基于小波包能量法的扣件式模板支撐架節點連接狀態監測方法

任師訓,葉德英,徐 菁,*,劉 客,姜世宇

(1.青島理工大學 土木工程學院,青島 266525;2.萊州市城鄉建設事務服務中心,萊州 261400)

腳手架是用于建造房屋、橋梁和其他結構的臨時支撐結構。扣件式腳手架以承載力大、裝拆方便等優點得到了廣泛的應用[1-2]。但過載、幾何缺陷、連接松動、安裝不當等因素都有可能導致腳手架的倒塌,對生命財產安全造成威脅。節點的連接松動是導致腳手架失效的重要因素。在搭設腳手架時,即使螺栓擰緊,在使用過程中,也會因震動等因素造成螺栓松動導致節點的連接松動,進而導致結構特性以及屈曲參數發生變化[3]。所以針對腳手架節點連接松動的監測研究具有一定的意義。

目前,對腳手架的安全研究大多在材料性能和力學性能方面,傳統的腳手架監測大多依靠人工來完成,不僅效率低,勞動強度大,而且準確性和檢測人員的經驗相關[4]。近年來,壓電陶瓷材料[5]因具有靈敏度高、響應快、可靠性好且集傳感和驅動于一體等優點,在健康監測[6]與損傷識別[7-8]領域得到了廣泛的應用。陳冬冬[9]基于壓電材料實現了對螺栓預緊力松動的監測;梁亞斌[10]完成了對大跨度斜拉橋銷鉸式索梁連接錨固區域中銷栓-銷孔的受力監測研究;李鯤等基于PZT提出了敲擊定位法實現了對管道裂紋位置的檢測[11]。

針對扣件式腳手架節點連接松動問題,結合壓電傳感技術,提出了基于小波包能量法的節點連接狀態的監測方法[12],并對施工現場獲得的一個正常使用的鋼管腳手架直角扣件節點進行了試驗驗證。試驗結果證明了該方法可以有效地監測到節點的不同狀態。對于避免因節點的狀態變化而導致的腳手架倒塌造成的工程事故具有一定的意義。

1 小波包分析法基本原理

小波包分析能夠為信號提供一種更為精細的分析方法,將頻帶進行多層次劃分,對多分辨率分析沒有細分的高頻信號部分進一步分解,并能夠根據信號的特征,選擇相應的頻帶,使之與信號譜更匹配,從而提高時頻分辨率,因此,小波包具有更高的應用價值。

圖1為小波包對信號進行3層分解的示意,其中,S表示信號,A表示低頻段,D表示高頻段,右下標的數字表示小波包分解的層次(即尺度數),分解前后的關系如式(1)所示:

圖1 小波包分析信號分解示意

S=AAA3+DAA3+ADA3+DDA3+AAD3+DAD3+ADD3+DDD3

(1)

若對信號S分解的尺度數為n,分解后可以生成2n個寬度相等的信號頻段。分解后的信號S等于這2n個頻段的信號之和,即

S=T1+T2+…+Ti+…+T2n-1+T2n,(i=1,2,…,2n)

(2)

式中:Ti為第n層第i個頻段的信號。

Ti=[ti,1ti,2…ti,j…ti,m-1ti,m],(j=1,2,…,m)

(3)

式中:ti,j為第i個信號頻段Ti中第j個離散點的信號幅值;m為一個頻段中離散點的個數。

第i個信號頻段Ti的能量值Ei可以表示為

(4)

信號S轉化的總能量值可以表示為

(5)

經式(4)(5)計算,把接收到的抽象信號轉換為可以量化的小波包能量值,使損傷對比變得更加可視化。

扣件節點處于不同的松緊狀態時,應力波信號在經過節點時的損失不同,感應器接收到的信號也不同,所以根據信號計算所得到的能量值也不同。通過比較不同工況下計算得出的能量值與扣件結構健康狀態下的能量值,即可判斷扣件節點的連接狀態是否發生變化。均方根差(Root-Mean-Square Deviation,RMSD)表示的是測得數據與基準數據的差異程度,為了直觀地比較節點所處狀態與健康狀態,引入均方根差作為判斷的指標,此處稱為松動指數I,其數學表達式為

(6)

