压力电阻技术在混凝土坝动力损伤监测中的应用研究

杨 猛,郭林林

(水利部珠江水利委员会 珠江水利综合技术中心,广州 510000)

0 引 言

在水利大坝工程中,大坝主要以混凝土结构为主体,具有抗震、抗腐蚀、耐高低温等性能,可有效保障工程安全。但在长期运营中,由于受到各种载荷的作用,对混凝土坝体结构造成严重的破坏。如地震作为常见的自然性灾害之一,其破坏力强、危害性大,对混凝土坝体结构影响最为致命[1]。因此,在水利设施安全管理中,需要对混凝土坝体进行实时安全检测,及时反映坝体的动力结构参数,避免坝体遭受损伤而造成严重的后果[2]。

目前,水利坝体安全监测技术较多,其中压力电阻技术被广泛应用于建筑损伤监测领域,为建筑安全提供有效的技术参考。压力电阻技术主要通过元器件内的电阻元件压力变形,反映外部环境监测情况,对于早期建筑结构稳定性监测具有重要的意义[3]。因此,将压力陶瓷传感器应用于水利大坝安全监测领域,通过压力电阻原理,实现对大坝载荷损伤的监测,为现代水利大坝的安全评估提供有效的技术参考。

1 基于压力电阻的混凝土坝动力损伤模型构建

1.1 压力电阻技术研究

压力电阻技术是以压电材料为基础,通过压电材料感知能力与驱动能力来反映压电现象。压电现象主要是指在非对称晶体施加电场而出现的材料机械形变现象。常见的压电材料包括锆钛酸铅、石英以及铌酸锂等材料[4]。压电材料在发生压电反应时的机械变形见图1。

图1 压电材料变形示意图

压电技术在大坝安全领域的应用,主要是通过压电原理实现的。对于压电材料而言,对温度有使用要求,当温度超过压电材料性能温度时,压电材料的非对称晶体会转向堆场晶体,而失去压电效应。同时,当温度过低时,压电材料也会出现中心对称性特征,使得压电材料电荷改变,从而丧失压电效应。在建筑安全监测领域,大部分的压电传感器采用陶瓷晶体压电材料,其居里温度范围在150℃～350℃[5]。

压电陶瓷材料在结构上属于铁电体材料,在通电时,压电陶瓷材料会出现特有的极化行为,这种行为由分子内部产生,因此材料会出现相应的电场强度。压电陶瓷材料在相应的极化电压下,会出现沿电场相应方向伸长或者收缩的现象,并且这种现象是有规律的,会在材料的表面出现束缚电荷。通过束缚电荷的相互作用关系,当压电陶瓷材料在受力发生变形时,压电材料会对外部自由电荷进行吸收以平衡电荷关系,这种相互平衡关系便为压电效应[6]。

陶瓷压电材料属于弹性材料,在响应作用力下会出现材料形变现象,这种形变满足胡可变形规律,公式如下:

S=s×T

(1)

式中:S为应变作用力;T为应力;s为材料弹性柔度系数。

在极化处理后,压电陶瓷材料各异性转为同向性,并与极轴向垂直,压电陶瓷材料的弹性柔度矩阵也将集中简化反应力的变化。在压电反应中,陶瓷材料的电学性质能反映出陶瓷材料的压力变化。当电位移为L、电场强度为E时,E将沿着位移L的方向施加作用力,L将在各个面出现。此刻电位移公式如下:

L=εE

(2)

式中:ε为电常系数,反映电材料的电容大小。

当材料满足居里温度时,对压电陶瓷材料作用一个极化方向的力,陶瓷压电片便会出现形变现象。同时,陶瓷材料内部的束缚电荷间距也会随之改变,并改变极化强度[7]。部分自由电荷会出现在材料表面,引起电荷放电现象。当作用于压电陶瓷材料的外力取消,材料将恢复到原有不带电的形状,材料内部将由机械能向电能转换,形成压电反应。利用压电材料的这种特殊性质,将压电传感器应用于水利大坝建筑体上,可以实现对水利大坝的安全监测。

