基于智能壓電傳感器的節段砼界面損傷檢測

彭暉， 曾清華， 張明

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

預制節段砼梁以其運輸便利、施工速度快、環境影響小、質量可靠度高、自復位能力強等優點被廣泛運用于工程結構中，其結構性能受界面強度的影響。預制節段砼梁界面一般由高強度環氧樹脂膠黏結形成，結構受力時，由于界面處密度不如整體澆筑的砼致密，易產生黏結界面破壞。因此，其界面損傷檢測是一個廣受關注的問題。以壓電陶瓷為代表的智能材料以其特有的驅動和傳感功能為土木工程結構實時健康監測開拓了新思路。該文提出一種基于壓電陶瓷感應應力波的主動傳感方式，實現預制節段砼梁界面損傷檢測和預警。

1 原理

1.1 智能壓電傳感器

智能壓電傳感器是對壓電陶瓷片(PZT)進行特殊處理后，將其包裹進水泥砂漿中形成的砼砌塊。由于傳感器是由砂漿和細石包裹而成，其能起到與真實骨料一致的作用，可以和砼結構相結合。

1.2 壓電效應

壓電效應是壓電材料最典型的特性，包括正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是指當壓電元件受到外力發生機械變形時，內部的正負電荷在電場作用下向元件的2個電極移動，其中電荷的分布密度由外力決定。在電壓作用下，壓電元件中的正負電荷向兩極運動而使元件發生形變的現象稱為逆壓電效應。

壓電陶瓷智能骨料是基于上述壓電效應制作而成的兼具應力波發生和接收的傳感裝置，將智能骨料埋入砼構件中能實現構件中信號發生和采集，從而實現對結構的健康監測。

1.3 波動分析法

將至少一對壓電陶瓷智能骨料黏結于被測結構表面或預先埋入構件內，對其中一塊骨料施加激勵電信號，在逆壓電效應作用下產生應力波，應力波在被測結構中傳播，另一塊骨料接受信號并通過正壓電效應轉換成電信號輸出。應力波在結構中傳播的過程中，由于結構損傷出現衰減，輸出的電信號出現幅值衰減、模態和相位變化，據此對結構進行健康監測和損傷評估。

1.4 基于小波包的分析

由于小波包具有時域和空域的性能，能準確分解低頻和高頻，采用小波包對信號進行特征分析來識別結構損傷程度。

利用小波包分析原理，通過n級小波包將監測信號S分解為等帶寬的多分量信號，利用n層小波包對S進行分解和重構，得到具有2N個不同頻帶的子信號Si。S可表示為:

S=s1+s2+s3+…+s2N

將信號進行小波包分解后，定義最終信號各頻段子信號的能量向量為:

Ei={e1,e2,e3,…,e2N}

(1)

式中：ei為各頻段子信號的能量。

(2)

利用小波包對S進行分解和重構得到的能量向量的和為：

(3)

損傷指數用來確定砼結構的健康狀況，評估試件的損傷面積和損傷程度。公式如下：

(4)

式中：DIk為k加載階段結構損傷引起的能量損失；Ek，i為結構損傷狀態(k加載階段)的信號能量；E1,i為結構健康狀態的信號能量。

2 試驗研究

2.1 試驗設計和制作

試件由3塊砼構件組成，砼配合比為水∶水泥∶砂∶石子=137∶532∶695∶1 046，28 d抗壓強度為55 MPa。每個試件縱向分布直徑12 mm的配筋和直徑為10 mm的鋼箍筋，縱向配筋、配箍的保護層厚度為3 cm。將3塊砼構件埋入智能骨料中，并用環氧樹脂膠進行拼裝。試件尺寸為60 cm×30 cm×10 cm，試件構造見圖1。

圖1 試件的構造(單位：cm)

2.2 試驗裝置及試驗過程

試驗裝置主要由NI-USB 6366數據采集系統、帶環氧樹脂接頭的砼試件及配套的電腦和液壓千斤頂加載裝置組成，其中NI-USB 6366集成了信號發生器和接收器，選用正弦波形式的監測信號進行掃描，使用NI LABVIEW軟件編寫數據采集系統的程序確定輸入信號參數。試件加載見圖2。

圖2 試件加載示意圖

砼養護28 d后使用環氧樹脂膠進行拼裝，待其強度符合標準時進行試驗加載。其中壓力傳感器控制加載過程，監控系統用來實時監控正弦波形的信號變化。試驗中每隔一段時間對傳感器進行一次激勵，同時對監控區域的信號進行一次采集。最后將收集的信號輸入計算機進行數據處理和分析，研究構件界面破壞時監測信號的變化規律。

3 試驗結果與分析

試驗中對試件進行分段加載，通過壓力傳感器控制信號采集的間隔，即每加載一個周期完成一次激勵信號的輸入和采集信號的輸出。

3.1 時域分析

試驗過程中，每一級加載都進行一次正弦波信號掃描，響應結果見圖3。由于試驗中使用功率放大器，圖中信號幅值較強烈。結果顯示：隨著試件的加載，信號幅值逐漸減小。雖然能看出信號能量隨試件破壞而降低，但總體來說，時域信號對構件損傷情況顯示并不明顯。

圖3 時域信號圖

3.2 基于小波包的能量分析

為更準確地分析試件的損傷程度，計算試驗各加載階段的小波包損傷指數，同時記錄砼應變的變化情況。小波包損傷指數計算結果見圖4，砼應變的變化情況見圖5。

圖4 小波包損傷指數計算結果

圖5 砼應變的變化情況

由圖4、圖5可知：荷載為零時，試件處于健康狀態；隨著荷載等級的加大，損傷指數逐漸增大。有2個明顯的損傷指數變化點，試驗從零開始加載，試件開始受力，導致內部應力波能量下降，砼應變出現明顯變化，損傷指數也發生變化；第二次損傷指數的明顯變化出現在30 kN加載階段，此時試件黏結處出現細小裂縫。初步分析認為，荷載為30 kN時，試件內部出現破壞，發展出細小裂紋，應力波能量顯著下降，損傷指數變大，砼應變急劇加大。試件繼續加載，裂縫持續發展，損傷指數逐漸變大，應變也加大。加載過程中，損傷指數與砼應變情況基本吻合。荷載為70 kN時，試件出現脆性破壞，此時應力波能量不變(見圖6)，同時損傷指數達到最大且保持穩定。這意味著試件黏結處剝離，結構完全破壞。說明基于小波包的能量和損傷指數分析預測破壞提前于實際破壞，正是由于這種對損傷的高敏感度，其在結構健康監測和損傷預警中具有很大的潛力。

圖6 小波包能量變化情況

4 結論

基于壓電陶瓷感應應力波的主動傳感方式，對預制節段砼梁進行加載破壞試驗，對信號數據進行時域和小波包能量分析，結論如下：

(1) 時域分析能識別出信號振幅和能量隨試件加載破壞而降低，但無法準確評估試件的損傷。

(2) 基于小波包的損傷指數能準確反映在砼應變上，隨著加載等級的增大，損傷指數明顯變化。試件即將破壞時，小波包能量最小且趨于穩定，對試件破壞損傷的預測效果較好。

(3) 相比時域分析，基于小波包的能量分析對損傷具有更好的靈敏度，其預測破壞早于實際破壞，在結構健康監測和損傷預警方面有著不錯的效果。