也就是與旋擰螺栓的預(yù)緊力成正相關(guān)。所以通過控制旋擰螺栓預(yù)緊力的大小可以控制節(jié)點處接觸面積的大小。

由應(yīng)力波的傳播理論[14]可知,當(dāng)應(yīng)力波信號從驅(qū)動器PZT片發(fā)射經(jīng)過結(jié)構(gòu)傳播,最后被感應(yīng)器接收的過程中,應(yīng)力波信號在結(jié)構(gòu)和接觸面上傳播時會產(chǎn)生一定的消耗,最后剩余部分應(yīng)力波信號被感應(yīng)器PZT片接收。對同一結(jié)構(gòu)監(jiān)測時,應(yīng)力波信號在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播的信號損失相同。而扣件節(jié)點連接處的接觸面積A由于螺栓的松緊狀態(tài)不同為一變量,接觸面積A越大,應(yīng)力波信號在穿過接觸面時消耗的應(yīng)力波越少,感應(yīng)器PZT最終采集到的應(yīng)力波信號就越多。因此,感應(yīng)器PZT片接收到的應(yīng)力波信號的多少與扣件節(jié)點中的扣件和鋼管的接觸面積的大小呈正相關(guān)。

圖2為應(yīng)力波信號從驅(qū)動器發(fā)射到感應(yīng)器接收在結(jié)構(gòu)中的傳遞路線。通過計算機對驅(qū)動器PZT1施加一個電壓激勵信號,在激勵信號作用下PZT1產(chǎn)生的應(yīng)力波信號在結(jié)構(gòu)中傳遞,最后由感應(yīng)器PZT2接收。

圖2 應(yīng)力波信號在直角扣件節(jié)點的傳播示意

綜上,當(dāng)模板支撐架連接節(jié)點螺栓預(yù)緊力越大時,節(jié)點連接的接觸面之間的接觸壓力越大,由微接觸理論可知,此時扣件節(jié)點中的扣件和鋼管兩接觸面的接觸面積就越大,即節(jié)點連接越緊;另一方面,由應(yīng)力波傳播理論可知,當(dāng)接觸面積越大時,通過接觸面的應(yīng)力波損失的就越少,所以感應(yīng)器PZT片接收到的應(yīng)力波信號也越強,因此,可以根據(jù)感應(yīng)器PZT片測得應(yīng)力波信號的變化來表征扣件和鋼管之間接觸面積的變化,進而表示扣件節(jié)點的連接狀態(tài)。即根據(jù)不同節(jié)點連接松緊狀態(tài)下的小波包能量值E,計算節(jié)點松動指數(shù)I,進而間接感知連接節(jié)點所處的連接狀態(tài)。為后續(xù)基于小波包能量法的模型試驗提供理論基礎(chǔ)。

3 模型試驗

3.1 試驗簡介

如圖3所示,試驗?zāi)Ｐ褪且粋€由直角扣件連接2根垂直鋼管組成的節(jié)點。鋼管采用Q235型鋼,規(guī)格φ48.3 mm×3.6 mm,長1500 mm。直角扣件材料為鑄鐵,質(zhì)量為1.1 kg,T型螺栓采用M12型,均滿足規(guī)范要求。試驗儀器主要有筆記本電腦、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、壓電陶瓷傳感器(PZT)以及扭矩扳手。筆記本電腦通過LabVIEW軟件控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備對驅(qū)動器發(fā)射激勵信號和對感應(yīng)器接收到的信號進行讀取。數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作電壓為-10～10 V,具有信號的發(fā)射和讀取的功能。PZT-5型壓電陶瓷片具有介電常數(shù)和機電耦合系數(shù)穩(wěn)定性好,靈敏度高的特點,尺寸為20 mm×10 mm×1 mm,其主要參數(shù)如表1所示。用環(huán)氧樹脂膠把PZT片固定在結(jié)構(gòu)上,PZT1和PZT2分別貼在1號、2號鋼管距扣件節(jié)點50 mm處,如圖4所示。

表1 PZT-5性能參數(shù)

圖3 試驗?zāi)Ｐ?/p>

圖4 PZT片的粘貼位置示意

將施加在螺栓上的不同扭矩作為不同的工況,試驗設(shè)計了9個工況,如表2所示。其中將扭矩為27 N·m時設(shè)為基準(zhǔn)狀態(tài),即節(jié)點的健康狀態(tài)。利用夾具將試件與操作臺固定,以模擬桿端固結(jié)約束。