1.2 混凝土坝损伤监测

混凝土坝动力损伤监测主要以陶瓷材料的压力电阻技术为基础,压电陶瓷在受力情况下会发生相应的力学变形,并且这种变形符合胡克定律,具有压电效应特征。压电效应特征能反映出特征温度下压电材料在受力作用时的外部受力情况,根据压电效应原理,可以通过压电传感器实现对建筑体结构损伤的有效监控[8]。为了反映出建筑体动力损伤情况,需要对压力材料锆钛酸铅的阻抗值进行测量,阻抗值的变化能反映出建筑体结构的力学变化。为了进一步分析混凝土结构的损伤情况,研究中主要采用一种推导阻抗模型,实现对混凝土坝的安全监测[9]。传统一维阻抗模型仅适用于一维的建筑体结构监测,限制了压力电阻技术的适用范围。而二维阻抗模型能够反映X与Y轴两个方向的变形状况,见图2[10]。

在二维阻抗模型中,监测建筑结构与阻抗材料间的动力学关系如下[11]:

(3)

在实际应用环境中,一维模型仅考虑单一方向的伸缩力变化,计算相对更简单,但需要对建筑体刚度系数进行考虑,增大了监测难度。而二维模型在实际应用中,需要考虑更多的电导纳参数,并不利于坝体的安全监测[13]。因此,对一维模型与二维模型进行整合简化,得到一种简化版的二维阻抗模型,用于坝体损伤监测,在满足《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073-2000)基础上,分析混凝土坝动态应力情况。本文主要对水利工程中的6种不同高度混凝土坝进行研究,见图3。

图3 6种不同高度混凝土坝剖面图

图3中,选择50、75、100、125、175、200m共6种高度大坝进行研究。为了有效分析坝体动力情况,采用有限元法分析大坝力学情况。研究水利大坝区域属于无质量地基,在其上下游、竖直面向选取3倍坝高,采用附加质量形式对水库库水施压。研究主要以广东地区水利大坝为研究对象,大坝位于广东省境内,属于碾压式均质混凝土坝,大坝某段高51m,上游水深47m。为了分析压力电阻技术在地震损伤坝体监测中的有效性,利用水利安全监测系统有限元模型绘制坝体尺寸,见图4。

图4 碾压式均质混凝土坝监测模型

在有限元监测模型中,大坝下游折坡段以及坝踵区域属于坝体应力集中点,该部分最容易受到外力的作用,在坝体中属于薄弱部位,需要加强安全监管。因此,对坝体力学性能分析需要细化。在坝基与坝体10m区间,坝体分析主要采用弹塑性损伤本构模型进行分析,按照我国水利建设规范标准,取坝体混凝土动态弹性模量的1.3倍放大系数来考虑坝体应变效率[14]。

研究区域混凝土坝地震等级为Ⅶ度,地震输入形式为水平与竖直同时输入,水平地震加速度峰值是竖向的3/2倍。坝体地基系统自重以及水库静压力为混凝土坝分析的初始参数,动水压分析采用单位面积附加质量进行分析。在实际研究中,大坝损伤主要来自于地震产生的横向压力,所受的竖向损伤可以忽略不计,即可完成对大坝动态响应的分析[15]。

2 混凝土坝动力损伤模拟实验研究

2.1 工程概况

本文主要以广东地区水坝工程为研究对象,广东省处于我国东南沿海区域,背靠我国南海海域,区域多雨、湿润,夏季雨水充沛,常年发生洪涝及地震等自然灾害,对水利水坝安全有严重影响。由于背靠南海水域,所以广东省内有大量的水利发电工程。根据地震响应规律与特征,通过对应用于水利坝体的混凝土加气,可以缓解地震产生的惯性力,采用一种加气混凝土坝对比传统的混凝土坝。利用压力电阻传感器对地震下的混凝土坝进行损伤监控,从而评估压力电阻技术在水利工程安全领域的应用效果。混凝土坝参数见图5。

图5 重力坝模型参数

2.2 混凝土坝损伤实验分析

为了检验压力电阻技术在混凝土坝动力损伤监测中的应用效果,采用损伤指标(Root-Mean-Square Deviation RMSD)反映大坝损伤实验演化情况。图6为压电传感器在混凝土坝两个关键部位的监测结果。

图6 压电信号监测的损伤结果

由图6(a)可知,坝头位置能够监测到不同地震强度对坝体的影响,当超载系数逐步增大,表明地震作用力逐步提升,在坝头位置处监测的RMSD数值也逐步增大。其中,压电传感器1监测值最为明显,主要因为压电传感器放置于裂缝早期形成位置。当超载系数为2.0时,传感器1-1监测到最大电信号值,此刻RMSD为18.7%。

