基于壓電阻抗測(cè)量的不規(guī)則鋼骨混凝土柱界面剝離缺陷檢測(cè)

許　斌，李　俊，李彥賀，舒志方

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410082; 2.工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南大學(xué))， 長(zhǎng)沙 410082；3.中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司， 北京 100102；4.長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 長(zhǎng)沙 410007)

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基于壓電阻抗測(cè)量的不規(guī)則鋼骨混凝土柱界面剝離缺陷檢測(cè)

許斌1,2，李俊1，李彥賀3，舒志方4

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410082; 2.工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南大學(xué))， 長(zhǎng)沙 410082；3.中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司， 北京 100102；4.長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 長(zhǎng)沙 410007)

目前大型不規(guī)則多腔鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)在超高層建筑上的應(yīng)用日益廣泛，混凝土與鋼骨壁間的界面結(jié)合狀況影響二者的共同工作性能。針對(duì)不規(guī)則多腔鋼骨混凝土柱構(gòu)件，模擬了混凝土與鋼骨內(nèi)壁之間的界面剝離缺陷，在鋼骨內(nèi)壁表面粘貼壓電陶瓷片，采用阻抗儀測(cè)量了壓電材料與結(jié)構(gòu)構(gòu)成的機(jī)電耦合系統(tǒng)的阻抗值?；诖嬖诮缑鎰冸x及健康狀態(tài)處的壓電陶瓷片的阻抗測(cè)量結(jié)果，將二者的方均根偏差(ERMSD)作為損傷指標(biāo)。結(jié)果表明，存在界面剝離以及健康狀態(tài)處測(cè)量所得的壓電阻抗曲線有明顯變化，基于壓電阻抗測(cè)量的損傷指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)不規(guī)則多腔鋼骨混凝土柱內(nèi)部隱蔽的界面剝離缺陷的有效檢測(cè)。

健康監(jiān)測(cè)；鋼骨混凝土柱；壓電阻抗；剝離損傷;方均根偏差

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于超高層建筑結(jié)構(gòu)中,并作為重要的豎向受力構(gòu)件，這種結(jié)構(gòu)形式可以更好地發(fā)揮鋼骨與混凝土的組合性能。在大型的不規(guī)則多腔鋼骨混凝土柱的施工過(guò)程中，由于明顯的水化熱導(dǎo)致不均勻的溫度場(chǎng)，以及混凝土收縮徐變的影響，可能出現(xiàn)鋼骨壁與混凝土界面剝離缺陷[1]。鋼骨壁與混凝土界面的剝離缺陷對(duì)鋼骨混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能帶來(lái)負(fù)面影響，因此研究混凝土與鋼骨壁之間的界面的質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)具有重要意義。對(duì)于大型不規(guī)則多腔鋼骨混凝土構(gòu)件，傳統(tǒng)的超聲波法難以適用。而且,其界面結(jié)合處存在隱蔽性缺陷，用傳統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè)十分困難。

近年來(lái)，壓電陶瓷在土木工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)中得到較多應(yīng)用。利用壓電陶瓷對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)的方法主要有應(yīng)力波法和壓電阻抗法[2-3]。對(duì)鋼管混凝土柱的界面結(jié)合性能進(jìn)行檢測(cè)方面，許斌等首次提出基于壓電陶瓷應(yīng)力波測(cè)量小波包能量譜的識(shí)別方法，為實(shí)際工程提供了一種新思路[4-5]。蔡萍等利用外貼于鋼管外壁的壓電陶瓷片作為傳感器，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)出的壓電陶瓷在不同頻段上的波動(dòng)信號(hào)的頻響函數(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土構(gòu)件界面剝離損傷監(jiān)測(cè)[6]。許斌等提出一種基于嵌入式壓電功能元應(yīng)力波測(cè)量與分析的新方法，有效地識(shí)別了鋼管混凝土核心混凝土的損傷[7]。許斌等針對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件鋼管壁界面以及橫隔板界面剝離缺陷，首次將壓電阻抗法應(yīng)用于大型多腔不規(guī)則鋼管混凝土柱的界面剝離檢測(cè)中[8-9]。目前，利用壓電阻抗技術(shù)檢測(cè)鋼骨混凝土柱界面剝離損傷，特別是對(duì)于大型不規(guī)則多腔鋼骨混凝土柱的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

