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工字形鋼梁廣泛應(yīng)用于鋼橋、大跨空間結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)設(shè)施中。服役過程中，在荷載與環(huán)境因素的耦合作用下，其翼緣等部位易出現(xiàn)局部損傷，進(jìn)而降低鋼結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和承載能力。

國內(nèi)外已公開報(bào)道多起工字形鋼梁局部損傷而引發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)破壞事故，故采用有效的健康監(jiān)測手段及時(shí)識(shí)別工字形鋼梁的局部損傷對保障鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全具有重要意義。

隨著智能傳感和健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，研究人員提出了多種鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部損傷檢測方法。壓電阻抗法利用壓電陶瓷片（PZT）的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號的收發(fā)，通過對信號進(jìn)行分析提取相應(yīng)的損傷指標(biāo)，再根據(jù)損傷指標(biāo)的變化即可實(shí)現(xiàn)對損傷特征的識(shí)別，具有抗干擾能力強(qiáng)、操作簡單、對早期微小損傷敏感等優(yōu)點(diǎn)，在工字形鋼梁損傷檢測中具有較大的應(yīng)用潛力。

損傷位置和損傷程度的變化均會(huì)改變壓電阻抗信號，然而，現(xiàn)有的基于壓電阻抗的工字形鋼梁局部損傷檢測方法未考慮二者的耦合作用，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)損傷的定位和定量評估。

因此，浙江工業(yè)大學(xué)聯(lián)合浙大城市學(xué)院、浙江大學(xué)的研究人員提出一種基于有效特征頻段選取的工字形鋼梁裂縫損傷定位和定量解耦分析方法。首先采用多個(gè)連續(xù)布置的壓電傳感器獲得準(zhǔn)確的損傷位置，而后利用與損傷最近的兩個(gè)傳感器接收信號特征的變化來識(shí)別損傷程度。所提方法的可靠性通過多物理場有限元仿真和試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。

 

1基于壓電阻抗技術(shù)的損傷識(shí)別方法

機(jī)電耦合模型最早由LIANG等于1994年提出，機(jī)電耦合電導(dǎo)納與壓電片的形狀和材料特性、壓電片自身的電阻抗及結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗有關(guān)。結(jié)構(gòu)在發(fā)生局部損傷時(shí)，機(jī)械阻抗發(fā)生改變，進(jìn)而改變機(jī)電耦合電導(dǎo)納，故可以其作為損傷識(shí)別的依據(jù)。

以圖1所示工字形鋼梁為例，檢測時(shí)，首先標(biāo)定壓電阻抗信號隨損傷位置和損傷程度的變化關(guān)系。在工字形鋼梁一側(cè)的翼緣板上布置間隔為d的8個(gè)PZT片，PZT1右端距離為d處設(shè)置長度為l的裂縫損傷。

圖1 工字形鋼梁上的PZT片布置示意

PZT片的布置間距應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)材料特性、幾何尺寸、激勵(lì)電壓的頻率范圍等確定，以確保能對結(jié)構(gòu)實(shí)施有效監(jiān)測。當(dāng)PZT片距離損傷越近時(shí)，對損傷的敏感性越高，取d為50 mm，設(shè)置多級損傷工況，對應(yīng)不同的裂縫長度，分別測量無損和不同損傷工況下各個(gè)PZT片的阻抗信號。

不同的損傷程度會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)納信號幅值和相位的變化，采用RMSD值衡量損傷前后導(dǎo)納信號在特定頻率區(qū)間上的差異，具體流程如圖2所示。

圖2 基于有效頻段選取的損傷識(shí)別流程圖

實(shí)際檢測過程中，假設(shè)損傷位于PZT m和PZT n之間，PZT m和PZT n的距離為L，二者與損傷的距離分別為Lm和Ln。由于損傷位置不確定，故聯(lián)合PZT m和PZT n的電導(dǎo)信號修正R2值，并代入標(biāo)定試驗(yàn)得到的距離損傷為L的壓電片的R2-l曲線中，計(jì)算損傷長度l。

R2的修正公式為：

式中：R2(m)和R2(n)分別為通過PZT m和PZT n測得的當(dāng)前損傷程度下的R2值。

 

2有限元仿真分析

采用COMSOL軟件開展多物理場有限元仿真分析，有限元模型如圖3所示。模型中工字形鋼梁長500 mm，高120 mm，寬74 mm，腰腹、上下翼緣厚度為6.5 mm。

圖3 有限元仿真模型結(jié)構(gòu)示意

在下翼緣距離右側(cè)端部50 mm處制作一條寬度為2 mm的裂縫。設(shè)置7級損傷工況，對應(yīng)的裂縫長度分別為3，5，7，9，11，13，15 mm。

布置了8個(gè)間距為50 mm的PZT片。PZT片的材料類型為PZT-5H，直徑為15 mm，厚度為0.35 mm，泊松比為0.36，密度為7500 kg/m3。工字形鋼梁的楊氏模量為200 GPa，泊松比為0.25，密度為7850 kg/m3。

采用固體力學(xué)和靜電兩個(gè)物理場來模擬壓電效應(yīng)，將1 V的電壓施加到PZT片的頂表面，PZT片的底表面接地。研究類型為頻域研究，設(shè)置頻率為1~500 kHz，獲得PZT 1~8在工況1下的導(dǎo)納曲線，如圖4所示。