式中:Ehi為扣件節點在健康狀態下采集到的應力波信號經小波包分解后根據式(4)計算得出的第i個頻段的能量值;Ei為不同工況下測得的第i個頻段的能量值;2n為信號經過n層小波包分解后得到的頻段數。

松動指數I以健康狀態下測得的能量值作為基準值,不同工況下測得的能量值作為觀測值,I值的大小直接反映了不同狀態下的節點松動程度。

2 支撐架節點連接狀態

2.1 扣件節點的組成

扣件式模板支撐架的節點是由2根垂直鋼管和扣件組成的半剛性節點。直角扣件節點主要由底座、T型螺栓、蓋板、墊片、螺母5個部分組成。其中蓋板和底座包裹住鋼管,通過旋擰螺栓使底座與鋼管的接觸更緊密。旋擰的力越大底座內表面與鋼管的接觸面積就越大。擰緊螺栓后,扣件和鋼管緊密連接。

2.2 基本理論

由微接觸理論[13]可知,如果在微觀尺度上觀察,所有的加工構件表面都是粗糙的,表面之間的接觸僅限于表面尖端的離散區域。兩個平坦的表面,但不是絕對光滑(或非黏結)的表面之間的接觸也同樣如此。除非是黏接的,否則所有的表面接觸在其接觸的界面上也只有部分的接觸。通過旋擰緊固螺栓可以看作是施加接觸壓力。在這些接觸的界面上實際的接觸面積要比標稱的接觸面積要小。實際的接觸面積隨著接觸壓力的變大而變大。即實際的接觸面積變化與接觸壓力的變化成正相關,也就是與旋擰螺栓的預緊力成正相關。所以通過控制旋擰螺栓預緊力的大小可以控制節點處接觸面積的大小。

由應力波的傳播理論[14]可知,當應力波信號從驅動器PZT片發射經過結構傳播,最后被感應器接收的過程中,應力波信號在結構和接觸面上傳播時會產生一定的消耗,最后剩余部分應力波信號被感應器PZT片接收。對同一結構監測時,應力波信號在結構內部傳播的信號損失相同。而扣件節點連接處的接觸面積A由于螺栓的松緊狀態不同為一變量,接觸面積A越大,應力波信號在穿過接觸面時消耗的應力波越少,感應器PZT最終采集到的應力波信號就越多。因此,感應器PZT片接收到的應力波信號的多少與扣件節點中的扣件和鋼管的接觸面積的大小呈正相關。

圖2為應力波信號從驅動器發射到感應器接收在結構中的傳遞路線。通過計算機對驅動器PZT1施加一個電壓激勵信號,在激勵信號作用下PZT1產生的應力波信號在結構中傳遞,最后由感應器PZT2接收。

圖2 應力波信號在直角扣件節點的傳播示意

綜上,當模板支撐架連接節點螺栓預緊力越大時,節點連接的接觸面之間的接觸壓力越大,由微接觸理論可知,此時扣件節點中的扣件和鋼管兩接觸面的接觸面積就越大,即節點連接越緊;另一方面,由應力波傳播理論可知,當接觸面積越大時,通過接觸面的應力波損失的就越少,所以感應器PZT片接收到的應力波信號也越強,因此,可以根據感應器PZT片測得應力波信號的變化來表征扣件和鋼管之間接觸面積的變化,進而表示扣件節點的連接狀態。即根據不同節點連接松緊狀態下的小波包能量值E,計算節點松動指數I,進而間接感知連接節點所處的連接狀態。為后續基于小波包能量法的模型試驗提供理論基礎。

3 模型試驗

3.1 試驗簡介

如圖3所示,試驗模型是一個由直角扣件連接2根垂直鋼管組成的節點。鋼管采用Q235型鋼,規格φ48.3 mm×3.6 mm,長1500 mm。直角扣件材料為鑄鐵,質量為1.1 kg,T型螺栓采用M12型,均滿足規范要求。試驗儀器主要有筆記本電腦、數據采集設備、壓電陶瓷傳感器(PZT)以及扭矩扳手。筆記本電腦通過LabVIEW軟件控制數據采集設備對驅動器發射激勵信號和對感應器接收到的信號進行讀取。數據采集設備工作電壓為-10～10 V,具有信號的發射和讀取的功能。PZT-5型壓電陶瓷片具有介電常數和機電耦合系數穩定性好,靈敏度高的特點,尺寸為20 mm×10 mm×1 mm,其主要參數如表1所示。用環氧樹脂膠把PZT片固定在結構上,PZT1和PZT2分別貼在1號、2號鋼管距扣件節點50 mm處,如圖4所示。

