基于壓電阻抗的隧道管片結(jié)構(gòu)螺栓松動損傷識別試驗

艾德米， 羅 輝， 朱宏平， 王 超,2

( 1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

基于壓電阻抗的隧道管片結(jié)構(gòu)螺栓松動損傷識別試驗

艾德米1， 羅 輝1， 朱宏平1， 王 超1,2

( 1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；
2.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

基于壓電阻抗(EMI)的損傷檢測技術(shù)應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測目前仍十分少見。本文通過試驗研究了EMI技術(shù)在大型隧道管片結(jié)構(gòu)螺栓松動損傷檢測中的有效性，探求了傳感器的有效監(jiān)測范圍。首先粘貼不同位置的壓電傳感器實測壓電導(dǎo)納頻譜曲線，分析不同位置壓電傳感器量測的結(jié)構(gòu)諧振峰值特征。通過設(shè)置連接管片的螺栓松動損傷，以傳感器的導(dǎo)納頻譜變化規(guī)律定性識別該損傷，并通過計算損傷指標RMSD量化損傷，采用其變化率衡量傳感器敏感度。研究表明壓電傳感器能有效捕捉螺栓松動損傷的發(fā)展，EMI技術(shù)用于大型結(jié)構(gòu)損傷檢測是可行的；貼于螺栓上比貼于混凝土管片對損傷檢測更為有效，隨著損傷程度的增大，近距離傳感器的損傷指標較遠距離傳感器變化更為明顯，傳感器敏感度與其同損傷的距離成反比例線性關(guān)系。

隧道管片； 壓電阻抗(EMI)； 螺栓松動； 損傷識別

基于智能材料(如PZT，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷；MFC，壓電纖維復(fù)合材料；形狀記憶合金等)的高頻診斷技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。其中基于PZT的壓電阻抗(EMI)損傷檢測技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的研究應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注[1，2]。EMI技術(shù)與傳統(tǒng)健康監(jiān)測技術(shù)不同，主要基于局部高頻激勵(可達MHz)，利用PZT同時作為傳感器和驅(qū)動器，對結(jié)構(gòu)局部激勵獲取結(jié)構(gòu)性能變化的信息，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)微小損傷的監(jiān)測。其基本原理是：將PZT用高強粘結(jié)劑粘貼于結(jié)構(gòu)表面或植入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，利用PZT正逆壓電效應(yīng)，通過壓電阻抗儀施加電壓對結(jié)構(gòu)局部激振，獲得與結(jié)構(gòu)性能相關(guān)的監(jiān)測信號，此信號作為結(jié)構(gòu)健康衡量的基準，將來通過觀察信號的改變即可識別結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。由于其高頻特性，具有對結(jié)構(gòu)微小損傷敏感，不影響結(jié)構(gòu)振動特性且能避開環(huán)境噪聲影響的優(yōu)點，經(jīng)過20余年的研究，在結(jié)構(gòu)損傷識別實際工程應(yīng)用中已展現(xiàn)出巨大潛力。

