基于壓電阻抗測量的不規(guī)則鋼骨混凝土柱界面剝離缺陷檢測

許　斌，李　俊，李彥賀，舒志方

(1.湖南大學 土木工程學院， 長沙 410082; 2.工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點實驗室(湖南大學)， 長沙 410082；3.中建一局集團建設(shè)發(fā)展有限公司， 北京 100102；4.長沙市規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司， 長沙 410007)

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基于壓電阻抗測量的不規(guī)則鋼骨混凝土柱界面剝離缺陷檢測

許斌1,2，李俊1，李彥賀3，舒志方4

(1.湖南大學 土木工程學院， 長沙 410082; 2.工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點實驗室(湖南大學)， 長沙 410082；3.中建一局集團建設(shè)發(fā)展有限公司， 北京 100102；4.長沙市規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司， 長沙 410007)

目前大型不規(guī)則多腔鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)在超高層建筑上的應用日益廣泛，混凝土與鋼骨壁間的界面結(jié)合狀況影響二者的共同工作性能。針對不規(guī)則多腔鋼骨混凝土柱構(gòu)件，模擬了混凝土與鋼骨內(nèi)壁之間的界面剝離缺陷，在鋼骨內(nèi)壁表面粘貼壓電陶瓷片，采用阻抗儀測量了壓電材料與結(jié)構(gòu)構(gòu)成的機電耦合系統(tǒng)的阻抗值。基于存在界面剝離及健康狀態(tài)處的壓電陶瓷片的阻抗測量結(jié)果，將二者的方均根偏差(ERMSD)作為損傷指標。結(jié)果表明，存在界面剝離以及健康狀態(tài)處測量所得的壓電阻抗曲線有明顯變化，基于壓電阻抗測量的損傷指標可實現(xiàn)不規(guī)則多腔鋼骨混凝土柱內(nèi)部隱蔽的界面剝離缺陷的有效檢測。

健康監(jiān)測；鋼骨混凝土柱；壓電阻抗；剝離損傷;方均根偏差

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)已被廣泛應用于超高層建筑結(jié)構(gòu)中,并作為重要的豎向受力構(gòu)件，這種結(jié)構(gòu)形式可以更好地發(fā)揮鋼骨與混凝土的組合性能。在大型的不規(guī)則多腔鋼骨混凝土柱的施工過程中，由于明顯的水化熱導致不均勻的溫度場，以及混凝土收縮徐變的影響，可能出現(xiàn)鋼骨壁與混凝土界面剝離缺陷[1]。鋼骨壁與混凝土界面的剝離缺陷對鋼骨混凝土構(gòu)件的力學性能帶來負面影響，因此研究混凝土與鋼骨壁之間的界面的質(zhì)量檢測技術(shù)具有重要意義。對于大型不規(guī)則多腔鋼骨混凝土構(gòu)件，傳統(tǒng)的超聲波法難以適用。而且,其界面結(jié)合處存在隱蔽性缺陷，用傳統(tǒng)方法對其進行有效檢測十分困難。

近年來，壓電陶瓷在土木工程結(jié)構(gòu)檢測中得到較多應用。利用壓電陶瓷對結(jié)構(gòu)進行檢測的方法主要有應力波法和壓電阻抗法[2-3]。對鋼管混凝土柱的界面結(jié)合性能進行檢測方面，許斌等首次提出基于壓電陶瓷應力波測量小波包能量譜的識別方法，為實際工程提供了一種新思路[4-5]。蔡萍等利用外貼于鋼管外壁的壓電陶瓷片作為傳感器，通過對監(jiān)測出的壓電陶瓷在不同頻段上的波動信號的頻響函數(shù)進行分析，實現(xiàn)鋼管混凝土構(gòu)件界面剝離損傷監(jiān)測[6]。許斌等提出一種基于嵌入式壓電功能元應力波測量與分析的新方法，有效地識別了鋼管混凝土核心混凝土的損傷[7]。許斌等針對鋼管混凝土構(gòu)件鋼管壁界面以及橫隔板界面剝離缺陷，首次將壓電阻抗法應用于大型多腔不規(guī)則鋼管混凝土柱的界面剝離檢測中[8-9]。目前，利用壓電阻抗技術(shù)檢測鋼骨混凝土柱界面剝離損傷，特別是對于大型不規(guī)則多腔鋼骨混凝土柱的研究尚未見報道。

