基于壓電傳感技術榫卯結構損傷識別實驗研究

韓 芳,陳天馳,顏 芝,熊 暢,2

(1.武漢科技大學 理學院,湖北 武漢 430081; 2.中國一冶集團有限公司,湖北 武漢 430081)

0 引言

榫卯結構是我國傳統木建筑中的重要組成部分,具有構造精巧、受力合理的特點,是勞動人民智慧的結晶。榫卯結構通常由榫頭和卯孔組成,具有較強的半剛性特征[1-3],其不僅可以承受荷載,而且允許產生一定程度的變形以減輕外荷載對結構的損傷。木材作為一種天然有機材料[4],在長期荷載及自然環境的影響下不可避免地會出現退化,造成榫卯節點承載力降低,出現拔榫、折榫或卯口破壞等損傷[5],進而影響結構的整體安全。因此,研究榫卯結構的力學性能,定期對其進行損傷檢測和健康監測,這對保護木結構整體安全具有重要意義。

近年來,科研工作者對榫卯結構展開了系列研究。武國芳等[6]總結了不同類型榫卯節點的力學特點、傳力機制、破壞形式及加固方式等,為古建筑修繕及榫卯連接節點在現代木結構建筑中的應用提供了借鑒。薛建陽等[7]提出的靜動力凝聚、偏最小二乘和擴展卡爾曼濾波的混合算法能夠根據結構位移和速度響應對榫卯節點剛度進行損傷識別。Jiang等[8]基于統計分析建立了一種用于評估中國傳統榫頭結構剛度狀態的四階段結構剛度識別方法。趙小矛等[9]基于聲發射能量衰減模型提出了兩點定位法對榫卯結構的破壞源進行準確定位。同時,基于壓電智能材料的結構無損檢測技術被廣泛應用在機械工程及航空航天等領域,其中鋯鈦酸鉛(PZT)以主動傳感,響應快,成本低,易實現等優點,逐漸被應用在木材損傷識別領域。Zhang等[10]利用壓電主動傳感法對不同含水率的木塊進行了實驗研究,得到應力波能量隨木材含水率變化的規律。劉孝禹等[11]進行了軸壓荷載作用下木梁損傷識別的實驗研究。蒙卉恩等[12]采用壓電主動傳感技術對不同服役年限的木構件進行損傷識別研究。目前,基于壓電主動傳感技術對榫卯結構的損傷識別研究相對有限,本文以指接榫和燕尾榫為例,考慮榫頭松動、腐爛缺損、實驗機加載破壞等損傷工況,采用壓電主動傳感技術和小波包能量法相結合的分析方式,對榫卯結構進行損傷識別實驗研究。

1 基本原理

壓電主動傳感法的基本原理是在待測結構一側粘貼壓電片作為驅動器,另一側粘貼壓電片作為傳感器,通過分析應力波信號的變化來評價結構的健康狀態,如圖1所示。

圖1 基于壓電傳感器的主動監測法

采用小波包能量法對壓電片采集的信號進行處理,以接收信號X的能量值作為評定結構損傷狀態的依據,并以小波包分解后各頻段信號能量的總和作為信號的能量指標,即:

X=X1+X2+…Xi+…X2n-1+X2n

(i=1,2,…,2n)

(1)

Xi=[xi,1+xi,2+…xi,j+…xi,m-1+xi,m]

(i=1,2,…,2n;j=1,2,…,m)

(2)

(3)

(4)

式中:n為小波包分解層數;Xi為分解后第i個頻段信號;xi,j為第i個頻段的第j個離散點幅值;Ei為信號頻段Xi的能量值;E為各頻段能量值之和。

2 指接榫損傷識別實驗

2.1 實驗材料

2.1.1 木材

榫卯結構采用黃杉,其密度為550 kg/m3, 順紋抗壓強度為45 MPa,順紋抗拉強度為135 MPa,順紋抗剪強度為13.5 MPa,抗彎強度為90 MPa,抗彎彈性模量為10.5 GPa,泊松比為0.35。

2.1.2 指接榫

指接榫長150 mm,寬100 mm,厚18 mm。榫頭長18 mm,寬10 mm,厚18 mm。試件采用水平連接和垂直連接,如圖2所示。

圖2 指接榫試件

2.1.3 壓電傳感材料

選用直徑?15 mm、厚0.3 mm 的PZT-5型壓電片,材料為鋯鈦酸鉛,常用表征壓電材料特性的參數有壓電柔度矩陣、介電常數矩陣、壓電應變矩陣等。各矩陣具體參數如表1所示。為了保證壓電片在整個實驗過程中測試性能穩定,采用直徑?25 mm、厚10 mm的不銹鋼外殼對其進行封裝以制作成可循環使用的壓電傳感器。

表1 壓電傳感器材料參數

2.2 實驗裝置

指接榫加工方便,榫頭間接觸面積較大,在不施加膠水的前提下依靠榫頭間相互約束擠壓作用來承受載荷。實驗裝置由多功能壓電信號監測與分析系統(SCHYPZT3)、筆記本電腦和試件組成(見圖3)。采用環氧樹脂膠將封裝后的壓電傳感器粘貼在試件表面固定位置處。激勵采用幅值為10 V的正弦掃頻信號(100～300 kHz),采樣頻率為1 MHz,采樣時間為1 s。

圖3 指接榫實驗裝置圖

2.3 實驗工況

考慮榫卯連接中常見的松動和缺損腐爛工況,分別以水平和垂直連接方式下指接榫榫頭相對平移4 mm、8 mm、12 mm、16 mm來模擬不同程度的松動損傷, 如圖4(a)、(b)所示。

