基于壓電陶瓷傳感器的水塔定向爆破監(jiān)測試驗研究

鐘冬望，李騰飛，熊 偉

(1.武漢科技大學理學院，武漢 430065；2.武漢科技大學湖北省智能爆破工程技術(shù)中心，武漢 430065)

壓電陶瓷(PZT)技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測方面有著重要的作用，混凝土早期強度監(jiān)測[1-3]，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測[4]、結(jié)構(gòu)碰撞監(jiān)測[5]等方面均有大量的應用。目前，國內(nèi)外學者對利用壓電材料的土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及損傷診斷技術(shù)的相關(guān)研究可分為主動監(jiān)測技術(shù)[6]和被動監(jiān)測技術(shù)[7]兩大類。基于壓電陶瓷的被動監(jiān)測技術(shù)和主動監(jiān)測技術(shù)的主要區(qū)別是被動監(jiān)測時激勵是由外部作用引起而非以壓電陶瓷做驅(qū)動器，壓電陶瓷主要充當傳感器。主要包括對沖擊荷載監(jiān)測、結(jié)構(gòu)振動模態(tài)監(jiān)測和基于聲發(fā)射技術(shù)的被動監(jiān)測。

國內(nèi)外學者做了很多這方面的研究，Song等[8]將壓電陶瓷埋入混凝土梁中，監(jiān)測高速路橋受貨車撞擊的響應。試驗結(jié)果表明，埋置于混凝土中的壓電陶瓷能夠正確反映結(jié)構(gòu)在撞擊下的響應情況，而且壓電陶瓷的響應隨撞擊荷載的增大呈現(xiàn)線性增大的趨勢。鄭旭鋒等[9]采用壓電陶瓷對碾壓機動態(tài)荷載作用下的環(huán)形鋼筋混凝土橋模型的應變進行監(jiān)測，以動態(tài)應變值為參數(shù)來描述橋梁的振動特性，評價橋梁結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)。楊曉明等[10-11]利用壓電陶瓷傳感器制成交通流量監(jiān)測系統(tǒng)，進行了汽車流的監(jiān)測試驗。從傳感器的響應信號來看，壓電陶瓷傳感器系統(tǒng)不僅能夠準確地獲得通過車輛的數(shù)量，還能夠根據(jù)傳感器響應的幅值來判斷通過車輛的種類及車輛荷載，而且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。趙曉燕等[12]將PZT片粘貼于框架剪力墻柱根部，對結(jié)構(gòu)在地震力作用下的響應進行了監(jiān)測試驗。試驗結(jié)果表明，PZT信號能夠較好反映所監(jiān)測結(jié)構(gòu)位置處的變形，其頻率成分與響應監(jiān)測位置處的加速度傳感器輸出信號的頻率成分一致。

目前，在以壓電陶瓷片為主要傳感器元件的壓電智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷診斷技術(shù)中，壓電陶瓷片與主體結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式主要有兩種形式，即粘貼式和埋入式。在實際應用中采用哪一種結(jié)合方式，主要取決于主體結(jié)構(gòu)的材料特點及所采用的損傷診斷方法等。埋入式的結(jié)合方式是將壓電陶瓷片埋置在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部，它的優(yōu)點是可以在一定程度上削弱外界環(huán)境如溫度、濕度等變化對壓電陶瓷片的影響，而且主體結(jié)構(gòu)又能起到保護壓電陶瓷片的作用，從而大大延長壓電片的使用壽命，保證健康監(jiān)測過程的長期有效性。對于爆破過程的監(jiān)測埋入式可以避免壓電陶瓷片因沖擊或者振動而損壞。壓電陶瓷片的材料質(zhì)地較脆，如果直接將其埋入結(jié)構(gòu)中，在主體結(jié)構(gòu)的施工過程中極易造成其損壞。為了解決這一問題，美國休斯頓大學卡倫工程學院智能材料與結(jié)構(gòu)實驗室的Song博士提出了“智能骨料”的概念。

1 工程概況

在某老舊小區(qū)的改造過程中一處廢棄的水塔需要拆除爆破，該水塔始建于上世紀七十年代，是一座試驗性質(zhì)的水塔。整塔質(zhì)量498 t，高28.5 m，上下筒體共分為3段，檢修門洞寬0.6 m，高2 m，內(nèi)部安裝有連接水箱和地面的螺旋鐵質(zhì)樓梯。

