壓力電阻技術在混凝土壩動力損傷監測中的應用研究

楊 猛,郭林林

(水利部珠江水利委員會 珠江水利綜合技術中心,廣州 510000)

0 引 言

在水利大壩工程中,大壩主要以混凝土結構為主體,具有抗震、抗腐蝕、耐高低溫等性能,可有效保障工程安全。但在長期運營中,由于受到各種載荷的作用,對混凝土壩體結構造成嚴重的破壞。如地震作為常見的自然性災害之一,其破壞力強、危害性大,對混凝土壩體結構影響最為致命[1]。因此,在水利設施安全管理中,需要對混凝土壩體進行實時安全檢測,及時反映壩體的動力結構參數,避免壩體遭受損傷而造成嚴重的后果[2]。

目前,水利壩體安全監測技術較多,其中壓力電阻技術被廣泛應用于建筑損傷監測領域,為建筑安全提供有效的技術參考。壓力電阻技術主要通過元器件內的電阻元件壓力變形,反映外部環境監測情況,對于早期建筑結構穩定性監測具有重要的意義[3]。因此,將壓力陶瓷傳感器應用于水利大壩安全監測領域,通過壓力電阻原理,實現對大壩載荷損傷的監測,為現代水利大壩的安全評估提供有效的技術參考。

1 基于壓力電阻的混凝土壩動力損傷模型構建

1.1 壓力電阻技術研究

壓力電阻技術是以壓電材料為基礎,通過壓電材料感知能力與驅動能力來反映壓電現象。壓電現象主要是指在非對稱晶體施加電場而出現的材料機械形變現象。常見的壓電材料包括鋯鈦酸鉛、石英以及鈮酸鋰等材料[4]。壓電材料在發生壓電反應時的機械變形見圖1。

圖1 壓電材料變形示意圖

壓電技術在大壩安全領域的應用,主要是通過壓電原理實現的。對于壓電材料而言,對溫度有使用要求,當溫度超過壓電材料性能溫度時,壓電材料的非對稱晶體會轉向堆場晶體,而失去壓電效應。同時,當溫度過低時,壓電材料也會出現中心對稱性特征,使得壓電材料電荷改變,從而喪失壓電效應。在建筑安全監測領域,大部分的壓電傳感器采用陶瓷晶體壓電材料,其居里溫度范圍在150℃～350℃[5]。

壓電陶瓷材料在結構上屬于鐵電體材料,在通電時,壓電陶瓷材料會出現特有的極化行為,這種行為由分子內部產生,因此材料會出現相應的電場強度。壓電陶瓷材料在相應的極化電壓下,會出現沿電場相應方向伸長或者收縮的現象,并且這種現象是有規律的,會在材料的表面出現束縛電荷。通過束縛電荷的相互作用關系,當壓電陶瓷材料在受力發生變形時,壓電材料會對外部自由電荷進行吸收以平衡電荷關系,這種相互平衡關系便為壓電效應[6]。

陶瓷壓電材料屬于彈性材料,在響應作用力下會出現材料形變現象,這種形變滿足胡可變形規律,公式如下:

S=s×T

(1)

式中:S為應變作用力;T為應力;s為材料彈性柔度系數。

在極化處理后,壓電陶瓷材料各異性轉為同向性,并與極軸向垂直,壓電陶瓷材料的彈性柔度矩陣也將集中簡化反應力的變化。在壓電反應中,陶瓷材料的電學性質能反映出陶瓷材料的壓力變化。當電位移為L、電場強度為E時,E將沿著位移L的方向施加作用力,L將在各個面出現。此刻電位移公式如下:

L=εE

(2)

式中:ε為電常系數,反映電材料的電容大小。

當材料滿足居里溫度時,對壓電陶瓷材料作用一個極化方向的力,陶瓷壓電片便會出現形變現象。同時,陶瓷材料內部的束縛電荷間距也會隨之改變,并改變極化強度[7]。部分自由電荷會出現在材料表面,引起電荷放電現象。當作用于壓電陶瓷材料的外力取消,材料將恢復到原有不帶電的形狀,材料內部將由機械能向電能轉換,形成壓電反應。利用壓電材料的這種特殊性質,將壓電傳感器應用于水利大壩建筑體上,可以實現對水利大壩的安全監測。