圖4 PZT 1~8在工況1下的電導(dǎo)信號

由圖4可見，導(dǎo)納信號與損傷位置和損傷程度之間均存在相關(guān)性，隨著PZT片與損傷間距離的增大，電導(dǎo)呈整體減小趨勢，說明PZT片距離損傷越近，電導(dǎo)變化越敏感。

PZT 1在不同損傷工況下的接收信號如圖5所示，可見伴隨損傷加劇，電導(dǎo)幅值輕微升高，說明工字形鋼梁損傷導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)剛度降低，共振頻率輕微降低導(dǎo)致了阻抗降低。

圖5 PZT 1在不同工況下的電導(dǎo)信號

通過迭代計(jì)算，確定損傷定位的有效特征頻段[f1, f2]為356~366 kHz，此時(shí)導(dǎo)納信號與損傷距離d具有顯著的線性關(guān)系，擬合曲線如圖6所示。

圖6 頻率為356~366 kHz 時(shí)R1與d的關(guān)系曲線

確定損傷定量的有效特征頻段[f3, f4]為311~321 kHz，導(dǎo)納信號與損傷長度l之間的線性特征明顯，擬合曲線如圖7所示。

圖7 頻率為311~321 kHz時(shí)R2與l的關(guān)系曲線

 

3試驗(yàn)驗(yàn)證

01試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中試件的尺寸與損傷特征，PZT片的布置方式、尺寸、性能與有限元仿真模型中的完全一致。試驗(yàn)裝置如圖8所示，通過E4990A精密阻抗儀采集導(dǎo)納信號，掃頻范圍為1~600 kHz，激勵(lì)電壓為1 V，采樣頻率點(diǎn)數(shù)為600。導(dǎo)納測試數(shù)據(jù)由E4990A阻抗儀傳輸至電腦進(jìn)行處理分析。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度維持在20 ℃左右，試驗(yàn)原理如圖9所示。

圖8 試驗(yàn)裝置實(shí)物

圖9 試驗(yàn)原理示意

02試驗(yàn)結(jié)果分析

PZT 1在損傷工況1下的有限元仿真與實(shí)測信號如圖10所示，可見兩者具有相同的諧振和非諧振頻帶，但受到黏結(jié)強(qiáng)度等不確定性因素的影響，試驗(yàn)測得的電導(dǎo)幅值相比仿真結(jié)果整體偏小。

圖10 PZT 1在工況1下的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比

圖11為PZT 1~8在工況1下的導(dǎo)納信號，確定用于損傷定位的有效特征頻段[f1, f2]為360~370 kHz。

圖11 PZT 1~8在工況1下的電導(dǎo)信號

根據(jù)不同損傷工況下的電導(dǎo)信號計(jì)算得到的R1值與損傷位置的關(guān)系曲線如圖12所示，擬合公式為：R1= -0.1371x+6.597（x為PZT片與損傷間的距離）。

圖12 頻率為360~370 kHz時(shí)R1與d的關(guān)系曲線

圖13為PZT 4在不同損傷工況下的電導(dǎo)信號，可見在370.5~373.5 kHz的波峰位置，電導(dǎo)幅值隨損傷長度l的增加而線性上升。

圖13 PZT 4在不同工況下的電導(dǎo)信號

在有效特征頻段（380~390 kHz）中標(biāo)定PZT 1~8的R2與l的關(guān)系曲線，如圖14所示。

圖14 距離損傷200 mm時(shí)R2與l的關(guān)系曲線

03結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提方法的正確性，利用相同型號的工字形鋼梁，在與標(biāo)定試驗(yàn)不同的損傷位置處設(shè)置具有相同寬度的裂縫損傷，如圖15所示。裂縫長度從3 mm逐漸增加至15 mm，間隔值為2 mm，共包含7個(gè)損傷工況。在鋼梁上布置4個(gè)PZT片，PZT片之間的距離為100 mm。采用阻抗分析儀采集PZT 1~4在無損和7個(gè)損傷工況下的導(dǎo)納信號。

圖15 驗(yàn)證試驗(yàn)中PZT片和損傷的位置示意

利用PZT 1和PZT 2進(jìn)行損傷定位，結(jié)果如表1所示，可見不同損傷程度下，損傷定位誤差均在3%以內(nèi)。

表1 PZT 1和PZT 2的損傷定位結(jié)果

聯(lián)合PZT 2、PZT 4對損傷進(jìn)行量化評估，將表1中的定位結(jié)果代入上述的修正公式，得到修正的R2值，通過圖14中標(biāo)定試驗(yàn)得到的擬合曲線，獲得損傷程度。

損傷定量結(jié)果如表2所示，可見不同損傷程度下，損傷定量誤差均不超過5%。

表2 聯(lián)合PZT 2和PZT 4的損傷定量結(jié)果

 

4結(jié)論

以工字形鋼梁為對象開展了基于壓電阻抗技術(shù)的結(jié)構(gòu)局部損傷識(shí)別。提出了一種基于有效特征頻段選取的損傷定位和損傷定量解耦分析方法，主要結(jié)論如下：

所提出的有效特征頻段法能分離損傷位置和損傷程度對壓電阻抗信號的耦合作用。在有效特征頻段內(nèi)，壓電阻抗信號隨損傷位置和損傷程度的改變而線性變化，變化趨勢與有限元仿真結(jié)果一致。

所提出的損傷指數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)工字形鋼梁翼緣板任意位置處的裂縫損傷特征識(shí)別，損傷定位和損傷程度預(yù)測誤差分別小于3%和5%。

該研究為工字形鋼梁的損傷檢測提供了一種新的方法，具有較高的精度和可靠性，適用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。