基于電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)例

蔣洪偉

(綏化市長(zhǎng)城建筑設(shè)計(jì)院，黑龍江綏化152000)

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是采用智能材料結(jié)構(gòu)的新概念，利用集成在結(jié)構(gòu)中的先進(jìn)傳感器或驅(qū)動(dòng)元件，在線實(shí)時(shí)地獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的信息，并結(jié)合信號(hào)信息處理方法和材料結(jié)構(gòu)力學(xué)建模方法，提取結(jié)構(gòu)損傷特征參數(shù)，識(shí)別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，并對(duì)結(jié)構(gòu)的不安全因素，在其早期就加以控制以消除安全隱患或控制安全隱患進(jìn)一步發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康自診斷、自修復(fù)，保證結(jié)構(gòu)安全和降低維修費(fèi)用［1］。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)最早從于航天領(lǐng)域提出，隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用從最早的航天領(lǐng)域擴(kuò)展到土木工程領(lǐng)域、船舶領(lǐng)域及特種裝備領(lǐng)域，包括大型化工設(shè)備、儲(chǔ)油設(shè)備、大型核電設(shè)備和海洋鉆井平臺(tái)等，其安全運(yùn)行直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

船舶上使用的結(jié)構(gòu)頭其他工程結(jié)構(gòu)一樣，也有其提高安全性的需求。本文以某船廠船舶制造過(guò)程中艏樓吊裝為例，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化對(duì)艏樓的關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)時(shí)的安全監(jiān)測(cè)，采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)分析結(jié)果，保證艏樓安全穩(wěn)定的吊裝，并對(duì)比模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片是最早應(yīng)用在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)變傳感器。工作原理是根據(jù)電阻絲的“應(yīng)變電阻效應(yīng)”，即金屬絲的電阻值和材料的性質(zhì)，電阻絲的長(zhǎng)度和截面積的線性關(guān)系。其關(guān)系式為:

式中:KS為靈敏度系數(shù)，表示電阻絲產(chǎn)生單位應(yīng)變時(shí)的電阻對(duì)應(yīng)的變化率，靈敏度越大，電阻絲反映的信號(hào)越大。ε為測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變，常用稱作微應(yīng)變的無(wú)量綱的符號(hào)表示。由此可知，由于靈敏度系數(shù)可視為常數(shù)，將金屬絲粘貼到構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時(shí)，通過(guò)電阻絲電阻的變化值就可以得到電阻絲的應(yīng)變值，同時(shí)也就知道了構(gòu)件的應(yīng)變值。這就是電阻應(yīng)變片測(cè)量構(gòu)件應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。

電阻應(yīng)變片具有技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，頻響特性好，精度高，測(cè)量范圍廣，安裝方便，易于補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。同時(shí)具有現(xiàn)場(chǎng)安裝不便，耐久性差，誤差大，抗電磁干擾能力差等缺點(diǎn)。綜合上述優(yōu)缺點(diǎn)，電阻應(yīng)變片多用于環(huán)境電磁干擾小的短暫荷載增量下的構(gòu)件應(yīng)變監(jiān)測(cè)［2－4］。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

需進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)的船舶是一艘有短艏樓的半潛式自航工程船，全船由艏段、尾段及艏樓上建總段三部分組成，各建造總段整體設(shè)計(jì)，分別進(jìn)行船臺(tái)合攏。其中艏段(主甲板以下)設(shè)兩套可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，艏樓上建總段內(nèi)布置機(jī)艙和其它機(jī)械處所，五層上建和鋁合金飛機(jī)平臺(tái)位于艏樓上部。艏艏樓上建總段與艏部總段(主甲板以下部分)并行建造，都以船臺(tái)地面為建造基準(zhǔn)進(jìn)行各自的搭載。各自搭載完成后，為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)總段的合攏，需要把艏樓上建總段提升一定的高度，再把艏部總段水平拉移至艏樓上建總段的正下方，進(jìn)行艏樓上建總段的安裝。

提升箱形梁即吊梁，共8只，左右舷各4只，采用箱形結(jié)構(gòu)，既要滿足安裝公司提升裝置的配合尺寸，又要滿足與艏樓安裝的對(duì)位要求。為了配合提升鋼絞線下錨盤，箱形梁端部采用1.4m(W)×2m(H)高的矩形截面;為了與艏樓主結(jié)構(gòu)強(qiáng)肋位對(duì)位，箱形梁與艏樓外板結(jié)合端采用變截面，箱形梁的上面板與艏樓8甲板對(duì)位，箱形梁的底板與艏樓7甲板對(duì)位，箱形梁的前后兩個(gè)側(cè)面板分別與艏樓的相鄰兩個(gè)強(qiáng)肋位對(duì)位，對(duì)位結(jié)合口處的尺寸為2.4m(W)×3.5m(H)。

