結(jié)構(gòu)損傷全歷程監(jiān)測的多標距測試方法

王花平， 周　智， 王　俊， 高錫鵬

(大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 大連　116023)

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結(jié)構(gòu)損傷全歷程監(jiān)測的多標距測試方法

王花平， 周智， 王俊， 高錫鵬

(大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 大連116023)

[摘要]結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中損傷全歷程信息捕捉一直未得到較好的解決，常常出現(xiàn)為兼顧結(jié)構(gòu)大變形監(jiān)測而導(dǎo)致微小、早期損傷不被識別的現(xiàn)象。為此，從集成角度，利用現(xiàn)有的測試技術(shù)，形成多種標距組裝測試的方法，在合理的成本范圍內(nèi)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體變形和局部損傷高精度的全歷程監(jiān)測。具體內(nèi)容為：利用不同標距長度的感知元件，如應(yīng)變片，通過串聯(lián)或并列方式構(gòu)建損傷全歷程監(jiān)測的多標距測試探頭。在方法及結(jié)構(gòu)損傷的全歷程特征陳述基礎(chǔ)上，采用不同標距應(yīng)變片對標準混凝土立方體試塊的軸向受壓變形進行了測試，實驗結(jié)果說明了該方法能較好地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷全歷程信息的監(jiān)測。

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)損傷； 全歷程監(jiān)測； 多種標距聯(lián)合測試方法； 不同標距長度的應(yīng)變片；實驗論證

0前言

由于自然災(zāi)害和人為失誤的頻繁發(fā)生引發(fā)的傷亡和損失越來越嚴重，工程領(lǐng)域迫切需要發(fā)展結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測手段對其進行變形和損傷的實時跟蹤和分析，以形成預(yù)警機制消減災(zāi)害的影響程度。現(xiàn)有研究顯示：結(jié)構(gòu)局部大變形引起損傷的出現(xiàn)及擴展，由于未被識別而得不到及時養(yǎng)護和維修處理，經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的失效。因此，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要發(fā)展方向之一就是同時對結(jié)構(gòu)整體和局部變形特征進行高精度、長期地實時監(jiān)測。當前，通常采用光纖傳感技術(shù)、壓電薄膜元件、同軸電纜及電阻式應(yīng)變片等手段，對工程結(jié)構(gòu)安全評估最重要參數(shù)的變形進行監(jiān)測。然而，其均存在一些突出的缺陷：應(yīng)變片抵抗惡劣服役環(huán)境能力差、限于結(jié)構(gòu)表面測試；壓電薄膜傳感器受電場干擾、不能靜態(tài)測試；光纖光柵傳感器則存在測試范圍窄、量程小等不足。因此，如何利用現(xiàn)有的測試技術(shù)，在合理的成本范圍內(nèi)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體變形和局部損傷高精度的全歷程監(jiān)測，則成為結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測領(lǐng)域的熱點問題。

公開文獻中，學(xué)者們通過串聯(lián)彈簧、減敏等方式擴大光纖光柵的測試量程，通過構(gòu)造智能元件如光纖光柵智能錨桿、光纖光柵智能拉索等方式提高其環(huán)境適應(yīng)能力，通過將光纖光柵和光纖共線傳感方式實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)全尺度大規(guī)模分布式的較高精度和局部高精度的測試，通過串聯(lián)長標距光纖光柵實現(xiàn)分布式測量被離散為等參單元結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模態(tài)，通過在同軸電纜表面制作等間距阻抗不連續(xù)點提高其測試精度，通過在同軸電纜外導(dǎo)體層上刻系列薄弱螺紋分布式實現(xiàn)大裂縫測試。這些研究成果，改善了感知元件的測試量程、抗惡劣服役環(huán)境性能，一定程度上實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)局部和整體變形的高精度測試，然而當結(jié)構(gòu)損傷先后呈微觀和宏觀形態(tài)、由單一發(fā)展到部分時，同一測試尺度的感知元件則無法對損傷的程度和位置進行較準確的定位，單個感知元件的退出工作引起的分布式測試失準使得結(jié)構(gòu)整體和局部的全歷程信息不被較客觀地獲取。即關(guān)于結(jié)構(gòu)整體變形和局部損傷的有效、高精度、全歷程信息的監(jiān)測，一直未得以較完美地解決。