筆者針對大型不規(guī)則多腔鋼骨混凝土構(gòu)件的鋼骨壁與混凝土界面間結(jié)合狀況的檢測問題，提出了基于鋼骨表面粘貼壓電陶瓷片的阻抗測量的界面剝離缺陷檢測方法,并通過比例模型試驗驗證了其有效性。該研究為目前我國大規(guī)模超高層建筑中大截面復雜鋼骨混凝土柱的界面剝離缺陷的檢測問題提供了新手段，具有重要的工程應用價值。

1　機電耦合測量阻抗的基本原理

壓電材料具有正壓電效應和逆壓電效應，可以同時作為驅(qū)動器和傳感器。機電耦合阻抗測量技術(shù)(EMI)利用壓電材料和被監(jiān)測對象之間的機電耦合特性，對被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的損傷狀況進行評估。這種方法一般被簡稱為“壓電阻抗法”。通常采用鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷片進行阻抗測量。在EMI技術(shù)中，PZT壓電陶瓷的電阻抗和被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的機械阻抗相耦合。通過測量PZT壓電陶瓷的電阻抗來反映結(jié)構(gòu)中由于損傷導致的剛度或阻尼等結(jié)構(gòu)特性的改變，進而識別損傷。通過一維理想機電耦合模型,可說明壓電阻抗法進行損傷檢測的物理機理[10]。

2　不規(guī)則多腔鋼骨混凝土柱比例模型試驗

2.1試驗柱

試驗對象為一個大型多腔不規(guī)則鋼骨混凝土柱試件。鋼骨混凝土柱的鋼骨由多塊鋼板焊接成一個整體，并且在其中預定的位置設(shè)置了水平橫隔板，通長設(shè)置了縱向加勁肋。混凝土被鋼骨分為多個腔，試驗柱構(gòu)件截面尺寸如圖1所示。

圖1　試驗柱構(gòu)件及截面尺寸示意

2.2鋼骨壁人工模擬界面剝離缺陷的設(shè)置

為了模擬界面剝離缺陷，通過使用與試驗柱同種混凝土預制帶凹槽混凝土塊。養(yǎng)護后，貼在試驗柱鋼骨的預定位置，用凹槽模擬剝離缺陷。鋼骨混凝土試件設(shè)置兩種缺陷，缺陷尺寸分別為 100 mm×100 mm×3 mm和100 mm×100 mm×1 mm，模擬界面人工剝離缺陷布置如圖2所示。

2.3壓電陶瓷傳感器布置

將尺寸為15 mm×10 mm×0.3 mm的翻邊極(正負極在同一面)壓電陶瓷片粘貼在鋼骨表面。采用兩芯屏蔽線與壓電陶瓷片的兩極焊接。焊接后PZT片經(jīng)過防水和絕緣處理后,利用AB膠直接粘貼在鋼骨混凝土構(gòu)件的鋼骨壁上的指定位置。壓電陶瓷片以及焊接后的壓電陶瓷片傳感器如圖3所示。

采用壓電陶瓷片進行識別，HP4192A精密阻抗分析儀進行阻抗測量，對比缺陷厚度對識別效果的影響以及傳感器與缺陷距離對識別效果的影響。圖2中A1～A12表示粘貼于鋼骨表面的壓電陶瓷片。