從20世紀90年代初Liang[3，4]等人首次將智能PZT材料與結(jié)構(gòu)結(jié)合并推導(dǎo)出PZT-結(jié)構(gòu)壓電阻抗耦合一維模型以來，EMI技術(shù)在理論和工程應(yīng)用上都有較大發(fā)展。Zhou[5]等在該一維模型的基礎(chǔ)上提出了PZT與基體結(jié)構(gòu)相互作用的機電耦合二維模型，并將該阻抗模型應(yīng)用到壓電驅(qū)動的薄板和薄殼結(jié)構(gòu)進行動力分析。Annamdas[6，7]用有限元理論推導(dǎo)了PZT在長度、寬度和厚度方向同時振動的三維通用PZT-結(jié)構(gòu)耦合模型。但是由于二維、三維模型的推導(dǎo)相對復(fù)雜，且難以應(yīng)用到實際工程結(jié)構(gòu)，目前一維模型應(yīng)用仍然最為廣泛。該一維模型簡化PZT片為一維桿件，其一端固定一端與結(jié)構(gòu)相連，結(jié)構(gòu)則簡化為單自由度的質(zhì)量-剛度-阻尼系統(tǒng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，結(jié)構(gòu)阻尼增大而結(jié)構(gòu)剛度降低，由此引起單自由度系統(tǒng)的動剛度變化。該變化則反映在PZT監(jiān)測信號中，從而通過判斷監(jiān)測信號的變化就可識別結(jié)構(gòu)損傷。Ayres等將EMI方法引入土木結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，將PZT傳感器應(yīng)用在一個鋼桁架橋節(jié)點的損傷識別，證實了該方法用于土木結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測的可行性[8]。Soh等將EMI方法應(yīng)用到一個兩跨鋼筋混凝土梁和兩層框架模型上，發(fā)現(xiàn)EMI方法可以檢測到混凝土結(jié)構(gòu)的微裂縫損傷[9]。Yang[10]用PZT和FBG結(jié)合測試石塊在循環(huán)荷載作用下的破壞形式，試驗表明PZT具有對初期微小損傷敏感的特性，能夠用于監(jiān)測洞穴、隧道等石塊砌筑結(jié)構(gòu)的損傷。Tawie[11]等用EMI技術(shù)監(jiān)測混凝土強度發(fā)展，表明PZT能有效捕捉到混凝土硬化齡期內(nèi)的強度變化，拓展了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。Ai[12]等也將EMI技術(shù)用于鋼結(jié)構(gòu)銹蝕發(fā)展監(jiān)測，提取了有效的監(jiān)測指標。Talakokula[13]等用EMI技術(shù)監(jiān)測鋼筋銹蝕發(fā)展，提取了銹蝕衡量等效指標。以上研究表明將EMI技術(shù)用于混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是可行的。然而目前的研究主要基于小型試驗構(gòu)件，用于大型結(jié)構(gòu)的損傷檢測仍不多見，特別是隧道管片結(jié)構(gòu)的損傷識別更為少見。本文針對大體積隧道管片結(jié)構(gòu)螺栓松動損傷識別問題展開研究，利用試驗研究EMI技術(shù)識別管片結(jié)構(gòu)損傷的有效性，探求PZT傳感器的有效監(jiān)測范圍。

1 隧道管片結(jié)構(gòu)的壓電阻抗試驗方案

試驗采用兩環(huán)拼接足尺隧道管片結(jié)構(gòu)作為試驗試件，管片外徑4000 mm，壁厚500 mm，內(nèi)徑3500 mm，寬2432 mm。管片縱橫向均采用螺栓連接，螺栓松動對結(jié)構(gòu)安全與運營尤為重要，因此本試驗設(shè)置結(jié)構(gòu)損傷為螺栓松動。為方便測試，松動的螺栓為管片橫向接頭螺栓，縱向螺栓松動檢測亦可。采用環(huán)氧樹脂膠分別將8個傳感器粘貼于隧道管片距離螺栓松動不同距離處，以研究傳感器的有效監(jiān)測范圍。采用的傳感器尺寸為10 mm×10 mm×0.5 mm，其主要性能參數(shù)如表1所示。傳感器布置如圖1所示，其中PZT1，3，7貼在混凝土螺栓孔邊緣位置，PZT5，6粘貼于兩管片拼接的邊緣，PZT4，8貼于管片中間位置，PZT2不同于其他傳感器貼于混凝土管片而是單獨貼于鋼制螺帽上，螺帽距離松動的螺母直線距離約600 mm。PZT1～8與螺栓1松動螺母的距離分別為：600，600，0，300，300，350，600，650 mm；距離螺栓2分別為：850，850，600，300，350，350，0，650 mm。利用安捷倫4294A壓電阻抗儀測試不同損傷工況下的管片結(jié)構(gòu)導(dǎo)納信號。試驗先測試無損管片的壓電導(dǎo)納，然后在管片上松動螺栓1，再次測試管片壓電導(dǎo)納；在此基礎(chǔ)上松動螺栓2并測試其壓電導(dǎo)納。為保證該技術(shù)的損傷敏感特性，主要選取180～250 kHz頻段范圍進行損傷評估。