鑒于此，在前述研究基礎(chǔ)上，本文提出了一種工程結(jié)構(gòu)全歷程監(jiān)測的多種標距聯(lián)合測試方法，其核心是利用不同標距長度的、相同或不相同的感知元件(如光纖光柵、光纖或同軸電纜等)串聯(lián)、并列和混合應(yīng)用，形成一種兼顧結(jié)構(gòu)整體變形高精度、局部損傷精確定位定量的全歷程監(jiān)測傳感探頭，使得結(jié)構(gòu)各變形階段時探頭內(nèi)部各種標距的感知元件可以協(xié)同高效運作，其具備高精度測試(內(nèi)部校對功能)、全歷程監(jiān)測的優(yōu)良特征，可預(yù)見的低廉成本、便利制作和廣泛的適應(yīng)性。

1多種標距聯(lián)合測試方法概述

多種標距聯(lián)合測試方法，其核心是多種不同標距長度的感知元件通過串聯(lián)和并列方式組成傳感探頭，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。圖1(a)由四種可以為不同類型的器件如光纖光柵、光纖、同軸電纜等感知元件組成1并列式多種標距聯(lián)合傳感探頭，圖1(b)可以由光纖光柵、同軸電纜、光纖等感知元件自行串聯(lián)組合成2串聯(lián)式多種標距聯(lián)合傳感探頭。其中，多種標距聯(lián)合傳感探頭內(nèi)部感知元件的數(shù)量可以為兩個或多個(不只限于4個)，具體情況依被測結(jié)構(gòu)的幾何形狀、受力特征、測試要求等確定。

圖1　多種標距組合探頭示意圖Figure 1　Skeleton of various gauge-length sensors assembly

工程結(jié)構(gòu)的多種標距聯(lián)合傳感測試系統(tǒng)，包含局部高精度和全歷程信息連續(xù)監(jiān)測感知元件的選擇與組合技術(shù)，其實施方式如下：

分析結(jié)構(gòu)的固有特征，結(jié)合被測區(qū)域尺寸及可行的布設(shè)工藝條件，確定多種標距聯(lián)合傳感探頭內(nèi)部感知元件的類型、數(shù)量、標距長度和組合方式，并制作1并列式多種標距聯(lián)合傳感探頭、或2并排列式多種標距聯(lián)合傳感探頭；然后，將系列合適的多種標距聯(lián)合傳感探頭布設(shè)在結(jié)構(gòu)預(yù)先確定的位置，并將引出線與相對應(yīng)的數(shù)據(jù)解調(diào)設(shè)備相連接，以提取在荷載作用下結(jié)構(gòu)整體和局部全歷程的變形特征。

上述方法中，感知元件的標距尺寸由結(jié)構(gòu)的受力性質(zhì)確定；感知元件可以是光纖光柵、光纖或同軸電纜；多種標距聯(lián)合測試探頭則依結(jié)構(gòu)的布設(shè)工藝由不同標距長度的感知元件串聯(lián)、并列、或混合應(yīng)用組成。測試時，由短標距感知元件精確定位局部區(qū)域內(nèi)的變形，以較長或長標距感知元件的測數(shù)做校對分析；當短標距感知元件退出工作時，以較大標距感知元件的測數(shù)為基本衡量依據(jù)，并與長標距感知元件的測數(shù)做校對分析，以確定結(jié)構(gòu)該區(qū)域內(nèi)的真實力學(xué)狀態(tài)。其中，數(shù)據(jù)通過解調(diào)設(shè)備讀取，如頻譜分析儀、光纖光柵解調(diào)儀、BOTDA等。

