基于壓電陶瓷的法蘭連接中高強(qiáng)螺栓松動損傷監(jiān)測試驗(yàn)研究

蔣田勇， 方鱗， 梁仕杰

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司， 湖南 長沙 410200)

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展促進(jìn)了橋梁行業(yè)的發(fā)展，而其中鋼管結(jié)構(gòu)以其良好的承載力和截面特性廣泛應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋和支架等結(jié)構(gòu)。法蘭盤是鋼管結(jié)構(gòu)常用的連接裝置，多用于受軸力作用構(gòu)件的連接。法蘭連接是螺栓連接的一種形式，依靠高強(qiáng)螺栓壓緊法蘭，從而把墊片壓緊達(dá)到密封效果。高強(qiáng)螺栓在循環(huán)載荷的沖擊和長期的風(fēng)致振動作用下會出現(xiàn)不同程度的松動情況，其松動可能會導(dǎo)致毀滅性的后果和重大財產(chǎn)損失[1]，為了避免法蘭連接中健康狀況不良的高強(qiáng)螺栓帶來災(zāi)難性后果，對法蘭連接中高強(qiáng)螺栓健康狀況進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測顯得尤為重要[2]。

為了更好地了解構(gòu)件中高強(qiáng)螺栓的健康狀況，很多學(xué)者對此做了大量工作，并研究出多種檢測方法。傳統(tǒng)的方法有敲擊法、聲發(fā)射法和超聲波法[3-4]等。隨著研究的深入，又出現(xiàn)了圖像處理法[5]和壓電阻抗法等新方法。當(dāng)前，針對螺栓松動問題，屈文忠等[6]提出了螺栓松動損傷的亞諧波共振識別方法，當(dāng)亞諧波產(chǎn)生所需的激勵頻率在2倍固有頻率附近就能有效識別螺栓松動；吳冠男等[7]提出了基于混沌超聲波激勵的螺栓連接松動監(jiān)測研究，發(fā)現(xiàn)特征參量ALAVR能夠有效檢測出早期的螺栓松動；王子斌等[8]提出了基于模型的螺栓松動狀態(tài)監(jiān)測方法，在現(xiàn)有的模型損傷識別技術(shù)基礎(chǔ)上，研究出一種兩階段的螺栓狀態(tài)長期在線識別方法。

綜上所述，目前對于法蘭連接中高強(qiáng)螺栓松動損傷監(jiān)測的研究很少，而且現(xiàn)有方法對操作水平有著較高的要求，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果并不理想。該文根據(jù)壓電陶瓷具有響應(yīng)速度快、頻率范圍寬、耗能低以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，提出采用壓電波動法對法蘭連接中高強(qiáng)螺栓健康狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行試驗(yàn)研究，并驗(yàn)證壓電波動法對法蘭連接中高強(qiáng)螺栓松動損傷監(jiān)測的有效性。

2 監(jiān)測原理

試驗(yàn)采用基于壓電陶瓷的壓電波動法，利用壓電陶瓷的雙重性將壓電陶瓷PZT作為驅(qū)動器和傳感器，粘貼在法蘭連接試件的表面與其共同構(gòu)成壓電智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)?？紤]在工程實(shí)際情況中螺栓松動后，在重力影響下，其法蘭連接在橫向和豎向布置時表現(xiàn)出不同的受力，其應(yīng)力波傳播的路徑表現(xiàn)也不一樣，因此試驗(yàn)將分為橫向放置和豎向放置。試驗(yàn)監(jiān)測原理如圖1、2所示。