圖2　模擬界面人工剝離缺陷以及PZT壓電陶瓷片(A1～A12)布置示意

圖3　焊接前后壓電陶瓷片示意

3　壓電阻抗測試方案

RAJU等[11]發(fā)現(xiàn)機電耦合阻抗法中采用不同頻率的信號對損傷的識別效果有很大的區(qū)別。研究關(guān)注的界面剝離缺陷屬于鋼骨混凝土構(gòu)件內(nèi)部界面的缺陷，首先應該找出剝離損傷對于構(gòu)件中壓電陶瓷片的機電耦合阻抗值比較敏感的頻率段。由于敏感頻段目前無法通過計算得到，因此只能采用具有寬頻段掃描能力的儀器對結(jié)構(gòu)進行全頻段測試。利用阻抗分析儀，對位于鋼骨壁上的壓電陶瓷片的機電耦合阻抗進行測量。通過比較多個測點阻抗曲線圖，選取對結(jié)構(gòu)缺陷敏感的頻段。研究所選取的兩個測試頻率范圍如下：低頻段選為100 kHz～500 kHz，測量頻率步長取1 kHz；高頻段選為8 000 kHz～12 000 kHz，測量頻率步長取10 kHz。

4　試驗結(jié)果與分析

試驗采用測得的阻抗模值進行比較分析。試驗發(fā)現(xiàn)，測量結(jié)果具有相似性，故僅選取缺陷厚度為3 mm處對應的阻抗結(jié)果進行分析。測量得到的阻抗曲線如圖4所示。從圖4可以看出:位于無界面剝離缺陷位置的壓電陶瓷片(A2、A3、A4)測量得到的阻抗結(jié)構(gòu)均相互吻合，阻抗曲線幾乎完全重合;且健康位置處測點的阻抗曲線比較光滑。

圖4　不同頻率范圍下PZT壓電陶瓷片測試結(jié)果(缺陷厚度3 mm)

在剝離缺陷區(qū)域測點的阻抗曲線與無剝離缺陷健康位置處測點的阻抗曲線相比，100 kHz～500 kHz頻率范圍內(nèi)，曲線出現(xiàn)明顯差異，缺陷位置測點的曲線呈現(xiàn)新的波峰波谷。可見剝離缺陷的出現(xiàn)會導致更多頻率成分的出現(xiàn)。在8 000 kHz～12 000 kHz頻段范圍內(nèi)，曲線出現(xiàn)波峰峰值下降和峰值對應頻率偏移的現(xiàn)象。通過阻抗測量曲線圖,可直接判斷出現(xiàn)界面剝離缺陷的測點位置。由此可說明，通過壓電阻抗測量識別復雜大型多腔鋼骨混凝土柱鋼骨壁界面剝離缺陷的可行性。

5　損傷指標

采用方均根偏差(ERMSD) 反映結(jié)構(gòu)有缺陷區(qū)域測點與無缺陷區(qū)域測點阻抗值的變化。ERMSD可以比較客觀地反映每個測點測量得到的兩種狀態(tài)的阻抗曲線之間的差別，且ERMSD能夠很好地反映出該點在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷后的損傷程度。

方均根偏差定義式如下：

(1)

從式(1)可以看出，若損傷位置與健康位置的阻抗值差別越大，則損傷指標越大。當某測試點的ERMSD結(jié)果小于5%時，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計中小概率事件原理，可以認為該測試點沒有損傷。將相同邊界條件的每一個測量截面中無損傷健康位置處3個測點結(jié)果的平均值作為該截面的最終健康狀態(tài)的值。

不同頻段鋼骨內(nèi)壁剝離缺陷ERMSD值計算結(jié)果如圖5所示。由圖可知，缺陷區(qū)域位置處的測點低頻段的ERMSD值都在10%以上；無缺陷區(qū)域位置處測點的ERMSD值均小于5%，可以認為該測試點的位置沒有發(fā)生損傷。

圖5　不同頻段的鋼骨內(nèi)壁剝離缺陷ERMSD計算值

高頻段的ERMSD值相對低頻段要高很多，說明高頻阻抗信號對缺陷更加敏感。無缺陷區(qū)域位置處測點的ERMSD值均小于5%。結(jié)果表明：厚度為1 mm的缺陷處和厚度為3 mm缺陷處對應傳感器的ERMSD值接近，說明基于阻抗測量的界面缺陷損傷識別方法對界面剝離缺陷敏感，一旦出現(xiàn)較小的界面剝離損傷，即能從阻抗測量結(jié)果中得到體現(xiàn)。