筆者針對(duì)大型不規(guī)則多腔鋼骨混凝土構(gòu)件的鋼骨壁與混凝土界面間結(jié)合狀況的檢測(cè)問(wèn)題，提出了基于鋼骨表面粘貼壓電陶瓷片的阻抗測(cè)量的界面剝離缺陷檢測(cè)方法,并通過(guò)比例模型試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。該研究為目前我國(guó)大規(guī)模超高層建筑中大截面復(fù)雜鋼骨混凝土柱的界面剝離缺陷的檢測(cè)問(wèn)題提供了新手段，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1　機(jī)電耦合測(cè)量阻抗的基本原理

壓電材料具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，可以同時(shí)作為驅(qū)動(dòng)器和傳感器。機(jī)電耦合阻抗測(cè)量技術(shù)(EMI)利用壓電材料和被監(jiān)測(cè)對(duì)象之間的機(jī)電耦合特性，對(duì)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷狀況進(jìn)行評(píng)估。這種方法一般被簡(jiǎn)稱為“壓電阻抗法”。通常采用鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷片進(jìn)行阻抗測(cè)量。在EMI技術(shù)中，PZT壓電陶瓷的電阻抗和被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗相耦合。通過(guò)測(cè)量PZT壓電陶瓷的電阻抗來(lái)反映結(jié)構(gòu)中由于損傷導(dǎo)致的剛度或阻尼等結(jié)構(gòu)特性的改變，進(jìn)而識(shí)別損傷。通過(guò)一維理想機(jī)電耦合模型,可說(shuō)明壓電阻抗法進(jìn)行損傷檢測(cè)的物理機(jī)理[10]。

2　不規(guī)則多腔鋼骨混凝土柱比例模型試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)柱

試驗(yàn)對(duì)象為一個(gè)大型多腔不規(guī)則鋼骨混凝土柱試件。鋼骨混凝土柱的鋼骨由多塊鋼板焊接成一個(gè)整體，并且在其中預(yù)定的位置設(shè)置了水平橫隔板，通長(zhǎng)設(shè)置了縱向加勁肋?；炷帘讳摴欠譃槎鄠€(gè)腔，試驗(yàn)柱構(gòu)件截面尺寸如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)柱構(gòu)件及截面尺寸示意

2.2鋼骨壁人工模擬界面剝離缺陷的設(shè)置

為了模擬界面剝離缺陷，通過(guò)使用與試驗(yàn)柱同種混凝土預(yù)制帶凹槽混凝土塊。養(yǎng)護(hù)后，貼在試驗(yàn)柱鋼骨的預(yù)定位置，用凹槽模擬剝離缺陷。鋼骨混凝土試件設(shè)置兩種缺陷，缺陷尺寸分別為 100 mm×100 mm×3 mm和100 mm×100 mm×1 mm，模擬界面人工剝離缺陷布置如圖2所示。

2.3壓電陶瓷傳感器布置

將尺寸為15 mm×10 mm×0.3 mm的翻邊極(正負(fù)極在同一面)壓電陶瓷片粘貼在鋼骨表面。采用兩芯屏蔽線與壓電陶瓷片的兩極焊接。焊接后PZT片經(jīng)過(guò)防水和絕緣處理后,利用AB膠直接粘貼在鋼骨混凝土構(gòu)件的鋼骨壁上的指定位置。壓電陶瓷片以及焊接后的壓電陶瓷片傳感器如圖3所示。

采用壓電陶瓷片進(jìn)行識(shí)別，HP4192A精密阻抗分析儀進(jìn)行阻抗測(cè)量，對(duì)比缺陷厚度對(duì)識(shí)別效果的影響以及傳感器與缺陷距離對(duì)識(shí)別效果的影響。圖2中A1～A12表示粘貼于鋼骨表面的壓電陶瓷片。

