基于壓電傳感器的木材軸壓損傷監測

劉孝禹，饒玉龍，張繼承，肖家浩

(1.長江大學 城市建設學院，湖北 荊州 434023；2.中建八局軌道交通建設有限公司，江蘇 南京 210046)

0 引言

木材是木結構房屋最常見的建筑材料[1-2]。然而木結構的老化會導致木材彈性模量降低及抗壓能力下降，造成承載力不足及內部損傷，導致極限承載力低于規范允許值而被破壞。因此，分析在受壓荷載作用下木結構的力學性能、檢測其損傷具有重要意義。

鋯鈦酸鉛(PZT)是一種常用的壓電陶瓷智能材料，其具有成本低，響應速度快，可嵌入性強，壓電效應強的優點。由于PZT的帶寬較寬，常用于應力波的產生和檢測，基于這種壓電傳感技術在混凝土結構與金屬結構方面[3-4]的損傷監測已有大量試驗。許斌等[5]通過嵌入壓電陶瓷準確識別了鋼管混凝土的內部損傷程度。孫仲橫等[6]使用壓電陶瓷對使用碳纖維布加固鋼筋混凝土梁進行損傷監測，證明了該方法能有效監測碳纖維布的剝離。在木結構損傷監測方面，Peterson等[7]和Hu等[8]通過統計學來計算出木梁前后的陣型，推導出在損傷狀態下的算法和損傷指標。隨后，Choi等[9]通過比較木材模態的應變來預測木材損傷狀態。然而這些大部分都需外部振動激勵，缺少對木結構在荷載作用下損傷的實時監測手段，因此，應用技術手段檢測木結構損傷狀況很重要。

本文基于壓電傳感器對木材在軸壓和局壓作用下損傷監測進行了可行性研究，在木材表面貼裝壓電貼片進行損傷監測，以一個壓電陶瓷換能器用作致動器以產生沿木材表面傳播的應力波和其他壓電陶瓷換能器用作檢測傳播應力的傳感器，當木材在極限承載力時發生脆性破壞產生裂紋損傷，對傳播的應力波產生較大的衰減。基于應力波的衰減可使用小波包法來檢測缺陷損壞指數，證明該方法能實時監測木材損壞的能力。

1 試驗方法

1.1 壓電傳感器主動監測

主動監測技術是一種在待測結構上安裝壓電傳感器，通過激勵壓電傳感器使其產生應力波信號，同時接受通過待測區域的應力波信號，根據通過結構前后應力波信號的幅值大小及小波包能量法轉換后的損傷指標來評估結構健康狀態。在壓力作用過程中，其中一個壓電傳感器作為信號發射器在木材表面產生應力波，另外一個傳感器收集通過木材內部后的應力波信號。應力波信號幅度反映為電信號幅度，結構的損傷也隨著信號幅度降低而逐漸增大，通過分析在不同損傷條件下傳感器信號幅度的差異，實現對木材短柱內的損傷識別。圖1為木材損傷監測原理圖。

圖1 木材損傷監測原理

本實驗用的壓電傳感器兩極由導線焊接制成，如圖2所示。圖3為壓電傳感器檢測裝置，其中數據采集的采樣頻率系統是2 MS/s，頻率步進為5 000 Hz，激勵信號的起始頻率、終止頻率、幅度和周期分別為100 Hz、500 kHz、10 V和1 s。

圖2 壓電傳感器和數據線

圖3 壓電傳感器檢測系統

1.2 損傷診斷方法

通過小波包能量分析法提出損傷指數的概念，用于評價結構的損傷程度。以結構健康狀態下的監測信號能量Eh作為基準能量值，結構在某一時刻下的監測能量為Ei，那么可定義結構在該時刻的損傷指數Di為

(1)

式中xh(n)，xi(n)分別為結構健康狀態和損傷狀態下傳感器采集到的離散信號能量值。

由式(1)可知，Di=0～1。結構損傷程度越大，則Di值越小；Di=0時，結構處于健康狀態；Di=1時，結構處于完全失效狀態。因此，可通過Di值來評估結構的損傷程度。

1.3 試驗設計

實驗總共設計了4個試件，分別為東北落葉松和歐洲云杉加工而成的短柱，兩種木材均是由木材市場直接購買常用的建筑木材，試件尺寸為100 mm×100 mm×200 mm。將每個實驗木材短柱表面打磨光滑后用酒精進行清洗，待木材短柱干燥后，在表面的中間高度位置成90°粘貼一組應變片，每個面粘貼2個應變片，橫向和縱向互相垂直。壓電傳感器通過數據線焊接制作而成，在木材短柱相對的兩個表面中間位置粘貼壓電傳感器，粘貼完后再用AB膠將壓電傳感器進行封裝保護。在應變片和壓電傳感器粘貼前、后都應進行嚴格的檢查，確保每個應變片和傳感器量程滿足且無損壞。應變采集系統如圖4所示。應變花和壓電傳感器的貼裝布置示意圖如圖5所示。