圖2 試件豎向放置時松動損傷監(jiān)測原理圖

將粘貼在法蘭連接試件交界面一側(cè)的PZT4作為驅(qū)動器發(fā)射應(yīng)力波信號，另一側(cè)的PZT1、PZT2和PZT3作為傳感器接收應(yīng)力波信號。兩個法蘭通過4顆高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，當(dāng)高強(qiáng)螺栓Ⅰ發(fā)生松動時，法蘭試件連接界面的緊密性會下降，從而對應(yīng)力波的傳播造成影響，出現(xiàn)發(fā)散、反射和折射等現(xiàn)象，最終使得傳感器接收到的響應(yīng)信號也對應(yīng)減少。當(dāng)4顆高強(qiáng)螺栓全部松動時，法蘭連接界面的緊密性大幅度下降，交界面損傷加劇，傳感器接收到的響應(yīng)信號也隨之進(jìn)一步衰減。因此，通過對比損傷狀態(tài)下的響應(yīng)信號與健康狀態(tài)下的響應(yīng)信號，會發(fā)現(xiàn)兩者之間的差異，即隨著法蘭連接界面的緊密性降低，應(yīng)力波呈現(xiàn)出衰減的趨勢，故而可以判斷法蘭連接中高強(qiáng)螺栓的松動損傷情況。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 試驗(yàn)試件

為了對法蘭連接中高強(qiáng)螺栓松動損傷監(jiān)測進(jìn)行研究，試驗(yàn)設(shè)計了一個由高強(qiáng)螺栓連接的兩個帶頸法蘭的組合結(jié)構(gòu)。法蘭材質(zhì)為WCC碳鋼，螺栓采用M16高強(qiáng)螺栓，法蘭連接試件具體尺寸如圖3所示。

圖3 法蘭構(gòu)件示意圖(單位：mm)

在法蘭連接試件的鋼管上粘貼了4片壓電陶瓷PZT，其中PZT1、PZT2和PZT3三個作為傳感器，PZT4作為驅(qū)動器。PZT1、PZT2和PZT3之間的中心距離為50 mm，PZT1和PZT4沿結(jié)構(gòu)中心面對稱布置，其中心距離結(jié)構(gòu)中心面的距離為50 mm(圖4)，粘貼好的壓電陶瓷傳感器/驅(qū)動器，如圖5所示。

圖4 法蘭連接試件的壓電陶瓷PZT布置形式(單位：mm)

圖5 粘貼好后的PZT傳感器/驅(qū)動器

3.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)將兩個法蘭通過4顆M16的8.8級高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，通過擰松螺栓的個數(shù)來進(jìn)行工況的擬定，此次試驗(yàn)每次只松動一顆螺栓，共包含5個試驗(yàn)工況：① 工況0為健康狀況；② 工況1為松動高強(qiáng)螺栓Ⅰ；③ 工況2為松動高強(qiáng)螺栓Ⅰ、Ⅱ；④ 工況3為松動高強(qiáng)螺栓Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；⑤ 工況4為松動高強(qiáng)螺栓Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

3.3 試驗(yàn)過程

測試儀器采用NI USB-6363，用USB數(shù)據(jù)線與筆記本電腦端相連，通過BNC接頭分別連接PZT傳感器/驅(qū)動器，其中發(fā)射端連接PZT驅(qū)動器，接收端連接PZT傳感器。試驗(yàn)采取橫向和豎向兩種放置方式，試件橫向放置時，法蘭連接試件通過重型鋁合金管夾將兩端固定，然后用高強(qiáng)膠水將重型鋁合金管夾的底座固定在混凝土塊上，這樣可以有效地防止在松動螺栓時法蘭連接試件產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。此時，法蘭連接試件交界面只受螺栓預(yù)緊力的作用。

試件豎向放置時，法蘭連接試件不變，將放置方向由橫向轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q向，其中法蘭連接試件固定裝置包括千斤頂和反力架等，可以防止螺栓松動過程中試件出現(xiàn)偏差，影響試驗(yàn)結(jié)果的精確性。

3.4 應(yīng)力波信號加載

試驗(yàn)的驅(qū)動激勵信號采用掃頻正弦波信號，該信號掃頻范圍為100 Hz～150 kHz，正弦波的振幅和持續(xù)時間分別為10 V和1 s。測試中，將預(yù)先確定的輸入信號(激勵信號)由NI USB-6363發(fā)送到粘貼在法蘭連接試件上一側(cè)的壓電陶瓷驅(qū)動器，然后再通過數(shù)據(jù)采集器NI USB-6363收集記錄另一側(cè)的壓電陶瓷傳感器接收到的響應(yīng)信號。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 時域分析