圖2　模擬界面人工剝離缺陷以及PZT壓電陶瓷片(A1～A12)布置示意

圖3　焊接前后壓電陶瓷片示意

3　壓電阻抗測(cè)試方案

RAJU等[11]發(fā)現(xiàn)機(jī)電耦合阻抗法中采用不同頻率的信號(hào)對(duì)損傷的識(shí)別效果有很大的區(qū)別。研究關(guān)注的界面剝離缺陷屬于鋼骨混凝土構(gòu)件內(nèi)部界面的缺陷，首先應(yīng)該找出剝離損傷對(duì)于構(gòu)件中壓電陶瓷片的機(jī)電耦合阻抗值比較敏感的頻率段。由于敏感頻段目前無(wú)法通過(guò)計(jì)算得到，因此只能采用具有寬頻段掃描能力的儀器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全頻段測(cè)試。利用阻抗分析儀，對(duì)位于鋼骨壁上的壓電陶瓷片的機(jī)電耦合阻抗進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)比較多個(gè)測(cè)點(diǎn)阻抗曲線圖，選取對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷敏感的頻段。研究所選取的兩個(gè)測(cè)試頻率范圍如下：低頻段選為100 kHz～500 kHz，測(cè)量頻率步長(zhǎng)取1 kHz；高頻段選為8 000 kHz～12 000 kHz，測(cè)量頻率步長(zhǎng)取10 kHz。

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)采用測(cè)得的阻抗模值進(jìn)行比較分析。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測(cè)量結(jié)果具有相似性，故僅選取缺陷厚度為3 mm處對(duì)應(yīng)的阻抗結(jié)果進(jìn)行分析。測(cè)量得到的阻抗曲線如圖4所示。從圖4可以看出:位于無(wú)界面剝離缺陷位置的壓電陶瓷片(A2、A3、A4)測(cè)量得到的阻抗結(jié)構(gòu)均相互吻合，阻抗曲線幾乎完全重合;且健康位置處測(cè)點(diǎn)的阻抗曲線比較光滑。

圖4　不同頻率范圍下PZT壓電陶瓷片測(cè)試結(jié)果(缺陷厚度3 mm)

在剝離缺陷區(qū)域測(cè)點(diǎn)的阻抗曲線與無(wú)剝離缺陷健康位置處測(cè)點(diǎn)的阻抗曲線相比，100 kHz～500 kHz頻率范圍內(nèi)，曲線出現(xiàn)明顯差異，缺陷位置測(cè)點(diǎn)的曲線呈現(xiàn)新的波峰波谷?？梢?jiàn)剝離缺陷的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致更多頻率成分的出現(xiàn)。在8 000 kHz～12 000 kHz頻段范圍內(nèi)，曲線出現(xiàn)波峰峰值下降和峰值對(duì)應(yīng)頻率偏移的現(xiàn)象。通過(guò)阻抗測(cè)量曲線圖,可直接判斷出現(xiàn)界面剝離缺陷的測(cè)點(diǎn)位置。由此可說(shuō)明，通過(guò)壓電阻抗測(cè)量識(shí)別復(fù)雜大型多腔鋼骨混凝土柱鋼骨壁界面剝離缺陷的可行性。

5　損傷指標(biāo)

采用方均根偏差(ERMSD) 反映結(jié)構(gòu)有缺陷區(qū)域測(cè)點(diǎn)與無(wú)缺陷區(qū)域測(cè)點(diǎn)阻抗值的變化。ERMSD可以比較客觀地反映每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量得到的兩種狀態(tài)的阻抗曲線之間的差別，且ERMSD能夠很好地反映出該點(diǎn)在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷后的損傷程度。

方均根偏差定義式如下：

(1)

