基于壓電傳感技術(shù)榫卯結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)研究

韓 芳,陳天馳,顏 芝,熊 暢,2

(1.武漢科技大學(xué) 理學(xué)院,湖北 武漢 430081; 2.中國(guó)一冶集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430081)

0 引言

榫卯結(jié)構(gòu)是我國(guó)傳統(tǒng)木建筑中的重要組成部分,具有構(gòu)造精巧、受力合理的特點(diǎn),是勞動(dòng)人民智慧的結(jié)晶。榫卯結(jié)構(gòu)通常由榫頭和卯孔組成,具有較強(qiáng)的半剛性特征[1-3],其不僅可以承受荷載,而且允許產(chǎn)生一定程度的變形以減輕外荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷。木材作為一種天然有機(jī)材料[4],在長(zhǎng)期荷載及自然環(huán)境的影響下不可避免地會(huì)出現(xiàn)退化,造成榫卯節(jié)點(diǎn)承載力降低,出現(xiàn)拔榫、折榫或卯口破壞等損傷[5],進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的整體安全。因此,研究榫卯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,定期對(duì)其進(jìn)行損傷檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè),這對(duì)保護(hù)木結(jié)構(gòu)整體安全具有重要意義。

近年來(lái),科研工作者對(duì)榫卯結(jié)構(gòu)展開了系列研究。武國(guó)芳等[6]總結(jié)了不同類型榫卯節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特點(diǎn)、傳力機(jī)制、破壞形式及加固方式等,為古建筑修繕及榫卯連接節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用提供了借鑒。薛建陽(yáng)等[7]提出的靜動(dòng)力凝聚、偏最小二乘和擴(kuò)展卡爾曼濾波的混合算法能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)位移和速度響應(yīng)對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)剛度進(jìn)行損傷識(shí)別。Jiang等[8]基于統(tǒng)計(jì)分析建立了一種用于評(píng)估中國(guó)傳統(tǒng)榫頭結(jié)構(gòu)剛度狀態(tài)的四階段結(jié)構(gòu)剛度識(shí)別方法。趙小矛等[9]基于聲發(fā)射能量衰減模型提出了兩點(diǎn)定位法對(duì)榫卯結(jié)構(gòu)的破壞源進(jìn)行準(zhǔn)確定位。同時(shí),基于壓電智能材料的結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械工程及航空航天等領(lǐng)域,其中鋯鈦酸鉛(PZT)以主動(dòng)傳感,響應(yīng)快,成本低,易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),逐漸被應(yīng)用在木材損傷識(shí)別領(lǐng)域。Zhang等[10]利用壓電主動(dòng)傳感法對(duì)不同含水率的木塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到應(yīng)力波能量隨木材含水率變化的規(guī)律。劉孝禹等[11]進(jìn)行了軸壓荷載作用下木梁損傷識(shí)別的實(shí)驗(yàn)研究。蒙卉恩等[12]采用壓電主動(dòng)傳感技術(shù)對(duì)不同服役年限的木構(gòu)件進(jìn)行損傷識(shí)別研究。目前,基于壓電主動(dòng)傳感技術(shù)對(duì)榫卯結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別研究相對(duì)有限,本文以指接榫和燕尾榫為例,考慮榫頭松動(dòng)、腐爛缺損、實(shí)驗(yàn)機(jī)加載破壞等損傷工況,采用壓電主動(dòng)傳感技術(shù)和小波包能量法相結(jié)合的分析方式,對(duì)榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)研究。

1 基本原理

壓電主動(dòng)傳感法的基本原理是在待測(cè)結(jié)構(gòu)一側(cè)粘貼壓電片作為驅(qū)動(dòng)器,另一側(cè)粘貼壓電片作為傳感器,通過(guò)分析應(yīng)力波信號(hào)的變化來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài),如圖1所示。

圖1 基于壓電傳感器的主動(dòng)監(jiān)測(cè)法

采用小波包能量法對(duì)壓電片采集的信號(hào)進(jìn)行處理,以接收信號(hào)X的能量值作為評(píng)定結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的依據(jù),并以小波包分解后各頻段信號(hào)能量的總和作為信號(hào)的能量指標(biāo),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為小波包分解層數(shù);Xi為分解后第i個(gè)頻段信號(hào);xi,j為第i個(gè)頻段的第j個(gè)離散點(diǎn)幅值;Ei為信號(hào)頻段Xi的能量值;E為各頻段能量值之和。