圖4 應變采集系統

圖5 應變花和壓電傳感器貼裝示意圖

所制木材短柱構件采用長江大學結構實驗室的萬用試驗機進行試驗，試驗加載分為4個階段：

1) 為保證木材短柱與壓力機接觸良好，采用位移方式以0.5 mm/min的速度加載直至木材短柱上表面與壓力機完全貼合。

2) 以每級Pu/10(Pu為極限承載力)力的方式加載至木材短柱進入彈塑性階段。

3) 以每級Pu/20力的方式加載至荷載達到預計極限荷載的75%。

4) 以0.5 mm/min位移的方式加載至木材短柱破壞。

2 實驗現象及結果分析

2.1 破壞形式

分析試驗現象，將木材短柱的破壞形式(見圖6)分為4種：

1) 劈裂破壞。落葉松木短柱在軸壓荷載作用下發生劈裂破壞。發生開裂部位基本在木材短柱中間，裂紋從上到下貫穿木材。具體表現為當作用力剛達極限承載力時，會聽到木材開裂的噼啪聲，繼而承載力快速下降，噼啪聲逐漸增大，最后裂紋貫穿整個木材短柱，由于松木剛度大，因此,木材短柱只有前、后各一條裂紋。

2) 壓縮開裂破壞。歐洲云杉在軸壓荷載作用下發生壓縮開裂破壞，擠壓部位在短柱上半部分，整個上半部分下陷形成一層“褶子”，即一個分層線，上半部分沿木材紋理方向多處發生表面開裂，木材表面中間有幾條較大清晰的裂紋。具體表現為當作用力剛到達極限承載力時，會聽到木材開裂的噼啪聲，繼而承載力快速下降，噼啪聲逐漸增大，上半部分壓壞皺縮。

3) 楔形劈裂破壞。落葉松木短柱在局壓荷載作用下發生楔形劈裂破壞。發生開裂部位基本在墊板中間位置，裂紋從墊板下附近位置貫穿木材底部，裂縫上面有兩條斜裂紋開裂到木材頂部，形成一個楔形，放置墊板位置整體下沉，具體表現為當作用力剛到達極限承載力時，墊板開始下沉一段時間，會聽到木材開裂的噼啪聲，繼而承載力快速下降，噼啪聲逐漸增大，最后裂紋貫穿整個木材短柱，松木破壞只有前后一條大裂縫。

4) 壓縮開裂破壞。歐洲云杉短柱在局壓荷載作用下發生下沉開裂破壞。發生開裂部位基本在墊板周圍位置，裂紋從墊板四周位置開裂到木材中部位置，緊挨墊板位置沿木材紋理方向開裂鼓曲變形較大，壓縮成一個個小鼓包，放置墊板位置整體下沉，未放置墊板位置變形不大，基本上未產生裂紋，具體表現為當作用力剛達極限承載力時，墊板開始下沉一段時間，會聽到木材開裂的噼啪聲，繼而承載力快速下降，噼啪聲逐漸增大，最后裂紋貫穿整個木材短柱。

圖6 木材破壞模式

2.2 壓電信號分析

圖7、8為木材短柱在軸壓荷載作用下的傳感器信號響應圖形，取每隔60 kN信號值繪制。試驗結果表明，杉木在340 kN木材發生壓縮開裂破壞，松木在380 kN木材發生劈裂破壞。由于松木剛度較杉木大，松木破壞時，前、后兩面只出現一條裂紋。對圖7、8進行分析可看出，隨著荷載的增大，電信號幅值逐漸減小，在初期和中期加載幅值變化不大，在木材開裂時幅值降低較快。這是由于木材是脆性破壞，在極限承載力時瞬間產生裂紋，應力波耗散較快，應力波信號變化幅值與試驗破壞現象一致。

圖7 杉木軸壓時頻信號圖

圖8 松木軸壓時頻信號圖

圖9、10分別為在局壓狀態下杉木和松木的時頻信號圖。杉木在240 kN發生壓縮開裂破壞，松木在260 kN發生楔形劈裂破壞。當局壓荷載增加時，壓電傳感器接收到的信號幅值減小。分析圖9、10可發現，其趨勢與軸壓試件類似，在初期和中期加載幅值變化不大，在木材開裂時幅值降低較快。木材短柱破壞時的時頻信號變化趨勢基本一致，這證明了壓電傳感器的主動傳感技術可實時監測木材的損傷。

圖9 杉木局壓時頻信號圖

圖10 松木局壓時頻信號圖

2.3 荷載與損傷指數的關系

圖11為在荷載下試驗木材短柱的損傷指數。以木材短柱在當前壓力等級下增長的Di較60 kN壓力等級下損傷指數比來判斷木材短柱裂縫發展的快慢，如表1所示。隨著荷載增大，Di逐漸增大，在破壞時Di≈1，說明木材已被壓壞。其中Di在接近極限荷載時激增，這是由于木材發生脆性破壞后裂縫快速向下發展，使木材迅速破壞。從Di增長速度分析，松木短柱在300 kN時發生軸壓脆性破壞，在240 kN時發生局壓脆性破壞；杉木短柱在340 kN時發生軸壓脆性破壞，在240 kN時發生局壓脆性破壞。部分構件的損傷指數初期下降，可能是初期受壓階段木材被壓密實，而破壞相對較小的緣故。

圖11 木材損傷指數

表1 木材短柱損傷發展

3 結論

1) 木材短柱的損傷隨著所受荷載的增加而逐步變大，同時壓電傳感器所收到信號的幅值逐漸變小，表明損傷程度越大，接收到了應力波能量越小。

2) 木材短柱在加載前期主要是被壓密實，應力波幅值變化不大；加載后期，木材發生脆性破壞，裂紋快速發展，應力波幅值變化較大。

3) 通過使用基于小波包的能量方法計算的接收信號的能量，可用于定量評估木材短柱荷載作用下損傷的變化，使用PZT的主動傳感技術能夠精確有效地實時監測木材短柱在軸壓和局壓下的損傷。