1.2 混凝土壩損傷監測

混凝土壩動力損傷監測主要以陶瓷材料的壓力電阻技術為基礎,壓電陶瓷在受力情況下會發生相應的力學變形,并且這種變形符合胡克定律,具有壓電效應特征。壓電效應特征能反映出特征溫度下壓電材料在受力作用時的外部受力情況,根據壓電效應原理,可以通過壓電傳感器實現對建筑體結構損傷的有效監控[8]。為了反映出建筑體動力損傷情況,需要對壓力材料鋯鈦酸鉛的阻抗值進行測量,阻抗值的變化能反映出建筑體結構的力學變化。為了進一步分析混凝土結構的損傷情況,研究中主要采用一種推導阻抗模型,實現對混凝土壩的安全監測[9]。傳統一維阻抗模型僅適用于一維的建筑體結構監測,限制了壓力電阻技術的適用范圍。而二維阻抗模型能夠反映X與Y軸兩個方向的變形狀況,見圖2[10]。

在二維阻抗模型中,監測建筑結構與阻抗材料間的動力學關系如下[11]:

(3)

在實際應用環境中,一維模型僅考慮單一方向的伸縮力變化,計算相對更簡單,但需要對建筑體剛度系數進行考慮,增大了監測難度。而二維模型在實際應用中,需要考慮更多的電導納參數,并不利于壩體的安全監測[13]。因此,對一維模型與二維模型進行整合簡化,得到一種簡化版的二維阻抗模型,用于壩體損傷監測,在滿足《水工建筑物抗震設計規范》(DL 5073-2000)基礎上,分析混凝土壩動態應力情況。本文主要對水利工程中的6種不同高度混凝土壩進行研究,見圖3。

圖3 6種不同高度混凝土壩剖面圖

圖3中,選擇50、75、100、125、175、200m共6種高度大壩進行研究。為了有效分析壩體動力情況,采用有限元法分析大壩力學情況。研究水利大壩區域屬于無質量地基,在其上下游、豎直面向選取3倍壩高,采用附加質量形式對水庫庫水施壓。研究主要以廣東地區水利大壩為研究對象,大壩位于廣東省境內,屬于碾壓式均質混凝土壩,大壩某段高51m,上游水深47m。為了分析壓力電阻技術在地震損傷壩體監測中的有效性,利用水利安全監測系統有限元模型繪制壩體尺寸,見圖4。

圖4 碾壓式均質混凝土壩監測模型

在有限元監測模型中,大壩下游折坡段以及壩踵區域屬于壩體應力集中點,該部分最容易受到外力的作用,在壩體中屬于薄弱部位,需要加強安全監管。因此,對壩體力學性能分析需要細化。在壩基與壩體10m區間,壩體分析主要采用彈塑性損傷本構模型進行分析,按照我國水利建設規范標準,取壩體混凝土動態彈性模量的1.3倍放大系數來考慮壩體應變效率[14]。

研究區域混凝土壩地震等級為Ⅶ度,地震輸入形式為水平與豎直同時輸入,水平地震加速度峰值是豎向的3/2倍。壩體地基系統自重以及水庫靜壓力為混凝土壩分析的初始參數,動水壓分析采用單位面積附加質量進行分析。在實際研究中,大壩損傷主要來自于地震產生的橫向壓力,所受的豎向損傷可以忽略不計,即可完成對大壩動態響應的分析[15]。

2 混凝土壩動力損傷模擬實驗研究

2.1 工程概況

本文主要以廣東地區水壩工程為研究對象,廣東省處于我國東南沿海區域,背靠我國南海海域,區域多雨、濕潤,夏季雨水充沛,常年發生洪澇及地震等自然災害,對水利水壩安全有嚴重影響。由于背靠南海水域,所以廣東省內有大量的水利發電工程。根據地震響應規律與特征,通過對應用于水利壩體的混凝土加氣,可以緩解地震產生的慣性力,采用一種加氣混凝土壩對比傳統的混凝土壩。利用壓力電阻傳感器對地震下的混凝土壩進行損傷監控,從而評估壓力電阻技術在水利工程安全領域的應用效果。混凝土壩參數見圖5。

圖5 重力壩模型參數

2.2 混凝土壩損傷實驗分析

為了檢驗壓力電阻技術在混凝土壩動力損傷監測中的應用效果,采用損傷指標(Root-Mean-Square Deviation RMSD)反映大壩損傷實驗演化情況。圖6為壓電傳感器在混凝土壩兩個關鍵部位的監測結果。

圖6 壓電信號監測的損傷結果

由圖6(a)可知,壩頭位置能夠監測到不同地震強度對壩體的影響,當超載系數逐步增大,表明地震作用力逐步提升,在壩頭位置處監測的RMSD數值也逐步增大。其中,壓電傳感器1監測值最為明顯,主要因為壓電傳感器放置于裂縫早期形成位置。當超載系數為2.0時,傳感器1-1監測到最大電信號值,此刻RMSD為18.7%。