該水塔由混凝土混合鵝卵石澆筑而成，塔壁混凝土強度等級為C30，水箱強度等級為C35。周圍環(huán)境復雜，塔身最近處2.5 m有一民房，為磚混結(jié)構(gòu)；水塔設計傾倒在一廢棄籃球場，周圍有綠化樹木，樹木背后有2棟6層居民樓，均為老舊的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在拆除爆破過程中飛石和觸地振動將是防護的重點，待爆水塔如圖1所示。

圖1 待爆水塔

2 試驗過程

2.1 PZT傳感器封裝埋入過程

壓電陶瓷片作為一種脆性材料在試驗過程中容易損壞，特別是在工程環(huán)境比較復雜的爆破施工預處理過程中容易受到振動、混凝土攪拌以及浸泡等物理損壞， Song提出的將PZT封裝，形成“智能骨料”的形式，可以有效地解決PZT在試驗過程中容易損壞無法適應現(xiàn)場環(huán)境等問題，也避免了PZT在埋入后與主體結(jié)構(gòu)結(jié)合的問題。

試驗采用PZT傳感器呈圓盤狀，直徑為2.4 cm，厚度為0.4 cm，將該傳感器粘貼到角鐵條的卡槽內(nèi)，將角鐵條緩慢插入灌注混凝土的徑向孔中，并在插入過程中不斷用細鐵絲攪拌孔內(nèi)混凝土，排出孔內(nèi)的殘余空氣避免產(chǎn)生空洞影響信號在水塔壁中的傳播和接收，壓電陶瓷傳感器埋入過程如圖2所示。

圖2 智能骨料(壓電陶瓷傳感器)埋入過程

試驗共布置8處傳感器壓電陶瓷片，其埋置洞布置分上下3層(見圖3)，每層垂直間距為0.5 m，水平間距為1.2 m，所有的孔均為水平徑向布置。其中最下層(A層)智能骨料位于距水塔外壁5 cm處；中間層(B層)智能骨料于每個孔洞內(nèi)靠近水塔內(nèi)、外壁5 cm處各布置1個，共埋入6處智能骨料；最上層(C層)智能骨料位于距水塔內(nèi)壁5 cm處。

圖3 傳感器分布

2.2 PZT傳感器被動監(jiān)測系統(tǒng)

在水塔拆除爆破的過程中，使用PZT傳感器被動監(jiān)測技術(shù)對水塔的混凝土塔壁進行監(jiān)測，被動監(jiān)測在此主要用于對炸藥爆炸形成爆破切口后，在切口上部自重荷載的作用下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的檢測。該監(jiān)測系統(tǒng)由埋入塔壁的傳感器、多通道信號采集儀以及計算機構(gòu)成，計算機主要起示波和讀取數(shù)據(jù)的作用。

在多通道信號采集儀上加裝一個能夠感應電流信號變化的監(jiān)測儀，在起爆的瞬間由起爆器發(fā)出的脈沖信號被檢測儀檢測到，自動激發(fā)設備進入信號采集狀態(tài)，無需人工點擊采集設備，可以有效避免在爆破環(huán)境下人員不能在試驗現(xiàn)場很近的位置而設備又不能遠離現(xiàn)場的情況，也可以有效把握采集的時間和長度。

2.3 爆破切口處理

根據(jù)拆除爆破設計說明書，在水塔傾倒方向設置一個圓心角216°的爆破切口，起爆后爆破切口形成，使得水塔在重力的作用下，切口上部的傾倒力矩大于切口余留部分的剩余抵抗力拒，爆破切口尺寸的設置在整個拆除過程中起關(guān)鍵性的作用。

水塔的倒塌方向為東北方向，水塔爆破切口以東北方向為軸兩邊各開108°，并在切口兩邊設置2個倒向窗保證水塔能夠按照設計方向傾倒，切口距離地面0.3 m，切口高3 m，爆破切口的具體尺寸及位置如圖4所示。

圖4 爆破切口位置

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 小波包能量分析法

小波包能量分析是對信號進行分析和重構(gòu)的重要方法[13-14]，利用小波包能量分析法對水塔的倒塌過程中的應力波信號能量監(jiān)測，水塔壁爆破切口余留部分發(fā)生的拉伸及壓縮破壞情況被實時監(jiān)控。

通過對壓電信號進行n次分解，得到2n個信號集{X1,X2,…，X2n}，Eij是分解信號的能量，其中i是某時刻，j是頻帶(j=1…2n)。在頻帶的信號Xj可以用式(1)表示[15]：

Xj=[X(j,1),X(j,2),…,X(j,m)]

