基于压电传感技术榫卯结构损伤识别实验研究

韩 芳,陈天驰,颜 芝,熊 畅,2

(1.武汉科技大学 理学院,湖北 武汉 430081; 2.中国一冶集团有限公司,湖北 武汉 430081)

0 引言

榫卯结构是我国传统木建筑中的重要组成部分,具有构造精巧、受力合理的特点,是劳动人民智慧的结晶。榫卯结构通常由榫头和卯孔组成,具有较强的半刚性特征[1-3],其不仅可以承受荷载,而且允许产生一定程度的变形以减轻外荷载对结构的损伤。木材作为一种天然有机材料[4],在长期荷载及自然环境的影响下不可避免地会出现退化,造成榫卯节点承载力降低,出现拔榫、折榫或卯口破坏等损伤[5],进而影响结构的整体安全。因此,研究榫卯结构的力学性能,定期对其进行损伤检测和健康监测,这对保护木结构整体安全具有重要意义。

近年来,科研工作者对榫卯结构展开了系列研究。武国芳等[6]总结了不同类型榫卯节点的力学特点、传力机制、破坏形式及加固方式等,为古建筑修缮及榫卯连接节点在现代木结构建筑中的应用提供了借鉴。薛建阳等[7]提出的静动力凝聚、偏最小二乘和扩展卡尔曼滤波的混合算法能够根据结构位移和速度响应对榫卯节点刚度进行损伤识别。Jiang等[8]基于统计分析建立了一种用于评估中国传统榫头结构刚度状态的四阶段结构刚度识别方法。赵小矛等[9]基于声发射能量衰减模型提出了两点定位法对榫卯结构的破坏源进行准确定位。同时,基于压电智能材料的结构无损检测技术被广泛应用在机械工程及航空航天等领域,其中锆钛酸铅(PZT)以主动传感,响应快,成本低,易实现等优点,逐渐被应用在木材损伤识别领域。Zhang等[10]利用压电主动传感法对不同含水率的木块进行了实验研究,得到应力波能量随木材含水率变化的规律。刘孝禹等[11]进行了轴压荷载作用下木梁损伤识别的实验研究。蒙卉恩等[12]采用压电主动传感技术对不同服役年限的木构件进行损伤识别研究。目前,基于压电主动传感技术对榫卯结构的损伤识别研究相对有限,本文以指接榫和燕尾榫为例,考虑榫头松动、腐烂缺损、实验机加载破坏等损伤工况,采用压电主动传感技术和小波包能量法相结合的分析方式,对榫卯结构进行损伤识别实验研究。

1 基本原理

压电主动传感法的基本原理是在待测结构一侧粘贴压电片作为驱动器,另一侧粘贴压电片作为传感器,通过分析应力波信号的变化来评价结构的健康状态,如图1所示。

图1 基于压电传感器的主动监测法

采用小波包能量法对压电片采集的信号进行处理,以接收信号X的能量值作为评定结构损伤状态的依据,并以小波包分解后各频段信号能量的总和作为信号的能量指标,即:

X=X1+X2+…Xi+…X2n-1+X2n

(i=1,2,…,2n)

(1)

Xi=[xi,1+xi,2+…xi,j+…xi,m-1+xi,m]

(i=1,2,…,2n;j=1,2,…,m)

(2)

(3)

(4)

式中:n为小波包分解层数;Xi为分解后第i个频段信号;xi,j为第i个频段的第j个离散点幅值;Ei为信号频段Xi的能量值;E为各频段能量值之和。

2 指接榫损伤识别实验

2.1 实验材料

2.1.1 木材

榫卯结构采用黄杉,其密度为550 kg/m3, 顺纹抗压强度为45 MPa,顺纹抗拉强度为135 MPa,顺纹抗剪强度为13.5 MPa,抗弯强度为90 MPa,抗弯弹性模量为10.5 GPa,泊松比为0.35。

2.1.2 指接榫

指接榫长150 mm,宽100 mm,厚18 mm。榫头长18 mm,宽10 mm,厚18 mm。试件采用水平连接和垂直连接,如图2所示。

图2 指接榫试件

2.1.3 压电传感材料

选用直径∅15 mm、厚0.3 mm 的PZT-5型压电片,材料为锆钛酸铅,常用表征压电材料特性的参数有压电柔度矩阵、介电常数矩阵、压电应变矩阵等。各矩阵具体参数如表1所示。为了保证压电片在整个实验过程中测试性能稳定,采用直径∅25 mm、厚10 mm的不锈钢外壳对其进行封装以制作成可循环使用的压电传感器。

表1 压电传感器材料参数

2.2 实验装置

指接榫加工方便,榫头间接触面积较大,在不施加胶水的前提下依靠榫头间相互约束挤压作用来承受载荷。实验装置由多功能压电信号监测与分析系统(SCHYPZT3)、笔记本电脑和试件组成(见图3)。采用环氧树脂胶将封装后的压电传感器粘贴在试件表面固定位置处。激励采用幅值为10 V的正弦扫频信号(100～300 kHz),采样频率为1 MHz,采样时间为1 s。

图3 指接榫实验装置图

2.3 实验工况

考虑榫卯连接中常见的松动和缺损腐烂工况,分别以水平和垂直连接方式下指接榫榫头相对平移4 mm、8 mm、12 mm、16 mm来模拟不同程度的松动损伤, 如图4(a)、(b)所示。

