基于壓電陶瓷波動法的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)界面損傷識別研究

徐舟， 周旺， 劉揚,2*， 魯乃唯

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114； 2.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 株洲 412007)

1 前言

預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)以其標準化的建筑設(shè)計、高質(zhì)量的建筑部件生產(chǎn)、快速的現(xiàn)場裝配、易于拆卸和再利用，為建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來了新希望。但預(yù)制拼裝拼縫界面一般通過環(huán)氧樹脂膠(拼縫膠)黏劑連接，在荷載和環(huán)境(風(fēng)、溫度、雨水、地震等)等多種因素作用下膠結(jié)界面容易發(fā)生剪切效應(yīng)，容易產(chǎn)生界面的脫黏裂縫、滑移及分離等現(xiàn)象，以至于大幅削弱預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，嚴重威脅人們的生命財產(chǎn)安全。由于拼縫膠對混凝土的牽拉作用，容易導(dǎo)致拼縫處產(chǎn)生豎向劈裂裂縫，從而給界面損傷帶來不確定性。因此，預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)界面損傷檢測是一個非常復(fù)雜的問題。

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的檢測方法可分為兩類：① 破壞性檢測技術(shù)；② 非破壞性檢測技術(shù)。破壞性檢測技術(shù)通常指鉆芯取樣法和加載試驗法，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的人為永久損傷。而非破壞性評價技術(shù)指超聲波法、敲擊法、紅外熱成像法、電磁脈沖法、激光剪切成像法、沖擊回波法、探地雷達法等[1]。Li and Han等提出了一種利用超聲波檢測鋼管混凝土試件的鋼筋與混凝土脫黏的方法，結(jié)果表明：測得的聲學(xué)參數(shù)可以反映鋼管與混凝土墻體的黏結(jié)狀況[2]；Azenha等利用紅外熱像技術(shù)，對混凝土立方體的內(nèi)部和表面溫度場進行了測量，以更好地了解水化過程中的溫度變化[3]；FengMQ等采用電磁脈沖法監(jiān)測路基結(jié)構(gòu)中的裂縫[4]；TangP and Huber D等通過激光剪切成像法監(jiān)測混凝土表面微小的不可見裂縫[5]；Chia-TsungHsieh,YichingLin等探討了采用沖擊回波法(IE法)評價近表面貼裝碳纖維增強聚合物(NSM CFRP)環(huán)氧-混凝土界面脫黏的可行性[6]；Buyukozturk等提出了利用探地雷達技術(shù)檢測GFRP-混凝土柱的脫黏和混凝土裂縫的方法，該方法在識別GFRP混凝土界面缺陷和脫黏方面具有很大的潛力[7]；Kharkovsky等開發(fā)了一種新穎的近場微波檢測系統(tǒng)，以產(chǎn)生兩個正交偏振圖像，可以檢測碳纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的脫黏和脫層[8]。

壓電傳感器PZT(Piezoelectric CeramicsTransducer，鋯鈦酸鉛)補足了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的一些缺點。壓電材料具有形狀多樣、頻響快、頻帶寬、精度高、制作方便、價格低廉、能夠同時作為驅(qū)動器和傳感器對結(jié)構(gòu)進行損傷檢測和狀態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷檢測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[9]。趙曉燕等采取在鋼筋混凝土框剪模型表面粘貼PZT片的方法，對試件的損傷進行了有效的監(jiān)測[10]；蔣田勇等基于壓電阻抗法對預(yù)應(yīng)力波紋管的密實度性能進行了研究[11];劉智等基于波動分析法對結(jié)構(gòu)損傷識別特征參量進行了研究[12];許斌等采用了基于壓電陶瓷的新型智能骨料裝置(SA)來監(jiān)測鋼管混凝土柱的損傷情況，提出了基于小波包能量譜的損傷指標，試驗表明損傷指標對于試驗?zāi)Ｐ偷慕缑鎿p傷區(qū)域能進行準確的識別[13]；楊映泉等采用壓電陶瓷表面波來檢測鋼管混凝土試件的界面剝離情況[14]。已證明，壓電陶瓷PZT檢測方法是一種有效的手段。該文針對因荷載及環(huán)境等多因素影響下的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)中拼縫界面出現(xiàn)脫黏、滑移、分離等問題，提出了一種基于壓電陶瓷波動法的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)界面損傷識別方法，并進行相應(yīng)的試驗研究。