圖4 指接榫不同工況損傷示意圖

以垂直連接方式下的中心榫頭缺損1/4、1/2、3/4、1(完全缺損)來模擬不同程度的缺損(腐爛)損傷,如圖4(c)所示。具體損傷工況如表2所示。表中,工況A1-A4為水平連接松動損傷,工況B1-B4為垂直連接松動損傷,工況C1-C4為垂直連接榫頭缺損(腐爛)損傷。

表2 不同工況損傷參數設置

為保證實驗精度,每組工況重復測量10次,最終結果取10次測量值的平均值。此外,為降低實驗環境對信號測量的影響,榫卯試件始終被放置在工作臺同一位置。

2.4 實驗結果與分析

榫頭松動和缺損變化過程中,壓電傳感器采集的應力波信號能量如圖5所示。由圖可見,隨著損傷程度加劇,應力波信號能量逐漸減小,說明利用壓電主動傳感法可以有效監測損傷變化情況。為了定量描述榫頭損傷變化程度,對采集的數據進行小波變換后得到能量變化柱狀圖如圖6所示。

圖5 壓電傳感器接收的應力波信號

圖6 指接榫在不同損傷工況下的信號能量圖

由圖6可見,指接榫榫頭松動和腐爛缺損工況的能量均隨損傷程度的增加而逐漸減小。對于水平連接松動損傷(工況A),隨著松動程度的增加,信號能量僅有健康工況信號能量的61%、54%、47%和38%。對于垂直連接松動損傷(工況B),隨著松動程度的增加,信號能量僅有健康工況信號能量的33%、28%、18%和15%。對于垂直連接腐爛缺損損傷(工況C),隨著缺損程度的增加,信號能量僅有健康工況信號能量的87%、72%、60%和48%。以上結果表明,基于壓電主動傳感技術可以對指接榫松動和缺損工況進行損傷識別,此規律可為榫卯結構定量損傷分析提供參考。

3 燕尾榫損傷監測實驗

燕尾榫具有端部尺寸大、頸部尺寸小的特點,受到荷載作用時端部、頸部相互擠壓,具有良好的抗拉拔和轉動能力。燕尾榫連接是一種半剛性節點,初始處于鉸接狀態,在載荷作用下節點剛度不斷增加,榫卯節點擠壓變形加劇,榫頭塑性變形不斷增加,直至燕尾榫節點脫榫破壞。

3.1 實驗材料

木材和壓電傳感材料參照第2.1節。2組燕尾榫長為150 mm,寬為100 mm,厚為18 mm,榫頭長為18 mm,燕尾榫榫頭傾角為83°,如圖7所示。

圖7 燕尾榫結構示意圖

3.2 實驗裝置

采用萬能材料實驗機對燕尾榫進行豎向位移加載,燕尾榫一端由剛性夾頭固定,另一端由剛性壓頭進行位移加載,加載點距燕尾榫連接中縫水平距離100 mm,粘貼的壓電傳感器距連接中縫水平距離20 mm,加載裝置如圖8所示。采用多功能壓電信號監測與分析系統進行測試,參數設置同第2.1節。

圖8 實驗裝置示意圖

3.3 實驗過程

首先進行初始健康工況的信號激發和采集,然后啟動程序單調加載。采用位移控制加載模式編寫加載方案:初始位移為0,加載速率為1 mm/min,加載步長為2 mm,每個加載步結束后均設置10 min的位移保持狀態,以便進行重復測試。為保證實驗精度,初始工況和加載工況均重復進行4次壓電信號的激發和采集過程,最終結果取4次小波包能量的平均值進行統計分析,持續加載直至燕尾榫脫榫破壞(見圖9)。

圖9 榫頭開裂

3.4 實驗結果與分析

對2組燕尾榫分別進行實驗,采用小波包分析計算出各加載步下所接收信號的能量值,得到信號能量隨加載位移變化的關系曲線如圖10所示。

圖10 能量-位移加載曲線

由圖10可見,2組燕尾榫的信號能量均出現先增大后減小的變化趨勢,考慮是由于燕尾榫結構半剛性的特點所致。在位移加載初期,燕尾榫連接節點處于彈性工作階段;隨著位移加載的增大,木材被壓緊密實,接觸面積增大,傳感器所接收信號的小波包能量隨之增加;繼續加載,相鄰榫頭的端部和頸部擠壓變形增加,接收信號的小波包總體能量繼續增加;繼續加載至一定程度,伴隨輕微的開裂聲,榫頭表面開始出現裂縫,燕尾榫連接節點處出現損傷,隨后該裂縫不斷加深,伴隨著木纖維拉斷的撕拉聲,節點的損傷程度不斷變大;繼續加載,橫貫裂縫在深度方向的擴展導致榫頭端部、頸部完全分離并產生較大劈裂聲,燕尾榫結構失效。完全貫通裂縫的出現導致應力波傳播時能量衰弱,曲線出現下降段,小波包能量隨著燕尾榫損傷程度的增加而降低。

4 結論

1) 考慮到榫頭松動和缺損工況的指接榫結構,壓電傳感器接收到的信號能量均隨損傷程度的增加而減小。采用壓電主動傳感技術和小波包能量法可以評估榫卯結構的損傷狀態,為結構定量損傷評估提供參考。

2) 采用萬能材料實驗機對燕尾榫加載破壞過程進行損傷識別實驗。研究表明,由于燕尾榫結構半剛性的力學特點,加載過程中榫頭先壓緊密實再破壞,接收到的信號能量出現先增大后減小的趨勢。采用壓電主動傳感技術和小波包能量法可實現對燕尾榫結構服役狀態的健康監測。這為相關專業研究生及工程技術人員進行無損檢測提供了參考。