(1)

式中：m為數(shù)據(jù)采樣點，用式(2)定義分解信號的能量Eij為

(2)

將某時刻i的信號分解成矢量形式：

Ei=[Ei,1,Ei,2,…,Ei,2n]

(3)

能量矢量(Ei)是一個與時間相關(guān)的量，即在相對應時間的能量矢量和即為該時間段內(nèi)接收到的信號總能量。

(4)

3.2 PZT傳感器被動監(jiān)測結(jié)果分析

起爆后，隨著炸藥爆炸切口區(qū)混凝土破碎而形成切口區(qū)，水塔切口以上部分由于支撐部位發(fā)生偏移，在重力作用下傾覆力矩使得水塔朝預定方向傾倒，完成水塔的整體拆除爆破過程。壓電陶瓷片埋置于爆破切口的余留部分，水塔內(nèi)壁的傳感器受到壓應力，外壁的傳感器則受到拉應力，整個過程能量以應力波的形式向外釋放。PZT傳感器被動監(jiān)測以聲發(fā)射原理為基礎，檢測水塔傾倒過程中塔壁內(nèi)的應力波信號，即實現(xiàn)對塔壁混凝土損傷破壞過程的實時監(jiān)測。

3.2.1 試爆

試爆作為正式爆破前對需爆破的建(構(gòu))筑物進行的小規(guī)模試驗性質(zhì)的爆破，在拆除爆破中通常是對各類典型構(gòu)件進行單一構(gòu)件上少數(shù)炮孔的試爆，以推算大規(guī)模爆破適合的裝藥量。試爆并不會引起整體結(jié)構(gòu)的破壞，局部的結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生的應力波，釋放的應變能被傳感器監(jiān)測并記錄，試爆的爆炸及混凝土的局部破壞都發(fā)生在較短的時間內(nèi)，混凝土斷裂破壞產(chǎn)生的彈性波在破壞完成以后即不再產(chǎn)生，并不會像正式起爆過程中混凝土在后續(xù)傾倒過程中會被拉裂和觸地解體。

試爆位置處于傳感器B1、B2的徑向?qū)ΨQ位置，單孔裝藥400 g，共有4個孔參與試爆，總裝藥量為1.6 kg，采集儀采樣頻率設置為100 kHz，采樣長度為1 M，采用單次外部觸發(fā)模式，試爆傳感器各點壓電信號如圖5所示。

圖5 試爆各傳感器壓電信號

在爆破過程中多通道信號采集儀在電流脈沖檢測儀的觸發(fā)下自動采集信號，采集初始時間與起爆時間保持同步。炸藥在起爆的瞬間產(chǎn)生爆轟波并向藥包四周擴散，在接觸到混凝土固體介質(zhì)以后激起強烈的沖擊波，該沖擊波在混凝土中以應力波的形式傳播，最終該應力波到達各傳感器的埋置點，被被動監(jiān)測系統(tǒng)采集到壓電信號。由圖5可知，應力波在混凝土中的傳播是一個不斷衰減的過程，作用時間較短，波峰的應力值較大。

對監(jiān)測到的聲發(fā)射信號進行小波包能量分析，采用db9小波基對信號分解[16]，根據(jù)式(4)，將信號時長等分，并對相同時長的8組信號分別計算能量，并依次累加，試爆各傳感器信號分段能量指數(shù)如表1所示。

根據(jù)表1對各傳感器信號分段能量指數(shù)的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，靠近內(nèi)壁4處傳感器B1、B3、B5、C1的能量指數(shù)平均值是外側(cè)傳感器A1、B2、B4、B6接收能量指數(shù)的60.37%，布置在水塔內(nèi)側(cè)和外側(cè)傳感器附近的混凝土在試爆后并沒有出現(xiàn)明顯的破壞和變形，試爆區(qū)域在水塔傾倒方向爆破切口中間位置，該區(qū)域混凝土破壞產(chǎn)生的應力波在水塔壁內(nèi)傳播，環(huán)形壁傳播到徑向位置會在內(nèi)壁和外壁自由面上不斷地反射，最終引起傳感器中壓電片的振動并轉(zhuǎn)化為相應電信號，試爆區(qū)域孔洞的形成導致水塔內(nèi)部應力再平衡，在平衡過程中各處釋放的應變能有差異，通過PZT傳感器被動監(jiān)測結(jié)果小波包能量分析，在環(huán)形壁上出現(xiàn)孔洞后徑向?qū)ΨQ區(qū)域外側(cè)釋放的應變能大于內(nèi)側(cè)釋放的應變能，即外側(cè)受到的損傷也將大于內(nèi)側(cè)。

