采用PZT對(duì)混凝土管片進(jìn)行損傷試驗(yàn)研究

胡顯燕，宋金強(qiáng) （湖北第二師范學(xué)院建筑與材料工程學(xué)院，湖北 武漢 430205）

1 概述

隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，智能傳感器越來越多地運(yùn)用于土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中，相對(duì)于一般的介質(zhì)材料，壓電陶瓷所具備的特殊性能即它的壓電性能，壓電性能的獲得則是因?yàn)殡妶?chǎng)的極化作用，同時(shí)極化工程也使它具備了各向異性的特點(diǎn)，也就是其性能參數(shù)在不同的方向上具有不同的數(shù)值，這個(gè)特點(diǎn)也是壓電陶瓷材料具有廣泛用途的重要基礎(chǔ)。

最初通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PZT阻抗技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)砌體構(gòu)件中的初始裂縫，結(jié)果表明PZT傳感器具有比聲發(fā)射、脈沖回波和應(yīng)變片更大的傳感面積，PZT阻抗技術(shù)既能夠成功識(shí)別化學(xué)腐蝕引起的混凝土材料特性的變化，也能夠準(zhǔn)確識(shí)別出混凝土微小損傷的位置；因此基于PZT阻抗的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與健康監(jiān)測(cè)方面開始了一些研究。Liang等根據(jù)耦合電阻抗提取了自由柔性梁的固有頻率，還利用壓電陶瓷片作為自傳感驅(qū)動(dòng)器第一次對(duì)組合桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識(shí)別試驗(yàn)研究。

Yee提出用壓電阻抗的一維和二維方程判斷損傷，用在混凝土試塊、鋁梁和鋁桁架上，鋁梁上設(shè)置多孔損傷，設(shè)置不同的采樣頻率，通過RMSD指數(shù)判斷損傷，比較不同數(shù)量損傷時(shí)RMSD的區(qū)別，如果頻率段選擇合適，能有效判斷損傷量。

Yang對(duì)壓電片用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)做了一系列研究，推導(dǎo)了殼體的機(jī)械阻抗理論值，設(shè)計(jì)了圓拱殼模型，表明粘貼一處壓電片，設(shè)置2 mm孔洞損傷，比較峰值的大小和位置，試驗(yàn)得到阻抗值和理論值吻合較好。

朱宏平和王丹生團(tuán)隊(duì)對(duì)壓電阻抗法用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)做了一系列研究工作，采用基于壓電導(dǎo)納計(jì)算得到的損傷指數(shù)進(jìn)行梁的損傷定位研究，采用數(shù)值模擬，與試驗(yàn)結(jié)果相比較，模擬情況相一致。

研究者采用壓電阻抗法對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷測(cè)試，做了大量的實(shí)驗(yàn)工作，以此驗(yàn)證相關(guān)理論，探索壓電阻抗法測(cè)試的規(guī)律和技術(shù)取得了很大的成績(jī)。

2 PZT-結(jié)構(gòu)相互作用模型

工程結(jié)構(gòu)從剛度上可以分為兩類，即遠(yuǎn)大于PZT材料的剛度和遠(yuǎn)小于此材料的剛度，另外，PZT與結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式有兩種，即表面粘貼和埋入式。通過過去幾十年的研究工作，人們提出了幾種PZT-結(jié)構(gòu)相互作用的模型理論，Liang提出的理論模型運(yùn)用較多，Zhou將一維阻抗法擴(kuò)展到二維結(jié)構(gòu)上。物理模型如圖1所示。

圖1 二維機(jī)電耦合阻抗模型

通過運(yùn)用達(dá)朗貝爾定理并施加相應(yīng)的邊界條件，Zhou（1995）提出了公式2。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用管片作為測(cè)試對(duì)象，測(cè)試模擬管片在螺栓松動(dòng)情況下的損傷，采取管片表面粘貼PZT-5壓電片的方式，阻抗儀選用Agilent 4294A，試驗(yàn)時(shí)室內(nèi)溫度為10℃。將要粘貼PZT的管片部位打磨光滑，再用乙醇清潔干凈，在管片表面粘貼PZT，PZT粘貼采用環(huán)氧樹脂膠粘貼，在每個(gè)PZT上連接導(dǎo)線，每個(gè)PZT焊接兩個(gè)正負(fù)導(dǎo)線，并對(duì)每對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行編號(hào)，如圖2所示。針對(duì)混凝土管片結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)損傷工況，通過設(shè)置螺栓松動(dòng)來模擬損傷情況。

圖2 管片表面粘貼PZT布置圖

損傷設(shè)計(jì)方法，在螺栓擰緊狀態(tài)時(shí)做好標(biāo)記，然后通過擰松螺帽使螺栓松動(dòng)：螺栓松動(dòng)情況通過旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)，螺栓松動(dòng)第一次30°，松動(dòng)第二次45°，松動(dòng)第三次60°。

3.1 螺栓松動(dòng)過程曲線

首先對(duì)1號(hào)螺栓進(jìn)行松動(dòng)，分別松動(dòng)30°，45°，60°，其損傷曲線如圖 3所示。然后對(duì)2號(hào)螺栓進(jìn)行松動(dòng)，也分別松動(dòng)30°，45°，60°，其損傷曲線如圖4所示。