時域信號圖是以時間為自變量，幅值為因變量。時域分析主要是通過信號幅值的大小來對損傷進(jìn)行判斷。當(dāng)法蘭連接試件橫向放置時，壓電陶瓷PZT1、PZT2和PZT3的時域信號圖，如圖6～8所示。

從圖6～8可以看出：① 隨著高強(qiáng)螺栓松動個數(shù)的增加，時域信號幅值也會發(fā)生改變，而且PZT1至PZT3接收到的幅值變化幅度具有一致性。當(dāng)松動1顆高強(qiáng)螺栓時，幅值相對于健康狀態(tài)有所降低，這是因?yàn)樗蓜?顆螺栓使得法蘭之間的接觸緊密性下降。當(dāng)松動2顆高強(qiáng)螺栓時，幅值相對于健康狀態(tài)有所降低，但是相對于松動1顆高強(qiáng)螺栓又有所增加，這是因?yàn)楫?dāng)同時松動法蘭邊側(cè)的2顆高強(qiáng)螺栓時，由于重力的影響，會使得法蘭試件高強(qiáng)螺栓松動損傷程度比松動1顆螺栓時小。當(dāng)松動3顆高強(qiáng)螺栓時，幅值相比于之前的工況都有所下降。當(dāng)松動4顆高強(qiáng)螺栓時，信號幅值明顯下降，相比于健康狀態(tài)下的幅值峰值降低30%左右；② PZT1和PZT2的變化幅度較PZT3更為明顯，這是因?yàn)樵谝欢ǖ木嚯x范圍內(nèi)，PZT1和PZT2的位置距離驅(qū)動器PZT4較近，接收到的響應(yīng)信號也較強(qiáng)。

圖6 法蘭連接試件橫向放置時壓電陶瓷PZT1的時域圖

圖7 法蘭連接試件橫向放置時壓電陶瓷PZT2的時域圖

圖8 法蘭連接試件橫向放置時壓電陶瓷PZT3的時域圖

當(dāng)法蘭連接試件豎向放置時，壓電陶瓷PZT1、PZT2和PZT3的時域信號圖，如圖9～11所示。

圖9 法蘭連接試件豎向放置時壓電陶瓷PZT1的時域圖

圖10 法蘭連接試件豎向放置時壓電陶瓷PZT2的時域圖

圖11 法蘭連接試件豎向放置時壓電陶瓷PZT3的時域圖

從圖9～11可以看出：隨著法蘭連接試件之間的緊密性減小，幅值整體呈現(xiàn)出下降的趨勢。在松動1顆、2顆以及3顆高強(qiáng)螺栓時，應(yīng)力波幅值均只有一個輕微的減少過程，說明松動這幾顆高強(qiáng)螺栓后，對法蘭連接的緊密性影響不是很大。而只有在松動全部高強(qiáng)螺栓后，幅值才有大幅度降低，約為健康狀態(tài)幅值的2/3，說明在松動全部的高強(qiáng)螺栓后，對法蘭連接的緊密性有很大程度的削弱，從而導(dǎo)致了幅值的明顯降低。與試件橫向放置相比，由于豎向放置時法蘭連接試件受到重力作用和千斤頂壓力作用，其緊密性更大，時域幅值也更高。

4.2 頻域分析

采用快速傅立葉變換(FFT)對時域信號進(jìn)行處理生成頻域信號圖。頻域信號主要反映頻率的組成、幅值、相位的變化。通過頻域信號圖可以看到PZT傳感器所接收到的PZT驅(qū)動器激勵信號的主要振動頻率范圍?？紤]篇幅影響，對橫向放置和豎向放置均只選取壓電陶瓷PZT1進(jìn)行分析。當(dāng)法蘭連接試件橫向放置時，壓電陶瓷PZT1的頻域信號圖見圖12。