表2 不同工況對應(yīng)的扭矩

3.2 試驗過程

試驗的流程如圖5所示。

圖5 扣件節(jié)點連接狀態(tài)監(jiān)測方法流程

1) 粘貼PZT片:如圖3-4所示,用環(huán)氧樹脂膠在1號鋼管和2號鋼管上粘貼PZT片,并命名為PZT1和PZT2。

2) 連接儀器設(shè)備:將試件固定在工作臺上,將試驗儀器與試件進行連接,形成通路。

3) 信號采集:利用扭矩扳手旋擰螺母至3 N·m,即表2所示工況1,然后用筆記本電腦通過LabVIEW軟件控制信號采集設(shè)備對PZT1作用一個電壓激勵信號,使其產(chǎn)生應(yīng)力波,應(yīng)力波信號在結(jié)構(gòu)中傳遞后被PZT2捕捉接收,最后由數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集,電腦端可以觀測信號圖像并保存數(shù)據(jù);繼續(xù)旋擰扳手,在螺母上依次施加表2所示的剩余8個扭矩,分別采集9種工況下,PZT2接收到的應(yīng)力波信號。

4) 信號處理:借助MATLAB軟件中信號分析工具箱進行小波包分析,將所有工況下傳感器PZT2接收到的信號進行5層小波包分解,獲得32個基信號,根據(jù)式(4)—(6),計算不同工況下的信號能量值E和松動指數(shù)I的大小。

5) 判斷是否發(fā)生損傷:根據(jù)松動指數(shù)I來確定節(jié)點的連接狀態(tài)。

3.3 試驗結(jié)果

圖6為感應(yīng)器PZT2接收到的應(yīng)力波信號。根據(jù)應(yīng)力波信號很難直觀地判斷結(jié)構(gòu)處于什么狀態(tài)。因此根據(jù)接收到的應(yīng)力波信號進一步計算小波包能量值和松動指數(shù)。

圖7所示為各工況下由應(yīng)力波信號根據(jù)式(4)和式(5)計算得到的應(yīng)力波信號能量值。由圖7可知,隨著扭矩的增大,能量值也逐漸增大。這是因為隨著扭矩的增大,節(jié)點連接越緊密,最終穿過節(jié)點接觸面并被PZT2接收的信號能量值也就越大。

圖7 不同扭矩工況下接收信號的能量值

根據(jù)能量值的大小,不能很直觀地判斷節(jié)點所處的狀態(tài),需要比較損傷工況和健康工況下的松動指數(shù)大小來進行判斷。根據(jù)式(6)計算得到各個工況下的松動指數(shù)I如圖8所示。由圖8可知,隨著扭矩值的增大,松動指數(shù)逐漸減小,節(jié)點的連接狀態(tài)與健康狀態(tài)的差異程度越小,即越接近健康狀態(tài),節(jié)點的連接越安全。

圖8 不同扭矩工況下的松動指數(shù)I值

由試驗結(jié)果可知,隨著旋擰螺母的扭矩值增大,經(jīng)小波包分解后的信號能量值也增大,松動指數(shù)減小,說明扣件節(jié)點的連接狀態(tài)越接近健康狀態(tài)。試驗結(jié)果驗證了前面理論分析的正確性,所提方法可以對節(jié)點的連接狀態(tài)進行監(jiān)測。

為了避免試驗的偶然性,在相同的試驗條件下重復(fù)試驗6次,如圖9所示。由圖9可知,在6次試驗中,隨著扭矩值的逐漸增加,松動指數(shù)均逐漸減小,6次試驗的結(jié)果基本相同。

4 結(jié)論

針對扣件式腳手架節(jié)點連接松動問題,提出了一種基于小波包能量法的節(jié)點連接狀態(tài)的監(jiān)測方法。以一個直角扣件式模板支撐架節(jié)點為試驗?zāi)Ｐ?設(shè)置了9種扭矩工況以模擬節(jié)點的不同松動程度,采用小波包能量分析法將接收到的應(yīng)力波信號轉(zhuǎn)化為能量值,然后計算節(jié)點松動指數(shù)。由試驗結(jié)果可知:可以根據(jù)松動指數(shù)的大小來直觀判斷節(jié)點連接狀態(tài)。松動指數(shù)越小說明節(jié)點連接狀態(tài)越接近健康狀態(tài)。通過6次重復(fù)性試驗驗證了該方法的有效性和可重復(fù)性?；趬弘姴牧系男〔ò芰糠治龇梢杂行崿F(xiàn)對扣件式腳手架節(jié)點連接狀態(tài)的監(jiān)測,為工程施工過程中模板腳手架的安全提供了保障。