表1 壓電片主要材料特性

圖1 PZT傳感器在管片結(jié)構(gòu)上的布置

2 隧道管片結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果分析

壓電導(dǎo)納信號作為EMI方法結(jié)構(gòu)損傷診斷的依據(jù)，是PZT傳感器與結(jié)構(gòu)耦合作用的結(jié)果，其曲線特征(如諧振頻率，幅值等)能反映出結(jié)構(gòu)特性。無損狀態(tài)下8個傳感器的導(dǎo)納頻譜曲線如圖2所示。由圖2可以看出，粘貼于不同位置的傳感器所測得的導(dǎo)納諧振峰值Y(Re)和頻率f都不同。黑色系三條曲線(PZT1,3,7)其諧振峰值最高，諧振頻率最低；藍色系兩條曲線(PZT4,8)諧振峰值最低而諧振頻率最高；紅色系兩條曲線(PZT5,6)處于二者之間。最為特別的是PZT2，其曲線諧振頻率最高。這說明對于大體積結(jié)構(gòu)而言，由于PZT傳感器的局部激振特性，越靠近結(jié)構(gòu)邊緣的傳感器，其獲取的結(jié)構(gòu)諧振峰值越高而諧振頻率越低，越接近結(jié)構(gòu)內(nèi)部，傳感器諧振性能受到抑制也更大，表現(xiàn)為其諧振峰值越小。

圖2 無損狀態(tài)下8個PZT傳感器的電導(dǎo)納實部頻譜曲線對比

不同損傷工況下的測試對比結(jié)果如圖3a～h所示。由圖3可以看出：(1)盡管結(jié)構(gòu)體積較大，質(zhì)量較高，PZT傳感器能很好捕捉到結(jié)構(gòu)損傷變化，表現(xiàn)為電導(dǎo)納實部頻譜曲線在諧振峰值處相比無損傷工況出現(xiàn)明顯的向左偏移；(2)圖3b較其他圖形表現(xiàn)出更為密集的諧振峰值，其偏移量也最大，說明PZT貼于螺栓上對其自身的松動比較敏感；(3)除圖3b以外所有圖形中，圖3c曲線變化最為明顯，表明距離螺栓1松動螺母最近的PZT2(粘貼于混凝土表面)最有效的捕捉到結(jié)構(gòu)損傷信息。這些特征說明：針對螺栓松動這一管片結(jié)構(gòu)的損傷形式，可以直接在需要進行監(jiān)測螺栓的螺帽上粘貼PZT傳感器進行損傷識別；對于需要監(jiān)測的其他類型損傷，可在該損傷最有可能發(fā)生的關(guān)鍵位置附近直接粘貼PZT傳感器進行監(jiān)測。

圖3 兩種損傷工況與無損傷工況的PZT電導(dǎo)納實部頻譜曲線對比

3 隧道管片結(jié)構(gòu)損傷定量評估

圖3的試驗結(jié)果表明，通過PZT電導(dǎo)納頻譜圖的變化，可以定性地對管片結(jié)構(gòu)螺栓松動損傷程度做出判斷。為了進一步量化評估結(jié)構(gòu)損傷的程度，采用統(tǒng)計特征指標均方根偏差(RMSD)來對試驗結(jié)果進一步計算分析，探求PZT傳感器在大型結(jié)構(gòu)上的有效監(jiān)測范圍。

對180～250 kHz頻段內(nèi)2種損傷工況下的導(dǎo)納信號進行RMSD統(tǒng)計指標計算，其結(jié)果如圖4和表2所示。圖4為各損傷狀態(tài)對應(yīng)的8個傳感器RMSD計算值；表2列出了隨著損傷發(fā)展，各個傳感器損傷指數(shù)RMSD的具體值及其隨損傷發(fā)展的變化率。圖5選取RMSD值變化率為縱坐標，傳感器與損傷的距離為橫坐標，更直觀地描述了其變化。圖6將這種變化線性擬合，可以得到傳感器的敏感度與距離之間的線性關(guān)系。

圖4 兩種工況下8個PZT傳感器的RMSD值

傳感器編號PZT1PZT2PZT3PZT4PZT5PZT6PZT7PZT8工況14.4327.2718.671.123.842.838.065.64工況23.727.0518.531.495.234.0311.745.94變化率/%-16.50-0.81-0.7533.0436.1942.4045.665.32