圖12 法蘭連接試件橫向放置時壓電陶瓷PZT1的頻域圖

由圖12可以看出：幅值峰值在40～125 kHz時較為明顯，其中在健康狀態(tài)下，幅值峰值為2.25×10-9V2/Hz左右，在松動1顆高強(qiáng)螺栓后降低到1.9×10-9V2/Hz，說明PZT4發(fā)出的應(yīng)力波信號傳播受阻，導(dǎo)致PZT1接收到的響應(yīng)信號也被削弱。在松動2顆螺栓后，又增加到了2.0×10-9V2/Hz，PZT1接收到的響應(yīng)信號較松動1顆螺栓強(qiáng)，說明法蘭試件的緊密性較松動1顆螺栓大。隨后在松動第3顆螺栓后，幅值大致為1.7×10-9V2/Hz，應(yīng)力波信號傳播受阻加劇，法蘭試件緊密性減小。當(dāng)?shù)?顆高強(qiáng)螺栓松完后，發(fā)現(xiàn)幅值明顯降低至1.0×10-9V2/Hz，應(yīng)力波信號傳播嚴(yán)重受阻，法蘭試件緊密性大幅減小。

當(dāng)法蘭連接試件豎向放置時，壓電陶瓷PZT1的頻域信號圖如圖13所示。

圖13 法蘭連接試件豎向放置時壓電陶瓷PZT1的頻域圖

通過對圖13進(jìn)行頻域信號分析可以看出：幅值峰值在25～80 kHz時較為明顯。頻域幅值峰值隨著高強(qiáng)螺栓松動個數(shù)的增加而降低。從健康狀態(tài)到松動全部高強(qiáng)螺栓時，幅值峰值由1.2×10-8V2/Hz下降到4.4×10-9V2/Hz，峰值下降了63%左右，說明法蘭連接中高強(qiáng)螺栓松動損傷嚴(yán)重。其中在松動1顆、2顆高強(qiáng)螺栓后幅值降低幅度較小，較前一工況下降低10%左右，說明松動1顆、2顆高強(qiáng)螺栓對應(yīng)力波傳播影響不是很大。隨后當(dāng)松完第3顆螺栓后，幅值降低幅度較大，峰值降低至8×10-9V2/Hz，法蘭連接的緊密性因螺栓松動有一個較大的降低。相比橫向放置，豎向放置由于法蘭試件受力不同，應(yīng)力波傳播路徑存在差異，導(dǎo)致頻域峰值以及響應(yīng)頻率也不一樣。

4.3 小波包能量分析

能量是結(jié)構(gòu)動力分析進(jìn)行損傷識別的重要物理量，當(dāng)結(jié)構(gòu)所受外部激勵量的向量一定時，若結(jié)構(gòu)存在損傷，則由損傷引起的結(jié)構(gòu)動力特性變化必然會引起結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的能量變化，從而導(dǎo)致輸出信號在不同頻段某些頻率成分被抑制，另一些頻率成分增強(qiáng)。由此可知，結(jié)構(gòu)損傷將會引起結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)能量在不同頻帶的能量重分布[9-10]。利用小波包對法蘭連接試件損傷前后的動力響應(yīng)信號進(jìn)行分解、重構(gòu)，從而得到信號在各個尺度上的能量分布情況，并以此作為法蘭連接試件損傷識別的依據(jù)。通過小波包能量對信號進(jìn)一步分析，即進(jìn)行量化分析，更能體現(xiàn)出信號的變化。同樣，先對橫向放置的法蘭連接試件進(jìn)行分析。