2 檢測原理

2.1 基于波動法的壓電智能監(jiān)測方法

波動分析方法主要是將壓電陶瓷驅(qū)動器以及傳感器放在混凝土結(jié)構(gòu)表面或者內(nèi)部，與混凝土結(jié)構(gòu)共同組成壓電智能結(jié)構(gòu)。驅(qū)動器主要靠交流電信號激勵，基于逆壓電效應(yīng)下，壓電陶瓷將電信號轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播，基于正壓電效應(yīng)下，可實現(xiàn)向電信號的轉(zhuǎn)變，最后輸出電信號。

該文將壓電陶瓷傳感器主動傳感技術(shù)波動法應(yīng)用于監(jiān)測預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)接縫處脫黏損傷。監(jiān)測原理如圖1所示。

圖1 預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)脫黏損傷波動法原理

混凝土中嵌入智能骨料分別用作驅(qū)動器和傳感器。驅(qū)動器產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波從一個混凝土試件內(nèi)部穿過界面接縫傳播到另一個混凝土試件，在混凝土中共嵌入3個智能骨料，左右兩個作為驅(qū)動器，中間的智能骨料作為傳感器。為了模擬預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)拼縫界面損傷狀態(tài)，對預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)進行了剪切試驗。在初始條件下，當(dāng)沒有損傷時，來自傳感器的接收信號視為基本信號，代表樣本的健康狀態(tài)。隨著剪切試驗的進行，當(dāng)脫黏裂縫發(fā)生后，產(chǎn)生反射波，信號能量衰減。通過分析信號的時頻域、小波包能量值和損傷指標可以識別界面損傷的嚴重程度。

2.2 小波包分析

小波包分析是已經(jīng)被證明的一種有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法。不僅具有傅里葉和小波分析的優(yōu)點，還具有對低高頻進行更精細的分解能力。因此，該文利用小波包分析計算不同加載下接收能量的對應(yīng)值，其原理是將信號進行小波包分解重構(gòu)，提取小波包能量，并基于下述公式所形成的損傷指數(shù)來識別結(jié)構(gòu)界面損傷程度。

(1)

式中：E1,i為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)時信號能量；Ek,i為結(jié)構(gòu)損壞狀態(tài)(第k次加載階段)的信號能量；DIk為第k次加載階段結(jié)構(gòu)損傷引起的傳輸能量損失，如裂紋、脫黏和黏結(jié)滑移等；N為小波分解級數(shù)。

在剪切試驗前，當(dāng)不存在脫黏裂縫時，結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)，損傷指數(shù)值為零。當(dāng)損傷指數(shù)大于某個閾值時，意味著在剪切試驗中，界面之間會發(fā)生脫黏裂縫。損傷指數(shù)值越大表示結(jié)構(gòu)的裂縫擴展程度越高。

2.3 智能壓電材料基本性能

壓電陶瓷根據(jù)振動特性的不同可分為壓縮型和剪切型，壓縮型原理如圖2所示。由于壓電材料質(zhì)地較脆，為保證其監(jiān)測效果與監(jiān)測壽命，必須在運用過程中采取適當(dāng)保護措施。將選好的壓電陶瓷片封裝在鼓形水泥砂漿或者細石混凝土石塊中，石塊體積為8～10 cm3，然后進行養(yǎng)護，養(yǎng)護完成即可置于結(jié)構(gòu)中。在電線末端焊接了一個BNC(Bayonet Nut Connector)連接器，用于信號傳遞，具體如圖3所示。砂漿和細石起到支撐和保護作用，且有能力承受一定程度的載荷，此外，也可以和混凝土結(jié)構(gòu)有效融合，同真實骨料發(fā)揮的作用一致。包裹在內(nèi)部的壓電陶瓷具備智能功能，所以一般將外層包裹的砂漿和細石的PZT材料稱之為智能骨料SA(Smart Aggregate)。智能骨料作為一種低成本多功能的裝置，可用于混凝土試件的綜合監(jiān)測，如混凝土裂縫監(jiān)測、混凝土水化特性監(jiān)測和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)脫黏監(jiān)測等。該文智能骨料相關(guān)參數(shù)見表1。