圖5 傳感器和損傷間距與RMSD值變化率關(guān)系曲線

圖6 傳感器和損傷間距與RMSD值變化率線性擬合關(guān)系

從圖4可以直觀的看出，粘貼于螺帽上的PZT2計算的RMSD值最大為27.27，大于距離螺栓松動螺母最近的貼于混凝土管片上PZT3的RMSD值18.67，其余距離較遠的PZT傳感器RMSD值均較小。這表明對于螺栓松動損傷，PZT傳感器直接貼在螺帽上更為有效，盡管螺帽距離松動螺母600 mm。

從表2可以看出在螺栓1松動的基礎(chǔ)上松動螺栓2，損傷程度增大，距離2號螺栓350 mm以內(nèi)的傳感器(PZT4,5,6,7)的RMSD值均有較大增長(33.04%，36.19%，42.40%，45.66%)，平均增長約41%；大于600 mm的傳感器(PZT1,2,3,8)幾乎沒有變化，甚至出現(xiàn)負增長(-16.50%，-0.81%，-0.75%)，表明PZT傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)上的有效監(jiān)測范圍小于600 mm，最佳監(jiān)測范圍約為300 mm。圖5進一步直觀地表明傳感器與損傷的距離及其RMSD值變化率，從圖6可以看出傳感器的敏感度隨距離的增加呈線性降低趨勢，二者的線性關(guān)系為y=-0.0007x+0.5489，方差約為0.86。因此，對于混凝土隧道管片結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)按小于600 mm的距離布置傳感器以有效監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷。

4 結(jié) 論

本文利用壓電阻抗技術(shù)，對混凝土隧道管片結(jié)構(gòu)螺栓松動損傷進行了識別試驗。通過布置不同距離的壓電傳感器，并在兩種螺栓松動工況下測量壓電導(dǎo)納頻譜曲線，分析了EMI技術(shù)的有效性，并進一步定量分析壓電導(dǎo)納信息的統(tǒng)計特征指標RMSD及其變化率。試驗結(jié)果表明基于壓電阻抗可以有效檢測管片螺栓松動損傷，將PZT傳感器直接貼于螺栓的螺帽上最為有效，其敏感度高于貼于混凝土管片。PZT傳感器貼于混凝土管片有效監(jiān)測距離小于600 mm。PZT傳感器敏感度隨著距離的增加而降低，二者呈反比例線性關(guān)系。試驗結(jié)果可為EMI技術(shù)應(yīng)用于隧道管片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供有用參考。

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EMI Based Experiment on Tunnel Segment Structural Bolt-looseness Damage Detection

AIDe-mi1，LUOHui1，ZHUHong-ping1，WANGChao1,2

(1.School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China； 2.School of Civil Engineering and Architecture and Environment，Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China)

Electromechanical impedance (EMI) based damage detection technique applied for large structural health monitoring has not been widely studied. This paper investigated the effectiveness of EMI technique and the sensitive distance of piezoelectric (PZT) sensor for large tunnel segment structural bolt looseness detection. Through measuring the electromechanical admittance spectrum of the PZT sensors installed on different locations, characterizations of the impedance curves were analyzed. Then resonant frequency variation tendency of the admittance spectrum was studied after the bolt looseness damage inducing to the segment structure, and statistical index RMSD was also calculated for damage quantification. Its’ rate of change was also adopted for evaluation on sensor sensitivity. The experimental results indicated that the PZT sensor can capture the development of the bolt looseness damage, thus the EMI technique is feasible for the large tunnel segment structural damage detection. And it was more effective of PZT sensor located on the bolt than on the concrete. With the development of structural damage, the index values of the near PZT senor varied more largely than the distant ones, the relationship between sensor sensitivity and distance was inverse linear proportion.

tunnel segment; electromechanical impedance (EMI); bolt looseness; damage detection

2016-03-09

2016-05-29

艾德米(1989-)，男，云南通海人，博士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)損傷識別及健康監(jiān)測(Email: aidemi12@hust.edu.cn)

國家自然科學(xué)基金(51578260；51578261；51408250)；貴州省交通廳科技項目(2015-122-051)

TU317

A

2095-0985(2016)06-0039-04