表1 PZT-5性能參數

圖3 試驗模型

圖4 PZT片的粘貼位置示意

將施加在螺栓上的不同扭矩作為不同的工況,試驗設計了9個工況,如表2所示。其中將扭矩為27 N·m時設為基準狀態,即節點的健康狀態。利用夾具將試件與操作臺固定,以模擬桿端固結約束。

表2 不同工況對應的扭矩

3.2 試驗過程

試驗的流程如圖5所示。

圖5 扣件節點連接狀態監測方法流程

1) 粘貼PZT片:如圖3-4所示,用環氧樹脂膠在1號鋼管和2號鋼管上粘貼PZT片,并命名為PZT1和PZT2。

2) 連接儀器設備:將試件固定在工作臺上,將試驗儀器與試件進行連接,形成通路。

3) 信號采集:利用扭矩扳手旋擰螺母至3 N·m,即表2所示工況1,然后用筆記本電腦通過LabVIEW軟件控制信號采集設備對PZT1作用一個電壓激勵信號,使其產生應力波,應力波信號在結構中傳遞后被PZT2捕捉接收,最后由數據采集設備采集,電腦端可以觀測信號圖像并保存數據;繼續旋擰扳手,在螺母上依次施加表2所示的剩余8個扭矩,分別采集9種工況下,PZT2接收到的應力波信號。

4) 信號處理:借助MATLAB軟件中信號分析工具箱進行小波包分析,將所有工況下傳感器PZT2接收到的信號進行5層小波包分解,獲得32個基信號,根據式(4)—(6),計算不同工況下的信號能量值E和松動指數I的大小。

5) 判斷是否發生損傷:根據松動指數I來確定節點的連接狀態。

3.3 試驗結果

圖6為感應器PZT2接收到的應力波信號。根據應力波信號很難直觀地判斷結構處于什么狀態。因此根據接收到的應力波信號進一步計算小波包能量值和松動指數。

圖7所示為各工況下由應力波信號根據式(4)和式(5)計算得到的應力波信號能量值。由圖7可知,隨著扭矩的增大,能量值也逐漸增大。這是因為隨著扭矩的增大,節點連接越緊密,最終穿過節點接觸面并被PZT2接收的信號能量值也就越大。

圖7 不同扭矩工況下接收信號的能量值

根據能量值的大小,不能很直觀地判斷節點所處的狀態,需要比較損傷工況和健康工況下的松動指數大小來進行判斷。根據式(6)計算得到各個工況下的松動指數I如圖8所示。由圖8可知,隨著扭矩值的增大,松動指數逐漸減小,節點的連接狀態與健康狀態的差異程度越小,即越接近健康狀態,節點的連接越安全。

圖8 不同扭矩工況下的松動指數I值

由試驗結果可知,隨著旋擰螺母的扭矩值增大,經小波包分解后的信號能量值也增大,松動指數減小,說明扣件節點的連接狀態越接近健康狀態。試驗結果驗證了前面理論分析的正確性,所提方法可以對節點的連接狀態進行監測。

為了避免試驗的偶然性,在相同的試驗條件下重復試驗6次,如圖9所示。由圖9可知,在6次試驗中,隨著扭矩值的逐漸增加,松動指數均逐漸減小,6次試驗的結果基本相同。

4 結論

針對扣件式腳手架節點連接松動問題,提出了一種基于小波包能量法的節點連接狀態的監測方法。以一個直角扣件式模板支撐架節點為試驗模型,設置了9種扭矩工況以模擬節點的不同松動程度,采用小波包能量分析法將接收到的應力波信號轉化為能量值,然后計算節點松動指數。由試驗結果可知:可以根據松動指數的大小來直觀判斷節點連接狀態。松動指數越小說明節點連接狀態越接近健康狀態。通過6次重復性試驗驗證了該方法的有效性和可重復性。基于壓電材料的小波包能量分析法可以有效實現對扣件式腳手架節點連接狀態的監測,為工程施工過程中模板腳手架的安全提供了保障。