图4 指接榫不同工况损伤示意图

以垂直连接方式下的中心榫头缺损1/4、1/2、3/4、1(完全缺损)来模拟不同程度的缺损(腐烂)损伤,如图4(c)所示。具体损伤工况如表2所示。表中,工况A1-A4为水平连接松动损伤,工况B1-B4为垂直连接松动损伤,工况C1-C4为垂直连接榫头缺损(腐烂)损伤。

表2 不同工况损伤参数设置

为保证实验精度,每组工况重复测量10次,最终结果取10次测量值的平均值。此外,为降低实验环境对信号测量的影响,榫卯试件始终被放置在工作台同一位置。

2.4 实验结果与分析

榫头松动和缺损变化过程中,压电传感器采集的应力波信号能量如图5所示。由图可见,随着损伤程度加剧,应力波信号能量逐渐减小,说明利用压电主动传感法可以有效监测损伤变化情况。为了定量描述榫头损伤变化程度,对采集的数据进行小波变换后得到能量变化柱状图如图6所示。

图5 压电传感器接收的应力波信号

图6 指接榫在不同损伤工况下的信号能量图

由图6可见,指接榫榫头松动和腐烂缺损工况的能量均随损伤程度的增加而逐渐减小。对于水平连接松动损伤(工况A),随着松动程度的增加,信号能量仅有健康工况信号能量的61%、54%、47%和38%。对于垂直连接松动损伤(工况B),随着松动程度的增加,信号能量仅有健康工况信号能量的33%、28%、18%和15%。对于垂直连接腐烂缺损损伤(工况C),随着缺损程度的增加,信号能量仅有健康工况信号能量的87%、72%、60%和48%。以上结果表明,基于压电主动传感技术可以对指接榫松动和缺损工况进行损伤识别,此规律可为榫卯结构定量损伤分析提供参考。

3 燕尾榫损伤监测实验

燕尾榫具有端部尺寸大、颈部尺寸小的特点,受到荷载作用时端部、颈部相互挤压,具有良好的抗拉拔和转动能力。燕尾榫连接是一种半刚性节点,初始处于铰接状态,在载荷作用下节点刚度不断增加,榫卯节点挤压变形加剧,榫头塑性变形不断增加,直至燕尾榫节点脱榫破坏。

3.1 实验材料

木材和压电传感材料参照第2.1节。2组燕尾榫长为150 mm,宽为100 mm,厚为18 mm,榫头长为18 mm,燕尾榫榫头倾角为83°,如图7所示。

图7 燕尾榫结构示意图

3.2 实验装置

采用万能材料实验机对燕尾榫进行竖向位移加载,燕尾榫一端由刚性夹头固定,另一端由刚性压头进行位移加载,加载点距燕尾榫连接中缝水平距离100 mm,粘贴的压电传感器距连接中缝水平距离20 mm,加载装置如图8所示。采用多功能压电信号监测与分析系统进行测试,参数设置同第2.1节。

图8 实验装置示意图

3.3 实验过程

首先进行初始健康工况的信号激发和采集,然后启动程序单调加载。采用位移控制加载模式编写加载方案:初始位移为0,加载速率为1 mm/min,加载步长为2 mm,每个加载步结束后均设置10 min的位移保持状态,以便进行重复测试。为保证实验精度,初始工况和加载工况均重复进行4次压电信号的激发和采集过程,最终结果取4次小波包能量的平均值进行统计分析,持续加载直至燕尾榫脱榫破坏(见图9)。

图9 榫头开裂

3.4 实验结果与分析

对2组燕尾榫分别进行实验,采用小波包分析计算出各加载步下所接收信号的能量值,得到信号能量随加载位移变化的关系曲线如图10所示。

图10 能量-位移加载曲线

由图10可见,2组燕尾榫的信号能量均出现先增大后减小的变化趋势,考虑是由于燕尾榫结构半刚性的特点所致。在位移加载初期,燕尾榫连接节点处于弹性工作阶段;随着位移加载的增大,木材被压紧密实,接触面积增大,传感器所接收信号的小波包能量随之增加;继续加载,相邻榫头的端部和颈部挤压变形增加,接收信号的小波包总体能量继续增加;继续加载至一定程度,伴随轻微的开裂声,榫头表面开始出现裂缝,燕尾榫连接节点处出现损伤,随后该裂缝不断加深,伴随着木纤维拉断的撕拉声,节点的损伤程度不断变大;继续加载,横贯裂缝在深度方向的扩展导致榫头端部、颈部完全分离并产生较大劈裂声,燕尾榫结构失效。完全贯通裂缝的出现导致应力波传播时能量衰弱,曲线出现下降段,小波包能量随着燕尾榫损伤程度的增加而降低。

4 结论

1) 考虑到榫头松动和缺损工况的指接榫结构,压电传感器接收到的信号能量均随损伤程度的增加而减小。采用压电主动传感技术和小波包能量法可以评估榫卯结构的损伤状态,为结构定量损伤评估提供参考。

2) 采用万能材料实验机对燕尾榫加载破坏过程进行损伤识别实验。研究表明,由于燕尾榫结构半刚性的力学特点,加载过程中榫头先压紧密实再破坏,接收到的信号能量出现先增大后减小的趋势。采用压电主动传感技术和小波包能量法可实现对燕尾榫结构服役状态的健康监测。这为相关专业研究生及工程技术人员进行无损检测提供了参考。