艏樓上建總段與艏部總段(主甲板以下部分)并行建造，都以船臺(tái)地面為建造基準(zhǔn)進(jìn)行各自的搭載。各自搭載完成后，再實(shí)現(xiàn)兩個(gè)總段的合攏。

過(guò)程:首先，將提升艏樓上建總段的荷載穩(wěn)定增加至3 600 t，整體結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定后再繼續(xù)增加荷載，達(dá)到4 200 t時(shí)整體結(jié)構(gòu)開(kāi)始脫離地面，然后緩慢提升到預(yù)定高度。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇

在確定監(jiān)測(cè)位置之前，我們先用ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)艏樓完全吊裝起后，吊梁的受力情況進(jìn)行了模擬，通過(guò)模擬我們可以知道整個(gè)吊裝過(guò)程吊梁的最大應(yīng)力點(diǎn)，從而確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置位置和數(shù)量。計(jì)算機(jī)模擬吊梁的應(yīng)力結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖1 艏樓吊梁布置圖

圖2 計(jì)算機(jī)模擬吊梁上面受力情況示意圖

圖3 計(jì)算機(jī)模擬吊梁受力情況模型圖

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬的數(shù)值結(jié)果，優(yōu)化后的選擇1#、4#、5#、8 #吊梁布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)吊梁上對(duì)稱選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為P 1，P 2，P3和P4見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)編號(hào)與描述

圖4 吊梁測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 吊梁測(cè)點(diǎn)布置圖

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

艏樓上建總段提升的應(yīng)力監(jiān)測(cè)分為兩個(gè)階段完成:

第一階段:相關(guān)清拆工作完成后，穩(wěn)定增加提升荷載至3 600 t后，保持狀態(tài)待結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，此過(guò)程中整體結(jié)構(gòu)不離開(kāi)地面;

第二階段:提升荷載由3 600 t穩(wěn)定增加到4 200 t后，整體結(jié)構(gòu)離開(kāi)地面并提升到預(yù)定高度。

在整體結(jié)構(gòu)起吊的過(guò)程中，由于可能存在的各種因素(機(jī)械提升吊梁的不同步性、地基沉降、纜風(fēng)繩的不穩(wěn)定性等)影響，各吊梁受力狀況在提升過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)一些上下波動(dòng)。艏樓吊裝提升是在夜間進(jìn)行，艏樓上無(wú)其他施工進(jìn)行，總提升時(shí)間為6 h左右。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在提升過(guò)程中的3種荷載狀態(tài)下的應(yīng)力(主應(yīng)力)值如表2、表3、表4、表5所示。

5 結(jié)論

根據(jù)上述監(jiān)測(cè)結(jié)果，在整體提升過(guò)程各吊梁最大應(yīng)力點(diǎn):1#LP4max=89.2MPa;4#LP2max=122.05MPa;5#RP2max= 124.22MPa;8#LP4max=115.41MPa;根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可知各吊梁的最不利位置是P2、P4位置點(diǎn)。依據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的最大允許應(yīng)力180MPa，可知吊梁本身在提升過(guò)程中是安全的。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比可以看出，整體結(jié)構(gòu)在提升過(guò)程中存在一定的不同步性，4#、5#吊梁的一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比模擬值稍大;1#、8#一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比模擬值稍小。分析原因是吊梁尺寸的差異，應(yīng)變片安裝位置的差異，以及吊升過(guò)程的8個(gè)吊梁提升的不同步的原因造成的。

電阻應(yīng)變片在工程應(yīng)用的抗干擾能力較差和安裝不便的缺點(diǎn)在本次監(jiān)測(cè)中有明顯的體現(xiàn)，建議在現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)變監(jiān)測(cè)中盡量采用安裝方便、抗電磁干擾能力相對(duì)較強(qiáng)的傳感器。

［1］袁慎芳.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［2］陶寶祺，熊克，袁慎芳，等.智能材料結(jié)構(gòu)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1997.

［3］袁慎芳，陶寶祺.強(qiáng)度型損傷自診斷自適應(yīng)智能結(jié)構(gòu)［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1996，11(1):30－37.

［4］王恰親.2010上海世博會(huì)英國(guó)館結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2011.

表2 1#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果 MPa

表3 4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果 MPa

表4 5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果 MPa

表5 8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果 MPa