基于智能压电传感器的节段砼界面损伤检测

彭晖， 曾清华， 张明

(长沙理工大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410114)

预制节段砼梁以其运输便利、施工速度快、环境影响小、质量可靠度高、自复位能力强等优点被广泛运用于工程结构中，其结构性能受界面强度的影响。预制节段砼梁界面一般由高强度环氧树脂胶黏结形成，结构受力时，由于界面处密度不如整体浇筑的砼致密，易产生黏结界面破坏。因此，其界面损伤检测是一个广受关注的问题。以压电陶瓷为代表的智能材料以其特有的驱动和传感功能为土木工程结构实时健康监测开拓了新思路。该文提出一种基于压电陶瓷感应应力波的主动传感方式，实现预制节段砼梁界面损伤检测和预警。

1 原理

1.1 智能压电传感器

智能压电传感器是对压电陶瓷片(PZT)进行特殊处理后，将其包裹进水泥砂浆中形成的砼砌块。由于传感器是由砂浆和细石包裹而成，其能起到与真实骨料一致的作用，可以和砼结构相结合。

1.2 压电效应

压电效应是压电材料最典型的特性，包括正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指当压电元件受到外力发生机械变形时，内部的正负电荷在电场作用下向元件的2个电极移动，其中电荷的分布密度由外力决定。在电压作用下，压电元件中的正负电荷向两极运动而使元件发生形变的现象称为逆压电效应。

压电陶瓷智能骨料是基于上述压电效应制作而成的兼具应力波发生和接收的传感装置，将智能骨料埋入砼构件中能实现构件中信号发生和采集，从而实现对结构的健康监测。

1.3 波动分析法

将至少一对压电陶瓷智能骨料黏结于被测结构表面或预先埋入构件内，对其中一块骨料施加激励电信号，在逆压电效应作用下产生应力波，应力波在被测结构中传播，另一块骨料接受信号并通过正压电效应转换成电信号输出。应力波在结构中传播的过程中，由于结构损伤出现衰减，输出的电信号出现幅值衰减、模态和相位变化，据此对结构进行健康监测和损伤评估。

1.4 基于小波包的分析

由于小波包具有时域和空域的性能，能准确分解低频和高频，采用小波包对信号进行特征分析来识别结构损伤程度。

利用小波包分析原理，通过n级小波包将监测信号S分解为等带宽的多分量信号，利用n层小波包对S进行分解和重构，得到具有2N个不同频带的子信号Si。S可表示为:

S=s1+s2+s3+…+s2N

将信号进行小波包分解后，定义最终信号各频段子信号的能量向量为:

Ei={e1,e2,e3,…,e2N}

(1)

式中：ei为各频段子信号的能量。

(2)

利用小波包对S进行分解和重构得到的能量向量的和为：

(3)

损伤指数用来确定砼结构的健康状况，评估试件的损伤面积和损伤程度。公式如下：

(4)

式中：DIk为k加载阶段结构损伤引起的能量损失；Ek，i为结构损伤状态(k加载阶段)的信号能量；E1,i为结构健康状态的信号能量。

2 试验研究

2.1 试验设计和制作

试件由3块砼构件组成，砼配合比为水∶水泥∶砂∶石子=137∶532∶695∶1 046，28 d抗压强度为55 MPa。每个试件纵向分布直径12 mm的配筋和直径为10 mm的钢箍筋，纵向配筋、配箍的保护层厚度为3 cm。将3块砼构件埋入智能骨料中，并用环氧树脂胶进行拼装。试件尺寸为60 cm×30 cm×10 cm，试件构造见图1。

图1 试件的构造(单位：cm)

2.2 试验装置及试验过程

试验装置主要由NI-USB 6366数据采集系统、带环氧树脂接头的砼试件及配套的电脑和液压千斤顶加载装置组成，其中NI-USB 6366集成了信号发生器和接收器，选用正弦波形式的监测信号进行扫描，使用NI LABVIEW软件编写数据采集系统的程序确定输入信号参数。试件加载见图2。

图2 试件加载示意图

砼养护28 d后使用环氧树脂胶进行拼装，待其强度符合标准时进行试验加载。其中压力传感器控制加载过程，监控系统用来实时监控正弦波形的信号变化。试验中每隔一段时间对传感器进行一次激励，同时对监控区域的信号进行一次采集。最后将收集的信号输入计算机进行数据处理和分析，研究构件界面破坏时监测信号的变化规律。

3 试验结果与分析

试验中对试件进行分段加载，通过压力传感器控制信号采集的间隔，即每加载一个周期完成一次激励信号的输入和采集信号的输出。

3.1 时域分析

试验过程中，每一级加载都进行一次正弦波信号扫描，响应结果见图3。由于试验中使用功率放大器，图中信号幅值较强烈。结果显示：随着试件的加载，信号幅值逐渐减小。虽然能看出信号能量随试件破坏而降低，但总体来说，时域信号对构件损伤情况显示并不明显。

图3 时域信号图

3.2 基于小波包的能量分析

为更准确地分析试件的损伤程度，计算试验各加载阶段的小波包损伤指数，同时记录砼应变的变化情况。小波包损伤指数计算结果见图4，砼应变的变化情况见图5。

图4 小波包损伤指数计算结果

图5 砼应变的变化情况

由图4、图5可知：荷载为零时，试件处于健康状态；随着荷载等级的加大，损伤指数逐渐增大。有2个明显的损伤指数变化点，试验从零开始加载，试件开始受力，导致内部应力波能量下降，砼应变出现明显变化，损伤指数也发生变化；第二次损伤指数的明显变化出现在30 kN加载阶段，此时试件黏结处出现细小裂缝。初步分析认为，荷载为30 kN时，试件内部出现破坏，发展出细小裂纹，应力波能量显著下降，损伤指数变大，砼应变急剧加大。试件继续加载，裂缝持续发展，损伤指数逐渐变大，应变也加大。加载过程中，损伤指数与砼应变情况基本吻合。荷载为70 kN时，试件出现脆性破坏，此时应力波能量不变(见图6)，同时损伤指数达到最大且保持稳定。这意味着试件黏结处剥离，结构完全破坏。说明基于小波包的能量和损伤指数分析预测破坏提前于实际破坏，正是由于这种对损伤的高敏感度，其在结构健康监测和损伤预警中具有很大的潜力。

图6 小波包能量变化情况

4 结论

基于压电陶瓷感应应力波的主动传感方式，对预制节段砼梁进行加载破坏试验，对信号数据进行时域和小波包能量分析，结论如下：

(1) 时域分析能识别出信号振幅和能量随试件加载破坏而降低，但无法准确评估试件的损伤。

(2) 基于小波包的损伤指数能准确反映在砼应变上，随着加载等级的增大，损伤指数明显变化。试件即将破坏时，小波包能量最小且趋于稳定，对试件破坏损伤的预测效果较好。

(3) 相比时域分析，基于小波包的能量分析对损伤具有更好的灵敏度，其预测破坏早于实际破坏，在结构健康监测和损伤预警方面有着不错的效果。