6　結(jié)論

(1) 界面剝離缺陷導致壓電阻抗測量值的明顯變化，通過分析比較阻抗曲線圖，可以識別測點位置是否有缺陷存在。

(2)ERMSD值作為損傷指標能夠很好地反映出該點的缺陷情況。在試驗研究中，有缺陷位置測點的ERMSD值均在10%以上，無缺陷位置測點的ERMSD值均在5%以下，ERMSD結(jié)果可以有效識別剝離損傷位置。

(3) 厚度為1 mm的缺陷處和厚度為3 mm的缺陷處對應傳感器ERMSD值接近，說明該方法對較小的界面剝離缺陷敏感。

[1]許斌，李冰，宋剛兵，等.基于壓電陶瓷的鋼管混凝土柱剝離損傷識別研究[J].土木工程學報，2012,45(7)：86-96.

[2]孫威.利用壓電陶瓷的智能混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)[D].大連：大連理工大學，2009.

[3]焦莉，李宏男.PZT的EMI技術(shù)在土木工程健康監(jiān)測中的研究進展[J].防災減災工程學報，2006,26(1)：102-108.

[4]XU B,LI B,SONG G. Active debonding detection for large rectangular CFSTs based on wavelet packet energy spectrum with piezoceramics[J]. ASCE Journal of Structural Engineering, 2013,139(9):1435-1443.

[5]XU B, ZHANG T, SONG G, et al. Active interface debonding detection of a concrete-filled steel tube with PZT techniques using wavelet packet analysis[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2013,36(1):7-17.

[6]蔡萍，許斌，周宇.基于外貼壓電材料的鋼管混凝土界面缺陷檢測[J].壓電與聲光，2015,37(2):337-341.

[7]許斌，蔡萍，周宇，等.基于嵌入壓電技術(shù)的鋼管核心混凝土缺陷檢測[J].壓電與聲光，2015,37(3):489-496.

[8]許斌，陳夢琦，王海東，等.基于壓電阻抗的鋼管砼柱橫隔板剝離缺陷檢測[J].壓電與聲光，2015,37(1):172-175.

[9]許斌，陳夢琦，余地華，等.基于壓電阻抗的鋼管混凝土柱界面缺陷檢測研究[J].施工技術(shù)，2015,44(11):117-121.

[10]LIANG C, SUN F P, ROGERS C A. Coupled electro-mechanical analysis of adaptive material systems-determination of the actuator power consumption and system energy transfer[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 1994,5(1):12-20.

[11]RAJU V. Implementing Impedance-Based Health Monitoring[D]. Blacksburg Virginia: Faculty of Virginia Polytechnic Institute and State University,1997.

Detection of Debonding Defect of Irregular SRC Column Interface Based on PZT Impedance Measurement

XU Bin1,2, LI Jun1, LI Yan-he3, SHU Zhi-fang4

(1.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2.Hunan Provincial Key Lab of Damage Diagnosis for Engineering Structures, Hunan University, Changsha 410082, China;3.China Construction First Group Construction & Development Co., Ltd., Beijing 100102, China;4.Changsha Planning & Design Institute Co., Ltd., Changsha 410007, China)

Large irregular multi-chambers steel reinforced concrete (SRC) structures have been widely employed in super high-rise buildings, and the bonding condition between concrete and steel plate is critical. In this paper, the interfacial debonding defect between concrete and steel plate in a complex multi-chamber SRC column is mimicked artificially. With PZT patches surface-bonded on steel plate, the impedance of electromechanical coupled system composed by piezoelectric material and structure is measured. The measurement results of PZT patches in both debonding areas and healthy areas of the interface are compared, and the root mean square deviation (ERMSD) is defined as a damage index to describe the bonding condition of the interface. Results show the figures of PZT impedance in interface debonding areas are quite different from those in healthy areas and PZT impedance measurement based damage index can effectively detect the inaccessible interface debonding defects.

Health monitoring; SRC column; PZT impedance; Debonding defect; RMSD

2016-01-14

國家自然科學基金資助項目(51278185)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20120161110023)

許斌(1972-)，男，教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)工程和防災減災方面研究工作。

許斌, E-mail: binxu@hnu.edu.cn。

10.11973/wsjc201609008

TN384；TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0029-04