基于压电传感器的木材轴压损伤监测

2020-10-28刘孝禹饶玉龙张继承肖家浩

压电与声光 2020年5期

刘孝禹，饶玉龙，张继承，肖家浩

(1.长江大学城市建设学院，湖北荆州 434023；2.中建八局轨道交通建设有限公司，江苏南京 210046)

0 引言

木材是木结构房屋最常见的建筑材料[1-2]。然而木结构的老化会导致木材弹性模量降低及抗压能力下降，造成承载力不足及内部损伤，导致极限承载力低于规范允许值而被破坏。因此，分析在受压荷载作用下木结构的力学性能、检测其损伤具有重要意义。

锆钛酸铅(PZT)是一种常用的压电陶瓷智能材料，其具有成本低，响应速度快，可嵌入性强，压电效应强的优点。由于PZT的带宽较宽，常用于应力波的产生和检测，基于这种压电传感技术在混凝土结构与金属结构方面[3-4]的损伤监测已有大量试验。许斌等[5]通过嵌入压电陶瓷准确识别了钢管混凝土的内部损伤程度。孙仲横等[6]使用压电陶瓷对使用碳纤维布加固钢筋混凝土梁进行损伤监测，证明了该方法能有效监测碳纤维布的剥离。在木结构损伤监测方面，Peterson等[7]和Hu等[8]通过统计学来计算出木梁前后的阵型，推导出在损伤状态下的算法和损伤指标。随后，Choi等[9]通过比较木材模态的应变来预测木材损伤状态。然而这些大部分都需外部振动激励，缺少对木结构在荷载作用下损伤的实时监测手段，因此，应用技术手段检测木结构损伤状况很重要。

本文基于压电传感器对木材在轴压和局压作用下损伤监测进行了可行性研究，在木材表面贴装压电贴片进行损伤监测，以一个压电陶瓷换能器用作致动器以产生沿木材表面传播的应力波和其他压电陶瓷换能器用作检测传播应力的传感器，当木材在极限承载力时发生脆性破坏产生裂纹损伤，对传播的应力波产生较大的衰减。基于应力波的衰减可使用小波包法来检测缺陷损坏指数，证明该方法能实时监测木材损坏的能力。

1 试验方法

1.1 压电传感器主动监测

主动监测技术是一种在待测结构上安装压电传感器，通过激励压电传感器使其产生应力波信号，同时接受通过待测区域的应力波信号，根据通过结构前后应力波信号的幅值大小及小波包能量法转换后的损伤指标来评估结构健康状态。在压力作用过程中，其中一个压电传感器作为信号发射器在木材表面产生应力波，另外一个传感器收集通过木材内部后的应力波信号。应力波信号幅度反映为电信号幅度，结构的损伤也随着信号幅度降低而逐渐增大，通过分析在不同损伤条件下传感器信号幅度的差异，实现对木材短柱内的损伤识别。图1为木材损伤监测原理图。

图1 木材损伤监测原理

本实验用的压电传感器两极由导线焊接制成，如图2所示。图3为压电传感器检测装置，其中数据采集的采样频率系统是2 MS/s，频率步进为5 000 Hz，激励信号的起始频率、终止频率、幅度和周期分别为100 Hz、500 kHz、10 V和1 s。

图2 压电传感器和数据线

图3 压电传感器检测系统

1.2 损伤诊断方法

通过小波包能量分析法提出损伤指数的概念，用于评价结构的损伤程度。以结构健康状态下的监测信号能量Eh作为基准能量值，结构在某一时刻下的监测能量为Ei，那么可定义结构在该时刻的损伤指数Di为

(1)

式中xh(n)，xi(n)分别为结构健康状态和损伤状态下传感器采集到的离散信号能量值。

由式(1)可知，Di=0～1。结构损伤程度越大，则Di值越小；Di=0时，结构处于健康状态；Di=1时，结构处于完全失效状态。因此，可通过Di值来评估结构的损伤程度。

1.3 试验设计

实验总共设计了4个试件，分别为东北落叶松和欧洲云杉加工而成的短柱，两种木材均是由木材市场直接购买常用的建筑木材，试件尺寸为100 mm×100 mm×200 mm。将每个实验木材短柱表面打磨光滑后用酒精进行清洗，待木材短柱干燥后，在表面的中间高度位置成90°粘贴一组应变片，每个面粘贴2个应变片，横向和纵向互相垂直。压电传感器通过数据线焊接制作而成，在木材短柱相对的两个表面中间位置粘贴压电传感器，粘贴完后再用AB胶将压电传感器进行封装保护。在应变片和压电传感器粘贴前、后都应进行严格的检查，确保每个应变片和传感器量程满足且无损坏。应变采集系统如图4所示。应变花和压电传感器的贴装布置示意图如图5所示。