從式(1)可以看出，若損傷位置與健康位置的阻抗值差別越大，則損傷指標(biāo)越大。當(dāng)某測(cè)試點(diǎn)的ERMSD結(jié)果小于5%時(shí)，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)中小概率事件原理，可以認(rèn)為該測(cè)試點(diǎn)沒(méi)有損傷。將相同邊界條件的每一個(gè)測(cè)量截面中無(wú)損傷健康位置處3個(gè)測(cè)點(diǎn)結(jié)果的平均值作為該截面的最終健康狀態(tài)的值。

不同頻段鋼骨內(nèi)壁剝離缺陷ERMSD值計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖可知，缺陷區(qū)域位置處的測(cè)點(diǎn)低頻段的ERMSD值都在10%以上；無(wú)缺陷區(qū)域位置處測(cè)點(diǎn)的ERMSD值均小于5%，可以認(rèn)為該測(cè)試點(diǎn)的位置沒(méi)有發(fā)生損傷。

圖5　不同頻段的鋼骨內(nèi)壁剝離缺陷ERMSD計(jì)算值

高頻段的ERMSD值相對(duì)低頻段要高很多，說(shuō)明高頻阻抗信號(hào)對(duì)缺陷更加敏感。無(wú)缺陷區(qū)域位置處測(cè)點(diǎn)的ERMSD值均小于5%。結(jié)果表明：厚度為1 mm的缺陷處和厚度為3 mm缺陷處對(duì)應(yīng)傳感器的ERMSD值接近，說(shuō)明基于阻抗測(cè)量的界面缺陷損傷識(shí)別方法對(duì)界面剝離缺陷敏感，一旦出現(xiàn)較小的界面剝離損傷，即能從阻抗測(cè)量結(jié)果中得到體現(xiàn)。

6　結(jié)論

(1) 界面剝離缺陷導(dǎo)致壓電阻抗測(cè)量值的明顯變化，通過(guò)分析比較阻抗曲線圖，可以識(shí)別測(cè)點(diǎn)位置是否有缺陷存在。

(2)ERMSD值作為損傷指標(biāo)能夠很好地反映出該點(diǎn)的缺陷情況。在試驗(yàn)研究中，有缺陷位置測(cè)點(diǎn)的ERMSD值均在10%以上，無(wú)缺陷位置測(cè)點(diǎn)的ERMSD值均在5%以下，ERMSD結(jié)果可以有效識(shí)別剝離損傷位置。

(3) 厚度為1 mm的缺陷處和厚度為3 mm的缺陷處對(duì)應(yīng)傳感器ERMSD值接近，說(shuō)明該方法對(duì)較小的界面剝離缺陷敏感。

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Detection of Debonding Defect of Irregular SRC Column Interface Based on PZT Impedance Measurement

XU Bin1,2, LI Jun1, LI Yan-he3, SHU Zhi-fang4

(1.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2.Hunan Provincial Key Lab of Damage Diagnosis for Engineering Structures, Hunan University, Changsha 410082, China;3.China Construction First Group Construction & Development Co., Ltd., Beijing 100102, China;4.Changsha Planning & Design Institute Co., Ltd., Changsha 410007, China)

Large irregular multi-chambers steel reinforced concrete (SRC) structures have been widely employed in super high-rise buildings, and the bonding condition between concrete and steel plate is critical. In this paper, the interfacial debonding defect between concrete and steel plate in a complex multi-chamber SRC column is mimicked artificially. With PZT patches surface-bonded on steel plate, the impedance of electromechanical coupled system composed by piezoelectric material and structure is measured. The measurement results of PZT patches in both debonding areas and healthy areas of the interface are compared, and the root mean square deviation (ERMSD) is defined as a damage index to describe the bonding condition of the interface. Results show the figures of PZT impedance in interface debonding areas are quite different from those in healthy areas and PZT impedance measurement based damage index can effectively detect the inaccessible interface debonding defects.

Health monitoring; SRC column; PZT impedance; Debonding defect; RMSD

2016-01-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278185)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20120161110023)

許斌(1972-)，男，教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)工程和防災(zāi)減災(zāi)方面研究工作。

許斌, E-mail: binxu@hnu.edu.cn。

10.11973/wsjc201609008

TN384；TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0029-04