圖2 PZT壓縮型原理

圖3 智能骨料

表1 智能骨料參數(shù)

3 波動法監(jiān)測預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)界面損傷試驗

3.1 試樣制作

試件由3個單齒狀混凝土組成，采用環(huán)氧樹脂進行拼裝，并將智能骨料預(yù)埋至混凝土板中，采用C55混凝土制備試驗試件，混凝土板尺寸為600 mm×300 mm×100 mm，如圖4所示。圖5為該板的尺寸情況。利用3塊智能骨料組合成列陣來研究不同載荷情形下結(jié)構(gòu)損傷情況，試驗中采用鋼絲來固定骨料。其中SA1和SA2兩大骨料分別位于節(jié)段梁的中間。

圖4 試件3D模型

圖5 試件平面圖(單位：cm)

3.2 試驗裝置

試驗所使用的裝置主要包含有環(huán)氧樹脂拼縫的混凝土試件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(NI-USB 6366)、帶有支持軟件的筆記本電腦以及液壓式千斤頂加載裝置，如圖6所示。NI-USB 6366集信號發(fā)生器和信號接收器于一體，可以向一個SA(驅(qū)動器)產(chǎn)生正弦波信號，而從另一個SA(傳感器)采集響應(yīng)信號。監(jiān)測信號選取正弦掃描信號，其頻率范圍為100～150 000 Hz，信號的幅值和周期分別為10 V和1 s。這種采集方式最突出的優(yōu)勢在于能準確捕捉損傷情況，符合隨機要求。用于收集SA信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣率為2 MHz。

圖6 試件加載系統(tǒng)

3.3 試驗過程

試驗過程中，首先將電腦與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(NI-USB6366)相連，并且在試件左右兩側(cè)安裝SA1-1和SA1-2，這類骨料可被視為監(jiān)測裝置的傳感器，用于接收信號；而安裝在梁中間位置的SA2作為驅(qū)動器，用于發(fā)射信號，由此組成完整的壓電陶瓷波動法的監(jiān)測系統(tǒng)。圖6為試件加載裝置情況以及如何加載。具體試驗時，采用液壓式千斤頂對試件施加荷載，進而轉(zhuǎn)化為剪切力，與此同時利用壓力傳感器控制荷載大小，不斷增大荷載值，進而對混凝土板實施破壞試驗。開展此次試驗的目的是為研究當(dāng)損傷程度加強時，監(jiān)測信號損傷指數(shù)隨著膠接縫處裂縫的發(fā)展而變化的具體趨勢，最終達到量化損傷程度的效果。具體所選擇的參數(shù)為：① 膠接縫采用環(huán)氧樹脂膠；② 接縫為單齒模式；③ 膠接縫厚度為2 mm；④ 橫向壓應(yīng)力通過N1、N2調(diào)整；⑤ 試件為常規(guī)混凝土C55。損傷監(jiān)測系統(tǒng)由信號產(chǎn)生、信號采集和信號分析3部分組成，如圖7所示。開展試驗監(jiān)測過程中，按照圖7的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，可以完成輸出激勵信號和輸入采集信號等操作。壓電陶瓷傳感器激勵信號本身的頻率值偏高，連續(xù)采集數(shù)據(jù)量非常大，不便于數(shù)據(jù)處理，為了使試驗效果更加明顯，可參照壓力傳感器給出的荷載值實施間隔同步采集，即以5 kN為一個加載工況，每個工況激勵一次驅(qū)動器，對監(jiān)測區(qū)域展開掃描，由此可將加載過程分為8個工況OC(Operating Condition)，分別對應(yīng)0、20、25、30、35、40、45、50 kN的加載力。自制C55混凝土養(yǎng)護28 d后達到其標準強度，開始加載試驗。試驗過程中，采用如圖6所示的加載方法。通過壓力傳感器控制施加荷載，信號采集系統(tǒng)用于采集信號，最終收集信號輸入到電腦終端。利用反饋的監(jiān)測信號，進行試驗數(shù)據(jù)的處理。通過時頻分析、小波包能量及損傷指數(shù)等多種分析方法分析其數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，能對預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的損傷情況做出有效判斷。