2結(jié)構(gòu)損傷全歷程特征

工程中各類結(jié)構(gòu)在經(jīng)過一定服役期后，均會出現(xiàn)損傷。損傷可能源于施工不標準預(yù)留的微缺陷或受荷載和環(huán)境作用而誘發(fā)。不論損傷原因為突發(fā)或累積[9]，其全歷程特征均具備共性特征。工程結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷就是與正常結(jié)構(gòu)比較時，在某些方面產(chǎn)生了異?，F(xiàn)象，通過結(jié)構(gòu)特征的各項參數(shù)變化體現(xiàn)，如動態(tài)和靜態(tài)特征參量、表面形態(tài)或形狀大小等。結(jié)構(gòu)損傷的全歷程演化，從某種程度，可概括為一個相互比較的過程。損傷發(fā)生前，即結(jié)構(gòu)完好時，表征其力學(xué)狀態(tài)的各項變量通常與解析解或數(shù)值模擬值較接近，即結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布特征與設(shè)計一致。損傷發(fā)生初期，其對結(jié)構(gòu)整體參數(shù)的影響較小，只在局部范圍內(nèi)對附近部件的受力有較大擾動。當初期損傷不被識別時，有損結(jié)構(gòu)的持續(xù)運行，會帶來損傷或快或緩的擴展。損傷擴展階段，結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的損毀對結(jié)構(gòu)整體性能影響較顯著，通常表現(xiàn)形式為表征結(jié)構(gòu)整體性能參數(shù)的衰減、表征局部構(gòu)件性能參數(shù)的較大突變。用先進、可行、有效的測試手段對結(jié)構(gòu)進行全尺度的檢測與評估，以確定結(jié)構(gòu)是否有損傷存在，判斷損傷的位置和程度及結(jié)構(gòu)當前的狀況、使用功能和結(jié)構(gòu)損傷的變化趨勢等，即結(jié)構(gòu)損傷識別[10]。

3實驗論證

采用不同標距的應(yīng)變片對多種標距組合測試方法的應(yīng)用進行論證。以標準混凝土立方體為測試對象，考慮混凝土最大粒徑40 mm，以最小標距4 cm的多種應(yīng)變片為感知元件，進行全歷程監(jiān)測。

3.1試驗?zāi)Ｐ?/p>

通過在試塊的不同位置布置不同長度的應(yīng)變片，以模擬圖1(a)所示的傳感探頭，組成探頭的各傳感器件之間為并聯(lián)關(guān)系。立方體試塊不同側(cè)面布置不同標距的應(yīng)變片如圖2，圖3所示。應(yīng)變片標距長度分別為4、6、8、10 cm，對應(yīng)圖中編號分別有：41、42、43、44、62、81、82、83、84、85、86、101、102。

圖2　混凝土各側(cè)面不同標距的應(yīng)變片布置圖Figure 2　Layout of different gauge-length strain gauges 　on concrete

圖3　混凝土各側(cè)面不同標距應(yīng)變片實物圖

Figure 3Physical model different gauge-length strain gauges fixed on concrete

應(yīng)變片布置完成后，在混凝土頂面涂抹潤滑油，墊上鋼板使其受力更均勻，然后給該立方體試塊施加壓力，直至混凝土出現(xiàn)貫穿裂縫而破壞。其中加載速率大小為1 kN/s。

3.2試驗結(jié)果

隨著加載的進行，試塊依次經(jīng)歷小變形、變形極限狀態(tài)、微觀尺度損傷出現(xiàn)及擴展的宏觀損傷等四個過程。布設(shè)在各側(cè)面的應(yīng)變片可較完整地采集到損傷發(fā)生前、損傷發(fā)生及擴展的變化歷程。各應(yīng)變片的讀數(shù)見圖4。其中前后面出現(xiàn)裂紋(見圖5)，導(dǎo)致大部分應(yīng)變片如41、42、83、84、101等較早退出工作，故其后半程的變形數(shù)據(jù)依賴其它工作應(yīng)變片。貫穿裂縫的形態(tài)見圖5。提取的前后側(cè)面應(yīng)變片測數(shù)如圖6。兩側(cè)面豎向應(yīng)變片測數(shù)見圖6～圖8。