由圖6(b)可知,隨著超載系數的不斷增加,傳感器監測到的外部作用力逐步增大。由于傳感器2-1放置于裂縫最先出現的位置,傳感器反饋的壓力電信號最明顯。在超載系數為2.0時,傳感器2-1監測到的RMSD值為60.2%,與壩頭位置電信號值相比更大,表明壩踵位置受到的外部應力更大,該部位壩體損傷也會更明顯。

為了更好地檢驗壓力傳感器在大壩安全監測中的應用效果,將通過建筑體損傷體積比來反映壓電傳感器監測效果,見圖7。

圖7 大壩損傷比監測結果

圖7為兩個關鍵部位混凝土壩的體積損傷比結果。當損傷指數在0.4以內時,建筑體處于輕微損傷狀態;當損傷指數在0.4～0.8時,建筑體處于中度損傷狀態;當損傷指數高于0.8時,建筑體處于高度損傷狀態。

由圖7(a)可知,隨著損傷指數的增加,壩頭部位的損傷體積比不斷增大,表明損傷體積與損傷指數成正比關系,損傷指數越大,壩體受到外部作用力越大。同時,在壩體壩頭部位剛開始出現損傷時(損傷指數為0),壩體壩頭部位損傷會快速擴大,損傷體積比達到0.5。

由圖7(b)可知,相較于壩頭部位損傷結果,壩踵部位損傷體積比增長緩慢。由傳感器2-1與傳感器2-2監測結果來看,在損傷指數0.8時,壩踵損傷體積比增長緩慢,傳感器2-2放置于裂縫最早出現的位置,在損傷指數0.8以前,傳感器2-2部分建筑體損傷面積較大。當損傷指數高于0.8以后,兩個傳感器監測的壩踵部位建筑損傷體積比均有較大增長,表明隨著損傷程度的加重,壩踵部位建筑損傷程度擴大,對壩體安全已經造成較大的安全影響。

根據混凝土壩的損傷特性,增加一種加氣混凝土壩參與實驗對比,驗證加氣混凝土壩結構的減震效果。在相同地震超載系數下,模擬碾壓式與加氣式兩種混凝土壩水平位移情況,見圖8。

圖8 兩種混凝土壩位移結果

圖8為碾壓式混凝土壩與加氣式混凝土壩在相同地震超載系數下的位移時程曲線,其中圖8(a)與圖8(b)分別為水平位移與加速位移時的時程曲線。在位移中,正向表示水流同向位移。

由圖8(a)對兩種壩體的曲線變化趨勢進行對比可知,碾壓式混凝土壩最大水平位移出現在3.67s處,最大的位移量為60.64mm,與氣壓式混凝土壩相比,水平位移量增加0.86。

在圖8(b)中,兩種壩體曲線水平加速位移基本一致,但在相同地震作用力下,加氣式混凝土壩的水平位移相較于碾壓式混凝土壩要更小。在3.56s時,兩種壩體均取得最大水平位移,加氣式混凝土壩為8.02mm,而碾壓式混凝土壩為9.86mm。

由此可見,加氣式混凝土壩在受到地震應力作用時,整體水平位移變化更小,表明加氣式混凝土壩在相同地震應力下,能夠降低地震作用力,降低應力對壩體的破壞。

采用統一的RMSD指標反映壓電傳感器下兩種壩體動力損傷演化結果,見圖9。

圖9 兩種壩體電信號損傷統計結果

圖9為壓電傳感器在碾壓式混凝土壩與加氣式混凝土壩的動力損傷監測結果。將5組相同的壓電傳感器放置于兩種壩體相同的位置,監測兩種壩體的損傷情況。由圖9(a)可知,監測最大值出現在傳感器3-2中,最大RMSD值為60.5%。由圖9(b)可知,監測最大值出現在傳感器3-2中,最大RMSD值為65.5%。加氣式混凝土壩與碾壓式混凝土壩相比,在壩頭部位監測的RMSD信號大幅度減小,表明加氣式混凝土壩能夠降低地震對壩體的破壞,改善壩體的抗震效果。

3 結 語

為了有效監測大壩安全狀態,基于壓電技術原理,構建了基于壓電技術的混凝土壩損傷評估方法,并應用于改進的加氣式混凝土壩安全監測領域。壓電技術在碾壓式混凝土壩安全監測中,能夠準確監測出壩頭、壩踵部位的損傷情況。根據監測結果,對碾壓式壩體進行改進。在碾壓式與加氣式混凝土壩監測中,加氣式RMSD值最大為60.5%,而碾壓式最大值為65.5%,表明加氣式混凝土壩能夠降低地震的破壞。