图4 应变采集系统

图5 应变花和压电传感器贴装示意图

所制木材短柱构件采用长江大学结构实验室的万用试验机进行试验，试验加载分为4个阶段：

1) 为保证木材短柱与压力机接触良好，采用位移方式以0.5 mm/min的速度加载直至木材短柱上表面与压力机完全贴合。

2) 以每级Pu/10(Pu为极限承载力)力的方式加载至木材短柱进入弹塑性阶段。

3) 以每级Pu/20力的方式加载至荷载达到预计极限荷载的75%。

4) 以0.5 mm/min位移的方式加载至木材短柱破坏。

2 实验现象及结果分析

2.1 破坏形式

分析试验现象，将木材短柱的破坏形式(见图6)分为4种：

1) 劈裂破坏。落叶松木短柱在轴压荷载作用下发生劈裂破坏。发生开裂部位基本在木材短柱中间，裂纹从上到下贯穿木材。具体表现为当作用力刚达极限承载力时，会听到木材开裂的噼啪声，继而承载力快速下降，噼啪声逐渐增大，最后裂纹贯穿整个木材短柱，由于松木刚度大，因此,木材短柱只有前、后各一条裂纹。

2) 压缩开裂破坏。欧洲云杉在轴压荷载作用下发生压缩开裂破坏，挤压部位在短柱上半部分，整个上半部分下陷形成一层“褶子”，即一个分层线，上半部分沿木材纹理方向多处发生表面开裂，木材表面中间有几条较大清晰的裂纹。具体表现为当作用力刚到达极限承载力时，会听到木材开裂的噼啪声，继而承载力快速下降，噼啪声逐渐增大，上半部分压坏皱缩。

3) 楔形劈裂破坏。落叶松木短柱在局压荷载作用下发生楔形劈裂破坏。发生开裂部位基本在垫板中间位置，裂纹从垫板下附近位置贯穿木材底部，裂缝上面有两条斜裂纹开裂到木材顶部，形成一个楔形，放置垫板位置整体下沉，具体表现为当作用力刚到达极限承载力时，垫板开始下沉一段时间，会听到木材开裂的噼啪声，继而承载力快速下降，噼啪声逐渐增大，最后裂纹贯穿整个木材短柱，松木破坏只有前后一条大裂缝。

4) 压缩开裂破坏。欧洲云杉短柱在局压荷载作用下发生下沉开裂破坏。发生开裂部位基本在垫板周围位置，裂纹从垫板四周位置开裂到木材中部位置，紧挨垫板位置沿木材纹理方向开裂鼓曲变形较大，压缩成一个个小鼓包，放置垫板位置整体下沉，未放置垫板位置变形不大，基本上未产生裂纹，具体表现为当作用力刚达极限承载力时，垫板开始下沉一段时间，会听到木材开裂的噼啪声，继而承载力快速下降，噼啪声逐渐增大，最后裂纹贯穿整个木材短柱。

图6 木材破坏模式

2.2 压电信号分析

图7、8为木材短柱在轴压荷载作用下的传感器信号响应图形，取每隔60 kN信号值绘制。试验结果表明，杉木在340 kN木材发生压缩开裂破坏，松木在380 kN木材发生劈裂破坏。由于松木刚度较杉木大，松木破坏时，前、后两面只出现一条裂纹。对图7、8进行分析可看出，随着荷载的增大，电信号幅值逐渐减小，在初期和中期加载幅值变化不大，在木材开裂时幅值降低较快。这是由于木材是脆性破坏，在极限承载力时瞬间产生裂纹，应力波耗散较快，应力波信号变化幅值与试验破坏现象一致。

图7 杉木轴压时频信号图

图8 松木轴压时频信号图

图9、10分别为在局压状态下杉木和松木的时频信号图。杉木在240 kN发生压缩开裂破坏，松木在260 kN发生楔形劈裂破坏。当局压荷载增加时，压电传感器接收到的信号幅值减小。分析图9、10可发现，其趋势与轴压试件类似，在初期和中期加载幅值变化不大，在木材开裂时幅值降低较快。木材短柱破坏时的时频信号变化趋势基本一致，这证明了压电传感器的主动传感技术可实时监测木材的损伤。

图9 杉木局压时频信号图

图10 松木局压时频信号图

2.3 荷载与损伤指数的关系

图11为在荷载下试验木材短柱的损伤指数。以木材短柱在当前压力等级下增长的Di较60 kN压力等级下损伤指数比来判断木材短柱裂缝发展的快慢，如表1所示。随着荷载增大，Di逐渐增大，在破坏时Di≈1，说明木材已被压坏。其中Di在接近极限荷载时激增，这是由于木材发生脆性破坏后裂缝快速向下发展，使木材迅速破坏。从Di增长速度分析，松木短柱在300 kN时发生轴压脆性破坏，在240 kN时发生局压脆性破坏；杉木短柱在340 kN时发生轴压脆性破坏，在240 kN时发生局压脆性破坏。部分构件的损伤指数初期下降，可能是初期受压阶段木材被压密实，而破坏相对较小的缘故。