圖3 1號(hào)螺栓松動(dòng)PZT1曲線圖（150～300kHz）

圖4 2號(hào)螺栓松動(dòng)PZT3曲線圖（150～300kHz）

1號(hào)螺栓、2號(hào)螺栓松動(dòng)損傷指數(shù)RMSD如圖5、圖6所示。由損傷指數(shù)圖可以看出，螺栓第一次松動(dòng)和第二次松動(dòng)損傷指數(shù)相近，但是第三次松動(dòng)的損傷指數(shù)較前兩次較大，主要原因是，第一次松動(dòng)和第二次松動(dòng)后螺栓還是處于較緊密狀態(tài)，而第三次松動(dòng)后螺栓較松，因此其損傷指數(shù)增長(zhǎng)較多。

圖5 螺栓松動(dòng)損傷指數(shù)RMSD

圖6 螺栓松動(dòng)損傷指數(shù)1-CC

對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行計(jì)算分析，得到1號(hào)螺栓、2號(hào)螺栓松動(dòng)的損傷指數(shù)RMSD和(1-CC)損傷指數(shù)，繪制如圖5(a)、(b)和圖 6(a)、(b)所示，頻率范圍為150～300 kHz。由損傷指數(shù)圖5(a)、(b)可以看出，螺栓第一次松動(dòng)和第二次松動(dòng)的損傷指數(shù)相近，但是第三次松動(dòng)的損傷指數(shù)較前兩次較大，分析其主要原因是，第一次松動(dòng)和第二次松動(dòng)后螺栓還是處于較緊密狀態(tài)，而第三次松動(dòng)后螺栓較松，因此其損傷指數(shù)增長(zhǎng)較多。

由損傷指數(shù)圖6(a)、(b)顯示，螺栓第一次松動(dòng)和第二次松動(dòng)的損傷指數(shù)相近，但是第三次松動(dòng)的損傷指數(shù)較前兩次較大，這種現(xiàn)象更明顯，分析其主要原因是，第一次松動(dòng)和第二次松動(dòng)后螺栓還是處于較緊密狀態(tài)，而第三次松動(dòng)后螺栓較松，因此其損傷指數(shù)增長(zhǎng)較多。

3.2 1號(hào)螺栓松動(dòng)損傷指數(shù)討論

由1號(hào)螺栓松動(dòng)RMSD損傷指數(shù)可以看出，隨著螺栓松動(dòng)的角度增大，損傷指數(shù)曲線升高明顯，可以判斷損傷的加大程度；而且1號(hào)螺栓附近的PZT損傷指數(shù)較大，也可以由此判斷損傷發(fā)生的位置。為了直接讀出可能發(fā)生損傷的區(qū)域，將RMSD損傷指數(shù)繪制成三維的柱狀圖，如圖7所示，柱狀圖的布置按照PZT的方位布置。從柱狀圖可以很明確地看出PZT測(cè)試的結(jié)果，1號(hào)螺栓距離PZT1和PZT2較近，柱高度較大，損傷在其附近，前面分析了，可以結(jié)合其他損傷指數(shù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行校核，因而能判斷損傷發(fā)生在PZT1的附近。

圖7 1號(hào)螺栓松動(dòng)RMSD損傷指數(shù)柱狀圖

圖8 2號(hào)螺栓松動(dòng)RMSD損傷指數(shù)柱狀圖

3.3 2號(hào)螺栓松動(dòng)損傷指數(shù)討論

為了直接讀出可能發(fā)生損傷的區(qū)域，將RMSD損傷指數(shù)繪制成三維的柱狀圖，如圖8所示，柱狀圖的布置按照PZT的方位布置，從柱狀圖可以很明確地看出PZT測(cè)試的結(jié)果。2號(hào)螺栓距離PZT3較近，柱高度較大，損傷在其附近，可以判斷損傷在PZT3的附近。

4 結(jié)論

在實(shí)際工程中，螺栓松動(dòng)對(duì)管片結(jié)構(gòu)的安全性會(huì)造成很大的破壞性，在結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中也非常重要，本次試驗(yàn)通過對(duì)混凝土管片表面粘貼PZT，進(jìn)行損傷模擬實(shí)驗(yàn)研究，模擬損傷是通過設(shè)計(jì)螺栓松動(dòng)，角度分別松動(dòng)30°，45°，60°來模擬損傷工況。損傷指標(biāo)采用RMSD指數(shù)和1-CC指數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析顯示，隨著螺栓松動(dòng)的角度增大，RMSD指數(shù)和1-CC指數(shù)損傷指數(shù)曲線升高明顯，由此判斷損傷的加大程度；而且螺栓附近的PZT測(cè)試得到的損傷指數(shù)較大，通過繪制RMSD損傷指數(shù)柱狀圖可以準(zhǔn)確地判斷損傷發(fā)生的位置。通過本次試驗(yàn)研究可以得到混凝土管片表面粘貼PZT進(jìn)行損傷定位和損傷定量的規(guī)律，壓電阻抗法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)需要設(shè)計(jì)的損傷程度較大，距離PZT越近，測(cè)得的損傷指數(shù)越準(zhǔn)確。