當(dāng)法蘭連接試件橫向放置時，壓電陶瓷PZT1、PZT2和PZT3的小波包能量圖，如圖14所示。

圖14 法蘭連接試件橫向放置時壓電陶瓷小波包能量圖

由圖14可以看出：隨著高強(qiáng)螺栓松動個數(shù)的增加，三者出現(xiàn)相同的變化規(guī)律，即在松動第1顆高強(qiáng)螺栓后，由于法蘭連接試件交界面的緊密性下降，導(dǎo)致應(yīng)力波傳播路徑受阻，接收到的響應(yīng)信號也相應(yīng)發(fā)生衰減，使得小波包能量值減小，其中PZT1、PZT2和PZT3接收到的能量損失率分別為13%、11%、16%。在松動第2顆高強(qiáng)螺栓后，能量又突然升高，但是都低于健康狀態(tài)下的能量值，說明在松動第2顆高強(qiáng)螺栓后，法蘭連接試件的緊密性比松動第1顆高強(qiáng)螺栓的緊密性要高，但是比健康狀態(tài)下的緊密性低，這也與法蘭連接試件自身重力的影響有關(guān)。接著在松動第3顆螺栓后能量降低較小，PZT1、PZT2和PZT3接收到的能量損失率分別為7%、8%、7%。最后松動第4顆螺栓后，PZT1和PZT2接收到的能量值大幅度下降，其能量損失率分別為24%、18%，但是PZT3的損失率卻只有6%。

當(dāng)法蘭連接試件豎向放置時，壓電陶瓷PZT1、PZT2和PZT3的小波包能量圖，如圖15所示。

圖15 法蘭連接試件豎向放置時壓電陶瓷小波包能量圖

由圖15可以看出：PZT1和PZT2接收到的能量值隨著高強(qiáng)螺栓松動個數(shù)的增加而下降，在松動第1顆高強(qiáng)螺栓后，能量值下降較為明顯，PZT1和PZT2接收到的能量損失率分別為15%、11%。在松動第2顆、第3顆高強(qiáng)螺栓后，PZT1和PZT2的能量損失率都為4%左右。當(dāng)松動第4顆高強(qiáng)螺栓時，能量值下降最為明顯，PZT1和PZT2的能量損失率都為26%左右，說明當(dāng)松動全部的高強(qiáng)螺栓時，法蘭連接試件交界面的緊密性急劇下降。同時，與PZT1、PZT2相比，PZT3隨著螺栓松動雖然能量值也有所下降，但是能量變化不在同一個數(shù)量級，所以PZT3難以反映出高強(qiáng)螺栓松動下的規(guī)律。

另外，由圖14、15可知：豎向放置的能量值整體上都比橫向放置時的能量值高，這是由于放置方式的不同導(dǎo)致法蘭連接試件的受力存在差異，豎向放置的法蘭連接試件緊密性比橫向放置要好。

5 結(jié)論

(1) 時、頻域信號幅值以及小波包能量變化與法蘭連接試件損傷狀態(tài)密切相關(guān)，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即損傷越大，幅值越低，小波包能量值越小。

(2) 試驗(yàn)考慮到實(shí)際工程中法蘭結(jié)構(gòu)所處位置不同，分為橫向放置和豎向放置，得出了不同的規(guī)律，且不同放置方式下，時域和頻域峰值范圍分布不一樣，小波包能量值的大小也不一樣；通過時域、頻域以及小波包能量分析，對于橫向放置的法蘭連接構(gòu)件，在松動第2顆螺栓后，幅值有所上升，小波包能量也增大，這是由于在自身重力作用下，法蘭接觸更加緊密；豎向放置時，傳感器接收到的響應(yīng)信號要比橫向放置時強(qiáng)，這是因?yàn)樨Q向放置時法蘭交界面的緊密性比橫向放置大。

(3) 在橫向法蘭連接試件裝置監(jiān)測中，通過對比壓電陶瓷PZT1、PZT2和PZT3的時域信號圖、頻域信號圖以及小波包能量變化圖可以看出，傳感器與驅(qū)動器的距離對監(jiān)測也有影響，且在一定距離范圍內(nèi)，距離越遠(yuǎn)，靈敏度越低。

(4) 對于法蘭連接中高強(qiáng)螺栓松動損傷，時域信號分析、頻域信號分析和小波包能量分析均能反映試件損傷的程度，所以基于壓電陶瓷的法蘭連接中高強(qiáng)螺栓松動損傷監(jiān)測具有可靠性。