圖4　混凝土受壓至破壞過程的各應(yīng)變片測數(shù)Figure 4　Tested strain of concrete failure under compressive

圖5混凝土前后面出現(xiàn)貫穿裂紋圖，左側(cè)表面應(yīng)變片編號418182101；右邊表面應(yīng)變片編號42628384102

Figure 5Penetrating crack in frontack side of concrete，(a)no.418182101in front side；(b)no.42628384102 in back side

圖6　混凝土前表面標距4cm8cm10cm應(yīng)變片的讀數(shù)Figure 6　Data of strain gauges(4cm8cm10cm)in front side

圖7　混凝土后表面標距4cm6cm8cm10cm應(yīng)變片　的讀數(shù)Figure 7　Date of strain gauges(4cm6cm8cm10cm)　in back side

圖8　混凝土兩側(cè)面標距4cm8cm應(yīng)變片的讀數(shù)Figure 8　Data sensed by strain gauge(4cm8cm)in two sides

由此可知：多種標距組合測試的方法能先后以不同敏感度捕捉不同時間出現(xiàn)、不同部位發(fā)生的裂縫。 混凝土兩側(cè)面上的應(yīng)變片，全程受壓，測數(shù)均為負，對夾雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)變片的標距長度對測試影響較大，因此，合理組合不同標距傳感器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷全歷程信息監(jiān)測尤其重要。

4結(jié)論

將不同標距長度的感知元件布設(shè)于試塊的各被測面內(nèi)，以小變形階段的理論推理為準則，消除測試誤差的基礎(chǔ)上，獲取單向壓縮時脆性材料全歷程的變形信息，結(jié)果表明：

① 在結(jié)構(gòu)小變形階段，短標距感知元件實現(xiàn)局部高精度測試、長標距感知元件則反映大尺度上的變形狀態(tài)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分尺度地高精度監(jiān)測；

② 在結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)及擴展階段，短標距感知元件經(jīng)歷極限量程可能退出工作，長標距感知元件則在經(jīng)歷損傷擴展后仍繼續(xù)工作，到結(jié)構(gòu)破壞，從而得結(jié)構(gòu)小變形、損傷及破壞全歷程的信息。

③ 多種標距聯(lián)合測試方法能極大地提高傳感器在工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測和檢測應(yīng)用中的測試精度和廣度，避免測試范圍受限、變形超出測試量程、個別感知元件損毀引起分布式測試失效等問題。

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Multiple Gauge-length Assembly Based Measuring Method on Whole-history Information of Structural Damage

WANG Huaping， ZHOU Zhi， Wang Jun， GAO Xipeng

(School of Civil Engineering， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning 116024， China)

[Abstract]Capturing the whole-history information of damage in structure field has always been a problem urgent to be solved.The common phenomenon is that high attention of large deformation monitoring often leads to the poor recognition of micro or early-stage damage.For this reason，inspired by the conception of integration，a measuring method based on various gauge-length sensors assembly is developed to realize the whole-history monitoring of integral deformation and local damage.The core content is that different gauge-length sensing elements，such as strain gauge，installed in series or paralleling，are introduced to establish the test probe on whole-history damage detection.Given the analysis above，different gauge-length strain gauges are adopted to monitor the deformation of standard-cube concrete under axial compression.Experiments indicates that the proposed method in this article could well obtain the whole-history information of damage.

[Key words]structural damage； whole-history monitoring； multiple gauge-length assembly based measuring method； strain gauges with various gauge lengths； experimental investigation

[中圖分類號]U 414.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0051-04

[作者簡介]王花平(1985-)，女，湖北武漢人，博士研究生，主要從事道路工程、巖土工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及其力學(xué)分析。

[基金項目]國家973基礎(chǔ)研究項目(2011CB013705)；國家863計劃(2014AA110401)

[收稿日期]2014-09-23