由图6(b)可知,随着超载系数的不断增加,传感器监测到的外部作用力逐步增大。由于传感器2-1放置于裂缝最先出现的位置,传感器反馈的压力电信号最明显。在超载系数为2.0时,传感器2-1监测到的RMSD值为60.2%,与坝头位置电信号值相比更大,表明坝踵位置受到的外部应力更大,该部位坝体损伤也会更明显。

为了更好地检验压力传感器在大坝安全监测中的应用效果,将通过建筑体损伤体积比来反映压电传感器监测效果,见图7。

图7 大坝损伤比监测结果

图7为两个关键部位混凝土坝的体积损伤比结果。当损伤指数在0.4以内时,建筑体处于轻微损伤状态;当损伤指数在0.4～0.8时,建筑体处于中度损伤状态;当损伤指数高于0.8时,建筑体处于高度损伤状态。

由图7(a)可知,随着损伤指数的增加,坝头部位的损伤体积比不断增大,表明损伤体积与损伤指数成正比关系,损伤指数越大,坝体受到外部作用力越大。同时,在坝体坝头部位刚开始出现损伤时(损伤指数为0),坝体坝头部位损伤会快速扩大,损伤体积比达到0.5。

由图7(b)可知,相较于坝头部位损伤结果,坝踵部位损伤体积比增长缓慢。由传感器2-1与传感器2-2监测结果来看,在损伤指数0.8时,坝踵损伤体积比增长缓慢,传感器2-2放置于裂缝最早出现的位置,在损伤指数0.8以前,传感器2-2部分建筑体损伤面积较大。当损伤指数高于0.8以后,两个传感器监测的坝踵部位建筑损伤体积比均有较大增长,表明随着损伤程度的加重,坝踵部位建筑损伤程度扩大,对坝体安全已经造成较大的安全影响。

根据混凝土坝的损伤特性,增加一种加气混凝土坝参与实验对比,验证加气混凝土坝结构的减震效果。在相同地震超载系数下,模拟碾压式与加气式两种混凝土坝水平位移情况,见图8。

图8 两种混凝土坝位移结果

图8为碾压式混凝土坝与加气式混凝土坝在相同地震超载系数下的位移时程曲线,其中图8(a)与图8(b)分别为水平位移与加速位移时的时程曲线。在位移中,正向表示水流同向位移。

由图8(a)对两种坝体的曲线变化趋势进行对比可知,碾压式混凝土坝最大水平位移出现在3.67s处,最大的位移量为60.64mm,与气压式混凝土坝相比,水平位移量增加0.86。

在图8(b)中,两种坝体曲线水平加速位移基本一致,但在相同地震作用力下,加气式混凝土坝的水平位移相较于碾压式混凝土坝要更小。在3.56s时,两种坝体均取得最大水平位移,加气式混凝土坝为8.02mm,而碾压式混凝土坝为9.86mm。

由此可见,加气式混凝土坝在受到地震应力作用时,整体水平位移变化更小,表明加气式混凝土坝在相同地震应力下,能够降低地震作用力,降低应力对坝体的破坏。

采用统一的RMSD指标反映压电传感器下两种坝体动力损伤演化结果,见图9。

图9 两种坝体电信号损伤统计结果

图9为压电传感器在碾压式混凝土坝与加气式混凝土坝的动力损伤监测结果。将5组相同的压电传感器放置于两种坝体相同的位置,监测两种坝体的损伤情况。由图9(a)可知,监测最大值出现在传感器3-2中,最大RMSD值为60.5%。由图9(b)可知,监测最大值出现在传感器3-2中,最大RMSD值为65.5%。加气式混凝土坝与碾压式混凝土坝相比,在坝头部位监测的RMSD信号大幅度减小,表明加气式混凝土坝能够降低地震对坝体的破坏,改善坝体的抗震效果。

3 结 语

为了有效监测大坝安全状态,基于压电技术原理,构建了基于压电技术的混凝土坝损伤评估方法,并应用于改进的加气式混凝土坝安全监测领域。压电技术在碾压式混凝土坝安全监测中,能够准确监测出坝头、坝踵部位的损伤情况。根据监测结果,对碾压式坝体进行改进。在碾压式与加气式混凝土坝监测中,加气式RMSD值最大为60.5%,而碾压式最大值为65.5%,表明加气式混凝土坝能够降低地震的破坏。