圖7 試驗監(jiān)測系統(tǒng)

4 試驗結(jié)果

4.1 時頻分析

儀器顯示結(jié)果如圖8、9所示。每張圖反映了傳感器從對應(yīng)工況掃頻正弦波信號中得到的信號響應(yīng)。結(jié)果表明：當(dāng)試樣界面出現(xiàn)剪切微裂紋時，信號幅值明顯減?。浑S著裂紋擴展程度的增加，信號幅值衰減速率更加明顯。OC7至OC8工況時，振幅變化不大，表明垂直劈裂裂縫達到環(huán)氧樹脂厚度極限水平，結(jié)構(gòu)裂縫超過2 mm。由圖8、9初步判斷，OC4為輕度損傷，OC7為重度損傷。在試驗監(jiān)測階段，將試件破壞過程中的3個工況點(OC1、4、7)作為試驗數(shù)據(jù)的重要采集點，對應(yīng)試驗過程中如下狀態(tài)：① 未加載時，試件處于完全健康狀態(tài);② 進行加載時，試件開始出現(xiàn)輕微損傷，裂紋明顯;③ 加載試件直到裂紋發(fā)展成嚴重損傷。各階段混凝土梁的損傷狀態(tài)如圖10所示。為進一步分析接收的信號頻率，將信號采用傅里葉變換。圖11、12為主要節(jié)點(OC1、4、7)對應(yīng)時域的頻域信號，與時域信號相比，幅度在頻域內(nèi)下降趨勢更明顯。

圖8 SA1-1傳感器在不同工況下的時域信號

圖9 SA1-2傳感器在不同工況下的時域信號

圖10 混凝土板的各個階段的狀態(tài)

圖11 SA1-1傳感器在不同工況下的頻域信號

圖12 SA1-2傳感器在不同工況下的頻域信號

4.2 小波包能量分析與損傷指數(shù)

采用小波包能量分析方法對信號能量進行計算，以量化加載過程中監(jiān)測到的信號能量。加載過程中SA1-1和SA1-2傳感器的能量水平如圖13所示。從總體上看：隨著荷載不斷增大，能量逐漸減小，尤其在OC4，試件發(fā)生脫黏裂紋，小波包能量值急劇下降。說明小波包能量具有監(jiān)測脫黏裂紋萌生的能力。脫黏裂紋發(fā)生后，能量遞減值不斷監(jiān)測脫黏裂紋的發(fā)展。同樣，為了分析預(yù)制拼裝試件的界面損傷程度，計算了SA1-1和SA1-2的小波包損傷指數(shù)，如圖14所示。根據(jù)損傷指數(shù)的定義，OC1代表試件的健康狀態(tài)?？梢钥闯觯篠A1-1和SA1-2的損傷指數(shù)值隨著荷載的增大而增大。圖14中在OC4時，荷載增至30 kN且試件界面開始出現(xiàn)微裂紋，可以發(fā)現(xiàn)每個SA的損傷指數(shù)都增大至0.6～0.8，損傷程度存在顯著增加，并且由圖13可知：在對應(yīng)的工況下，小波包能量減弱至100～200 V2。經(jīng)過損傷指數(shù)DI與小波包能量相互驗證，初步分析認為，剪切試驗的30 kN階段(OC4)發(fā)生脫黏破壞，導(dǎo)致應(yīng)力波在傳播過程中能量急劇損失。因此，OC4說明界面開始被破壞。當(dāng)荷載不斷增大，微裂紋逐漸延伸擴展直至發(fā)展為裂縫，最終裂縫寬度超過環(huán)氧樹脂膠黏劑厚度(2 mm)，稱為嚴重損傷。這種現(xiàn)象發(fā)生在OC7中，且OC7的DI值接近1，這意味著預(yù)制拼裝試件的接口處于完全脫黏狀態(tài)。OC7之后的DI值保持在1附近，結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞。這一分析結(jié)果與圖8～12的結(jié)果一致，表明壓電陶瓷波動法對預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的損傷程度監(jiān)測具有可行性。