2 指接榫損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1 木材

榫卯結(jié)構(gòu)采用黃杉,其密度為550 kg/m3, 順紋抗壓強(qiáng)度為45 MPa,順紋抗拉強(qiáng)度為135 MPa,順紋抗剪強(qiáng)度為13.5 MPa,抗彎強(qiáng)度為90 MPa,抗彎彈性模量為10.5 GPa,泊松比為0.35。

2.1.2 指接榫

指接榫長(zhǎng)150 mm,寬100 mm,厚18 mm。榫頭長(zhǎng)18 mm,寬10 mm,厚18 mm。試件采用水平連接和垂直連接,如圖2所示。

圖2 指接榫試件

2.1.3 壓電傳感材料

選用直徑?15 mm、厚0.3 mm 的PZT-5型壓電片,材料為鋯鈦酸鉛,常用表征壓電材料特性的參數(shù)有壓電柔度矩陣、介電常數(shù)矩陣、壓電應(yīng)變矩陣等。各矩陣具體參數(shù)如表1所示。為了保證壓電片在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試性能穩(wěn)定,采用直徑?25 mm、厚10 mm的不銹鋼外殼對(duì)其進(jìn)行封裝以制作成可循環(huán)使用的壓電傳感器。

表1 壓電傳感器材料參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

指接榫加工方便,榫頭間接觸面積較大,在不施加膠水的前提下依靠榫頭間相互約束擠壓作用來(lái)承受載荷。實(shí)驗(yàn)裝置由多功能壓電信號(hào)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)(SCHYPZT3)、筆記本電腦和試件組成(見(jiàn)圖3)。采用環(huán)氧樹脂膠將封裝后的壓電傳感器粘貼在試件表面固定位置處。激勵(lì)采用幅值為10 V的正弦掃頻信號(hào)(100～300 kHz),采樣頻率為1 MHz,采樣時(shí)間為1 s。

圖3 指接榫實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

考慮榫卯連接中常見(jiàn)的松動(dòng)和缺損腐爛工況,分別以水平和垂直連接方式下指接榫榫頭相對(duì)平移4 mm、8 mm、12 mm、16 mm來(lái)模擬不同程度的松動(dòng)損傷, 如圖4(a)、(b)所示。

圖4 指接榫不同工況損傷示意圖

以垂直連接方式下的中心榫頭缺損1/4、1/2、3/4、1(完全缺損)來(lái)模擬不同程度的缺損(腐爛)損傷,如圖4(c)所示。具體損傷工況如表2所示。表中,工況A1-A4為水平連接松動(dòng)損傷,工況B1-B4為垂直連接松動(dòng)損傷,工況C1-C4為垂直連接榫頭缺損(腐爛)損傷。

表2 不同工況損傷參數(shù)設(shè)置

為保證實(shí)驗(yàn)精度,每組工況重復(fù)測(cè)量10次,最終結(jié)果取10次測(cè)量值的平均值。此外,為降低實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)信號(hào)測(cè)量的影響,榫卯試件始終被放置在工作臺(tái)同一位置。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

榫頭松動(dòng)和缺損變化過(guò)程中,壓電傳感器采集的應(yīng)力波信號(hào)能量如圖5所示。由圖可見(jiàn),隨著損傷程度加劇,應(yīng)力波信號(hào)能量逐漸減小,說(shuō)明利用壓電主動(dòng)傳感法可以有效監(jiān)測(cè)損傷變化情況。為了定量描述榫頭損傷變化程度,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換后得到能量變化柱狀圖如圖6所示。

圖5 壓電傳感器接收的應(yīng)力波信號(hào)

圖6 指接榫在不同損傷工況下的信號(hào)能量圖

由圖6可見(jiàn),指接榫榫頭松動(dòng)和腐爛缺損工況的能量均隨損傷程度的增加而逐漸減小。對(duì)于水平連接松動(dòng)損傷(工況A),隨著松動(dòng)程度的增加,信號(hào)能量?jī)H有健康工況信號(hào)能量的61%、54%、47%和38%。對(duì)于垂直連接松動(dòng)損傷(工況B),隨著松動(dòng)程度的增加,信號(hào)能量?jī)H有健康工況信號(hào)能量的33%、28%、18%和15%。對(duì)于垂直連接腐爛缺損損傷(工況C),隨著缺損程度的增加,信號(hào)能量?jī)H有健康工況信號(hào)能量的87%、72%、60%和48%。以上結(jié)果表明,基于壓電主動(dòng)傳感技術(shù)可以對(duì)指接榫松動(dòng)和缺損工況進(jìn)行損傷識(shí)別,此規(guī)律可為榫卯結(jié)構(gòu)定量損傷分析提供參考。

