基于壓電傳感器對L形鋼管混凝土柱-帶樓板鋼梁節點試件的損傷監測

李明明

(中交一航局第四工程有限公司,江西 南昌 330004)

0 引言

異形鋼管混凝土(SCFST)柱不僅保留了普通方鋼管混凝土柱高強度、承載力好、高耗能性等優點,且因其截面的幾何特性能大幅度改善室內布局,增加室內使用面積,而受到工程界的廣泛關注。近年來,高層建筑結構以焊接SCFST柱與工字鋼梁組成的框架體系在國內開始運用,由梁柱和節點構成的框架共同承擔整個建筑的全部荷載。由于SCFST柱截面的幾何形狀不唯一,故眾多學者針對不同截面形狀的SCFST柱與梁的組合節點進行了相關力學性能的研究[1-7],然而,在環境條件影響下和外荷載作用下,節點區域混凝土在服役期內可能產生開裂、破碎和溶蝕等損傷,這些損傷將在一定程度上影響結構的安全性、適用性和耐久性。因此,對該結構節點區域進行損傷監測,提高結構整體可靠性具有重要意義。

近年來,智能骨料在土木工程中的應用日益廣泛,目前應用最普遍的為光導纖維、形狀記憶合金、壓電薄膜及壓電陶瓷,其中壓電陶瓷因響應頻率大、響應范圍廣,且對微應變的感知能力能達到0.001mm等優勢成為目前結構健康監測的主要傳感器。目前,壓電陶瓷已成功運用于結構的損傷檢測[8-10]。Jiang等[11]采用壓電智能骨料對混凝土層合界面損傷程度進行了監測,并基于應力波能量衰減的特性提出了裂紋損傷程度評估方法。黃泳水[12]利用壓電陶瓷對木結構表面裂縫和孔洞等典型損傷模式進行了監測,同時對木材無損實時定量監測含水量進行了可行性研究。劉孝禹等[13]同樣以木結構為試驗對象,利用壓電傳感器對軸壓和局壓狀態下的試件進行損傷監測可行性研究。本文基于小波包分析理論,通過預埋在試件節點區混凝土內部的壓電陶瓷在破壞過程中壓電信號幅值變化實現對其損傷狀態的監測,同時建立損傷指數,使損傷狀況更精確、直觀。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗以柱軸壓比為變量制作了3個L形鋼管混凝土柱-帶樓板鋼梁節點試件,如圖1所示。試件編號依照軸壓比大小順序設置為JD1(軸壓比0.2)、JD2(軸壓比0.4)、JD3(軸壓比0.6),尺寸如圖2所示。試驗所用混凝土強度等級為C40,鋼材型號均為Q235a,材料性能如表1所示。每個試件安裝兩支壓電陶瓷傳感器,安裝位置如圖3所示。因傳感器在澆筑混凝土前已安裝至鋼管內壁,在后續的澆筑及養護過程中極易受損,且存在影響數據采集精準度的可能。為了確保設備的安全,本試驗參考了王丹生等[14]提出的一種較保險的封裝工藝,對傳感器進行特殊處理,即將其與大理石外殼結合,制作成一種壓電陶瓷智能骨料,最后用環氧樹脂進行封裝固定。環氧樹脂除具有良好的黏結力外,還具有良好的防水性、絕緣性及耐堿性,與大理石外殼配合使用既能確保壓電陶瓷在澆筑混凝土的過程中不被破壞,也能確保設備的正常運行及信號傳輸的穩定性。

表1 材料性能

圖1 試件

圖2 試件尺寸

圖3 壓電陶瓷安裝位置

1.2 加載方式與信號采集

本試驗在多功能結構試驗系統上進行,試驗裝置如圖4所示。試驗前對柱頂進行兩次預加載,以消除鋼管部分的不均勻性,隨后將豎向軸力增至滿載,并檢查儀器性能。低周循環往復試驗采用位移控制加載法。首先,對試件的屈服位移進行預估,在加載初始階段,當位移不超過屈服位移時,加載位移以5mm的增量加載,且每個位移等級正負循環1次,結合荷載-位移曲線的發展趨勢最終確定屈服點。當位移超過屈服位移時,以該位移的倍數施加荷載,每個位移等級正負循環3次,直至試件變形嚴重不適于繼續加載或側向力低于峰值荷載的85%,停止加載。在此階段試件節點核心區被認定為完全破壞,加載制度如圖5所示。