在對信號的分析過程中，PZT傳感器B5和B6并無明顯的波形和峰值出現(xiàn)，該2點平均能量指數(shù)是同層剩余點的64.91%。根據(jù)水塔拆除爆破設計要求，爆破切口邊緣要設計2個對稱的定向窗，B5和B6水平距離定向窗0.2 m，定向窗相當于在傳感器附近存在一個較大的裂縫，阻礙和切斷了應力波的傳播，傳感器不能監(jiān)測到應力波的信號，導致B5和B6在監(jiān)測過程中沒有出現(xiàn)明顯的壓電信號，這從另一方面來說是對壓電陶瓷監(jiān)測損傷有效的佐證，當被監(jiān)測物質(zhì)出現(xiàn)較大的裂縫和損傷以后，壓電陶瓷被動監(jiān)測信號變?nèi)酰芽p越大信號就越弱。

3.2.2 正式起爆

正式起爆采用爆破切口72孔同時起爆，炮孔布置分上中下3層，單孔藥量依次為150、200、400 g，共使用乳化炸藥19 kg。通過接入多通道信號采集儀的電流監(jiān)測儀與起爆器實現(xiàn)聯(lián)通，保證被動監(jiān)測系統(tǒng)開啟監(jiān)測時間與起爆時間同步，采集儀采樣頻率及采樣長度等設置與試爆過程保持一致，正式起爆傳感器各點壓電信號如圖6所示。

圖6 正式起爆各傳感器壓電信號

在正式爆破時PZT傳感器B6在水塔倒塌過程中數(shù)據(jù)傳輸線被拉斷，未監(jiān)測到有效信號。

正式爆破與試爆區(qū)別在于炸藥爆炸破碎周圍混凝土以后正式爆破還存在后續(xù)倒塌過程，水塔倒塌過程中爆破切口余留部分背部受拉區(qū)和腹部受壓區(qū)混凝土發(fā)生拉裂和壓碎，產(chǎn)生應力波，最終還存在觸地破碎產(chǎn)生的觸地信號，正式爆破時程長于試爆，峰值壓力及能量指數(shù)也遠大于試爆過程。在炸藥爆炸后的短時間內(nèi)，爆破切口處的混凝土在炸藥能量急劇釋放下完全破碎，該處混凝土破碎產(chǎn)生的應力波峰值相應較大，在爆破切口完全形成后塔壁剩余混凝土的破壞形式為在重力作用下切口余留承載部分經(jīng)受壓縮和拉伸變形，背部拉伸區(qū)混凝土在經(jīng)歷彈性階段、塑性階段、開裂階段以及破壞階段后最終被完全拉伸破壞，不再以應力波的形式釋放能量；在塔壁的承壓區(qū)，根據(jù)拆除爆破設計為防止切口上部混凝土將爆破切口余留承壓部分壓潰而產(chǎn)生后坐，承壓部分在整個拆除爆破過程中混凝土只會發(fā)生局部變形而不會產(chǎn)生較大范圍的破壞。整個水塔拆除倒塌過程是一個不斷釋放能量的狀態(tài)，基于聲發(fā)射原理的壓電陶瓷傳感器可以實時監(jiān)測水塔壁中發(fā)生的能量變化，正式起爆各傳感器采集點能量指數(shù)變化如圖7所示。