3 燕尾榫損傷監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

燕尾榫具有端部尺寸大、頸部尺寸小的特點(diǎn),受到荷載作用時(shí)端部、頸部相互擠壓,具有良好的抗拉拔和轉(zhuǎn)動(dòng)能力。燕尾榫連接是一種半剛性節(jié)點(diǎn),初始處于鉸接狀態(tài),在載荷作用下節(jié)點(diǎn)剛度不斷增加,榫卯節(jié)點(diǎn)擠壓變形加劇,榫頭塑性變形不斷增加,直至燕尾榫節(jié)點(diǎn)脫榫破壞。

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

木材和壓電傳感材料參照第2.1節(jié)。2組燕尾榫長(zhǎng)為150 mm,寬為100 mm,厚為18 mm,榫頭長(zhǎng)為18 mm,燕尾榫榫頭傾角為83°,如圖7所示。

圖7 燕尾榫結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)燕尾榫進(jìn)行豎向位移加載,燕尾榫一端由剛性?shī)A頭固定,另一端由剛性壓頭進(jìn)行位移加載,加載點(diǎn)距燕尾榫連接中縫水平距離100 mm,粘貼的壓電傳感器距連接中縫水平距離20 mm,加載裝置如圖8所示。采用多功能壓電信號(hào)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,參數(shù)設(shè)置同第2.1節(jié)。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先進(jìn)行初始健康工況的信號(hào)激發(fā)和采集,然后啟動(dòng)程序單調(diào)加載。采用位移控制加載模式編寫加載方案:初始位移為0,加載速率為1 mm/min,加載步長(zhǎng)為2 mm,每個(gè)加載步結(jié)束后均設(shè)置10 min的位移保持狀態(tài),以便進(jìn)行重復(fù)測(cè)試。為保證實(shí)驗(yàn)精度,初始工況和加載工況均重復(fù)進(jìn)行4次壓電信號(hào)的激發(fā)和采集過(guò)程,最終結(jié)果取4次小波包能量的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,持續(xù)加載直至燕尾榫脫榫破壞(見(jiàn)圖9)。

圖9 榫頭開裂

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)2組燕尾榫分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn),采用小波包分析計(jì)算出各加載步下所接收信號(hào)的能量值,得到信號(hào)能量隨加載位移變化的關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 能量-位移加載曲線

由圖10可見(jiàn),2組燕尾榫的信號(hào)能量均出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì),考慮是由于燕尾榫結(jié)構(gòu)半剛性的特點(diǎn)所致。在位移加載初期,燕尾榫連接節(jié)點(diǎn)處于彈性工作階段;隨著位移加載的增大,木材被壓緊密實(shí),接觸面積增大,傳感器所接收信號(hào)的小波包能量隨之增加;繼續(xù)加載,相鄰榫頭的端部和頸部擠壓變形增加,接收信號(hào)的小波包總體能量繼續(xù)增加;繼續(xù)加載至一定程度,伴隨輕微的開裂聲,榫頭表面開始出現(xiàn)裂縫,燕尾榫連接節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)損傷,隨后該裂縫不斷加深,伴隨著木纖維拉斷的撕拉聲,節(jié)點(diǎn)的損傷程度不斷變大;繼續(xù)加載,橫貫裂縫在深度方向的擴(kuò)展導(dǎo)致榫頭端部、頸部完全分離并產(chǎn)生較大劈裂聲,燕尾榫結(jié)構(gòu)失效。完全貫通裂縫的出現(xiàn)導(dǎo)致應(yīng)力波傳播時(shí)能量衰弱,曲線出現(xiàn)下降段,小波包能量隨著燕尾榫損傷程度的增加而降低。

4 結(jié)論

1) 考慮到榫頭松動(dòng)和缺損工況的指接榫結(jié)構(gòu),壓電傳感器接收到的信號(hào)能量均隨損傷程度的增加而減小。采用壓電主動(dòng)傳感技術(shù)和小波包能量法可以評(píng)估榫卯結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài),為結(jié)構(gòu)定量損傷評(píng)估提供參考。

2) 采用萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)燕尾榫加載破壞過(guò)程進(jìn)行損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)。研究表明,由于燕尾榫結(jié)構(gòu)半剛性的力學(xué)特點(diǎn),加載過(guò)程中榫頭先壓緊密實(shí)再破壞,接收到的信號(hào)能量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。采用壓電主動(dòng)傳感技術(shù)和小波包能量法可實(shí)現(xiàn)對(duì)燕尾榫結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的健康監(jiān)測(cè)。這為相關(guān)專業(yè)研究生及工程技術(shù)人員進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)提供了參考。