圖13 不同工況下SA1-1和SA1-2傳感器的小波包能量

圖14 SA1-1和SA1-2傳感器在不同工況下的損傷指數(shù)

4.3 小結(jié)

基于壓電陶瓷監(jiān)測原理，整理總結(jié)試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在整個加載工況下的時域信號、頻域信號、小波包能量有相同的變化規(guī)律。在加載初期剪切微裂紋還未出現(xiàn)時，信號振幅、PSD能量、小波能量呈現(xiàn)較緩下降，當(dāng)試件出現(xiàn)剪切微裂紋時，信號振幅、PSD能量、小波能量呈現(xiàn)明顯減少。接口處于完全脫黏狀態(tài)后再繼續(xù)加載則信號基本無變化。

5 結(jié)論

提出了一種監(jiān)測預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)界面脫黏的主動監(jiān)測技術(shù)，通過采用智能骨料傳感器，針對混凝土結(jié)構(gòu)受到荷載作用而產(chǎn)生的裂縫損傷展開監(jiān)測測試，利用數(shù)據(jù)采集儀采集不同工況下的壓電傳感器所接收到的應(yīng)力波值，并進行小波包分析與時頻分析，得出損傷指數(shù)DI與時頻信號。通過分析、歸納總結(jié)不同工況下的時頻信號與損傷指數(shù)DI，得到以下結(jié)論：

(1) 壓電傳感器的應(yīng)力波時頻信號的變化規(guī)律與預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)損傷程度存在著緊密聯(lián)系。隨著損傷程度的不斷增加，時頻曲線的峰值逐漸減小。

(2) 壓電傳感器的應(yīng)力波頻域信號的峰值變化比時域信號更大，即對于預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測，頻域信號的變化更加明顯。

(3) 隨著損傷程度的不斷增加，其損傷指數(shù)DI呈現(xiàn)增大趨勢，當(dāng)發(fā)生界面破壞時，對應(yīng)的損傷指數(shù)突然增大，隨后加載過程中試件膠結(jié)界面會出現(xiàn)肉眼可見的微小裂縫；當(dāng)裂縫寬度發(fā)展超過2 mm，該損傷指數(shù)接近于1，可判定界面已完全處于脫黏狀態(tài)；當(dāng)荷載進一步增加，裂縫隨之增大，結(jié)構(gòu)完全破壞，此時損傷指數(shù)為1。

(4) 將壓電傳感器的時頻信號變化、小波包能量變化與損傷指數(shù)DI值的改變進行對比，可以很好地驗證損傷指數(shù)DI值對預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的損傷程度所做出的量化分析的準確性。當(dāng)結(jié)構(gòu)的DI值為0.6～0.8，表示結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕度損傷，此時對應(yīng)的應(yīng)力波時域信號與頻域信號出現(xiàn)明顯減弱，小波包能量值迅速減??；當(dāng)結(jié)構(gòu)破壞時，DI值為1，此時應(yīng)力波大幅減弱，能量值趨近于0。通過信號變化與能量變化能有效驗證DI值能量化預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的損傷程度。