圖7 正式起爆各傳感器采集點能量指數(shù)變化

通過對水塔傾倒過程時間分段的能量矢量求和，根據(jù)圖7中各采集點能量指數(shù)的變化，水塔的傾倒過程能量指數(shù)衰減比較緩慢，該過程中信號最大幅值為0.4 V，與起爆階段信號最大幅值7.51 V相比下降了94.67%，起爆階段炸藥對水塔混凝土毀傷釋放的應力波能量遠大于在重力矩作用下混凝土拉裂和壓碎產(chǎn)生的應力波，PZT傳感器被動監(jiān)測系統(tǒng)是對裂紋和損傷的監(jiān)測，而炸藥爆炸所產(chǎn)生的“裂縫”就是爆破切口，是一個十分巨大的裂縫，該過程釋放的能量也就遠超爆破切口余留部分拉裂產(chǎn)生的應力波能量。水塔傾倒過程中，基于聲發(fā)射原理的PZT傳感器接收到的壓電信號幅值比較穩(wěn)定，分段時間內(nèi)平均最大幅值為0.31 V，該階段內(nèi)的能量指數(shù)也無明顯波動，爆破切口余留部分的背部受拉區(qū)域和腹部受壓區(qū)域的損傷和破壞是一個持續(xù)的過程，PZT傳感器對水塔傾倒混凝土破壞過程可以起到連續(xù)被動監(jiān)測的效果。從圖6濾波后的信號波形中可以看出，在起爆后5 s左右的時間收到觸地信號，但其信號電壓幅值為0.65 V，起爆時的幅值為7.51 V，觸地時水塔整個塔體發(fā)生了解體，破碎的體積和范圍也超過起爆時破碎的爆破切口的體積，但觸地的壓電信號最大幅值只有起爆時的8.66%，通過對信號進行小波包能量變換，根據(jù)式(4)計算各個時間段內(nèi)的能量指數(shù)，計算結(jié)果表明在水塔傾倒觸地時間段內(nèi)的能量指數(shù)是起爆時間段內(nèi)的23.31%，出現(xiàn)該情況的原因在于傳感器埋置于爆破切口余留部分，距離爆破切口較近，水塔觸地解體時發(fā)生破裂和破碎的位置較多，大部分都處于水塔腰部及頭部，與傳感器所在的根部距離較遠，較遠處產(chǎn)生的應力波在傳播的過程中會被近處先產(chǎn)生的裂縫阻斷，無法被傳感器監(jiān)測到。

3.3 功率譜分析

利用FFT將信號的時域信息和頻域信息聯(lián)系起來[17]，根據(jù)文獻[12]PZT信號頻率特征與加速度信號頻率響應一致，可以將PZT信號頻域信息對爆破振動的相關(guān)信息結(jié)合起來。利用MATLAB程序?qū)ZT傳感器信號做快速傅里葉變換，對PZT傳感器A1的信號FFT之后的頻譜如圖8所示。

圖8 A1信號頻譜

通過對壓電陶瓷傳感器各點信號頻率功率譜分析，發(fā)現(xiàn)其信號功率絕大部分都集中在100 Hz以內(nèi)，由各傳感器采集信號在100 Hz以內(nèi)的功率譜(見圖9)可以看出，在100 Hz以內(nèi)的頻率大小分布中，其功率從低頻向高頻呈不斷衰減趨勢，在40 Hz以后整體呈平滑狀，且在0～20 Hz功率幅值整體水平顯著高于20～40 Hz，即該水塔在傾倒至觸地解體過程中產(chǎn)生的振動頻率主要集中在0～20 Hz。

圖9 各傳感器信號功率譜

從圖9中可以看出，在A1處接收到的信號主振頻率為4 Hz，主振周期為0.250 s，該頻率接近周圍建筑物的一般自振頻率，即水塔的倒塌過程會對周圍建筑物會造成一定的影響。對于其他各傳感器測得的信號做FFT，頻譜分析結(jié)果如表2所示。

表2 頻譜分析結(jié)果

根據(jù)國家《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》GB 50010-2010中的相關(guān)規(guī)范，住宅和公寓固有頻率不宜低于5 Hz，國內(nèi)不同高度一般建筑物的自振頻率如表3所示[18]。水塔處于老舊小區(qū)的內(nèi)部，周圍均是6～9層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅，而拆除過程中的振動頻率也主要集中在該頻率范圍之內(nèi)，說明在水塔的拆除爆破過程中減振措施和設置警戒范圍是十分有必要的，埋入式壓電陶瓷傳感器對拆除爆破建筑物倒塌過程的監(jiān)測效果良好。

表3 國內(nèi)不同高度一般建筑物自振頻率

4 結(jié)論

1)對于筒形建筑，試爆會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，導向窗徑向?qū)ΨQ位置腹部的平均能量指數(shù)是背部能量指數(shù)的60.37%，腹部產(chǎn)生的損傷小于背部的損傷。

2)對于28.5 m高水塔的拆除爆破過程中，起爆至水塔觸地共5 s的時間，該過程與傳感器信號分析結(jié)果一致，埋入式壓電陶瓷傳感器能夠?qū)Σ鸪七^程做到有效監(jiān)測和記錄。

3)拆除爆破產(chǎn)生的振動主頻率主要集中在4～11 Hz，信號功率主要在0～20 Hz的頻段內(nèi)，與周圍建筑物的自振頻率相近，有發(fā)生共振的風險，在待拆建(構(gòu))筑物與周圍住宅之間做防振減振處理是有必要的。