基于壓電傳感器的木材軸壓損傷監(jiān)測

劉孝禹，饒玉龍，張繼承，肖家浩

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

0 引言

木材是木結(jié)構(gòu)房屋最常見的建筑材料[1-2]。然而木結(jié)構(gòu)的老化會導(dǎo)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(nèi)部損傷，導(dǎo)致極限承載力低于規(guī)范允許值而被破壞。因此，分析在受壓荷載作用下木結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(yīng)速度快，可嵌入性強，壓電效應(yīng)強的優(yōu)點。由于PZT的帶寬較寬，常用于應(yīng)力波的產(chǎn)生和檢測，基于這種壓電傳感技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)方面[3-4]的損傷監(jiān)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(nèi)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(jiān)測，證明了該方法能有效監(jiān)測碳纖維布的剝離。在木結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測方面，Peterson等[7]和Hu等[8]通過統(tǒng)計學(xué)來計算出木梁前后的陣型，推導(dǎo)出在損傷狀態(tài)下的算法和損傷指標。隨后，Choi等[9]通過比較木材模態(tài)的應(yīng)變來預(yù)測木材損傷狀態(tài)。然而這些大部分都需外部振動激勵，缺少對木結(jié)構(gòu)在荷載作用下?lián)p傷的實時監(jiān)測手段，因此，應(yīng)用技術(shù)手段檢測木結(jié)構(gòu)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?lián)p傷監(jiān)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(jiān)測，以一個壓電陶瓷換能器用作致動器以產(chǎn)生沿木材表面?zhèn)鞑サ膽?yīng)力波和其他壓電陶瓷換能器用作檢測傳播應(yīng)力的傳感器，當(dāng)木材在極限承載力時發(fā)生脆性破壞產(chǎn)生裂紋損傷，對傳播的應(yīng)力波產(chǎn)生較大的衰減?；趹?yīng)力波的衰減可使用小波包法來檢測缺陷損壞指數(shù)，證明該方法能實時監(jiān)測木材損壞的能力。

1 試驗方法

1.1 壓電傳感器主動監(jiān)測

主動監(jiān)測技術(shù)是一種在待測結(jié)構(gòu)上安裝壓電傳感器，通過激勵壓電傳感器使其產(chǎn)生應(yīng)力波信號，同時接受通過待測區(qū)域的應(yīng)力波信號，根據(jù)通過結(jié)構(gòu)前后應(yīng)力波信號的幅值大小及小波包能量法轉(zhuǎn)換后的損傷指標來評估結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。在壓力作用過程中，其中一個壓電傳感器作為信號發(fā)射器在木材表面產(chǎn)生應(yīng)力波，另外一個傳感器收集通過木材內(nèi)部后的應(yīng)力波信號。應(yīng)力波信號幅度反映為電信號幅度，結(jié)構(gòu)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(xiàn)對木材短柱內(nèi)的損傷識別。圖1為木材損傷監(jiān)測原理圖。

圖1 木材損傷監(jiān)測原理

本實驗用的壓電傳感器兩極由導(dǎo)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(shù)據(jù)采集的采樣頻率系統(tǒng)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(shù)據(jù)線

圖3 壓電傳感器檢測系統(tǒng)

1.2 損傷診斷方法

通過小波包能量分析法提出損傷指數(shù)的概念，用于評價結(jié)構(gòu)的損傷程度。以結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的監(jiān)測信號能量Eh作為基準能量值，結(jié)構(gòu)在某一時刻下的監(jiān)測能量為Ei，那么可定義結(jié)構(gòu)在該時刻的損傷指數(shù)Di為

(1)

式中xh(n)，xi(n)分別為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)下傳感器采集到的離散信號能量值。

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

1.3 試驗設(shè)計

實驗總共設(shè)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?zāi)静亩讨砻娲蚰ス饣笥镁凭M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(yīng)變片，每個面粘貼2個應(yīng)變片，橫向和縱向互相垂直。壓電傳感器通過數(shù)據(jù)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(yīng)變片和壓電傳感器粘貼前、后都應(yīng)進行嚴格的檢查，確保每個應(yīng)變片和傳感器量程滿足且無損壞。應(yīng)變采集系統(tǒng)如圖4所示。應(yīng)變花和壓電傳感器的貼裝布置示意圖如圖5所示。

圖4 應(yīng)變采集系統(tǒng)

圖5 應(yīng)變花和壓電傳感器貼裝示意圖

所制木材短柱構(gòu)件采用長江大學(xué)結(jié)構(gòu)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(yù)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(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 破壞形式

分析試驗現(xiàn)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(fā)生劈裂破壞。發(fā)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(xiàn)為當(dāng)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(fā)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(fā)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(xiàn)為當(dāng)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(fā)生楔形劈裂破壞。發(fā)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(xiàn)為當(dāng)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(fā)生下沉開裂破壞。發(fā)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(chǎn)生裂紋，具體表現(xiàn)為當(dāng)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(yīng)圖形，取每隔60 kN信號值繪制。試驗結(jié)果表明，杉木在340 kN木材發(fā)生壓縮開裂破壞，松木在380 kN木材發(fā)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(xiàn)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(chǎn)生裂紋，應(yīng)力波耗散較快，應(yīng)力波信號變化幅值與試驗破壞現(xiàn)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(tài)下杉木和松木的時頻信號圖。杉木在240 kN發(fā)生壓縮開裂破壞，松木在260 kN發(fā)生楔形劈裂破壞。當(dāng)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(fā)現(xiàn)，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(shù)可實時監(jiān)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(shù)的關(guān)系

圖11為在荷載下試驗?zāi)静亩讨膿p傷指數(shù)。以木材短柱在當(dāng)前壓力等級下增長的Di較60 kN壓力等級下?lián)p傷指數(shù)比來判斷木材短柱裂縫發(fā)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(fā)生脆性破壞后裂縫快速向下發(fā)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(fā)生軸壓脆性破壞，在240 kN時發(fā)生局壓脆性破壞；杉木短柱在340 kN時發(fā)生軸壓脆性破壞，在240 kN時發(fā)生局壓脆性破壞。部分構(gòu)件的損傷指數(shù)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(shù)

表1 木材短柱損傷發(fā)展

3 結(jié)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(yīng)力波能量越小。

2) 木材短柱在加載前期主要是被壓密實，應(yīng)力波幅值變化不大；加載后期，木材發(fā)生脆性破壞，裂紋快速發(fā)展，應(yīng)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?lián)p傷的變化，使用PZT的主動傳感技術(shù)能夠精確有效地實時監(jiān)測木材短柱在軸壓和局壓下的損傷。