圖4 加載裝置

壓電傳感器SA1與SA2分別作為應力波發射器與接收器。SA1通過帶有放大功能的信號發生器的信號激勵產生應力波,應力波沿結構內部傳遞給SA2。傳感器的輸出信號由數據采集卡(N1USB-6361)采集。試驗中,在軸壓增至滿載,試件穩定后測量一次壓電信號作為基準信號。在低周循環往復試驗中,分別采集各位移峰值的信號。由應力波在混凝土中的傳播機理可知,隨著損傷的不斷累積,應力波在傳遞過程中的能量也會隨之減小,接收器輸出的電信號變微弱。因此可通過對比不同加載階段中信號幅值的變化趨勢實現對結構健康狀況的監測。監測系統工作流程如圖6所示。

圖6 監測系統工作流程

2 試驗現象與信號分析

2.1 試驗現象

試件破壞現象如圖7所示。試件在加載初期無明顯現象,荷載值隨試件呈線性增加,此時試件處于彈性階段,基本不發生破壞。隨著橫向位移的進一步加大,能觀察到混凝土樓板出現多條彎曲裂縫,且邊緣有少許混凝土脫落,此時荷載值增大速度減慢,增長趨勢呈非線性,試件進入彈塑性階段。荷載繼續增大,當試件進入屈服階段時,試件原有裂縫逐步貫通樓板,鋼梁下翼緣出現輕微鼓曲。當試件接近其極限荷載時,鋼梁下翼緣鼓曲呈明顯的尖角向上突起,腹板與節點連接處焊縫出現裂縫,此時荷載值開始下降,由破壞現象判斷試件的破壞模式為梁端破壞。

圖7 試件破壞形態

2.2 壓電信號分析

不同加載位移下JD1的壓電時頻信號如圖8所示。由圖8可知,位移加載初期,位移值為20mm(JD1的屈服位移)與0對應的電壓峰值相比相差6%,表明在彈性階段內節點區混凝土出現輕微裂紋,或原有孔隙被放大,但隨加載的進行其健康狀態并未受到較大的影響。當位移水平從40mm逐步增至100mm,可觀察到電壓幅值大幅降低,表明節點區混凝土損傷正不斷惡化,外部現象表現為樓板邊緣混凝土成塊脫落,裂縫寬度增大。當位移值達到140mm時,電壓幅值已接近0,壓電傳感器幾乎無法再接收到應力波信號,表明此時試件核心區混凝土已嚴重受損,外部現象表現為鋼梁下翼緣鼓曲,上、下翼緣及腹板焊接處開裂。受軸壓比差異的影響,JD2,JD3在不同加載階段的電壓幅值各不相同,但幅值的變化趨勢與JD1保持高度一致,從整體上看,所有試件在加載過程中的電壓幅值均隨位移值的增大而減小,產生此現象的原因可能是混凝土內部損傷大幅削弱了應力波能量,導致應力波傳播效率的折損。可見應力波的傳遞效率對混凝土內部損傷程度較敏感,故用該方法對結構進行健康監測具有一定的可行性。

圖8 在JD1中獲取的電壓信號

2.3 損傷指數

壓電信號分析只能定性分析結構的損傷狀態,為了更精準高效地判斷試件損傷程度,在小波包能量法的基礎上,采用均方差的方法引入損傷指數DI:

(1)

式中:Eh為試件在無損傷狀態下的小波包能量值;Ed為試件受損后的能量值。

當Ed=Eh,即DI=0時,試件處于健康狀態;當Ed=0,即DI=1時,試件已完全破壞。DI隨著試件內部損傷的累積而逐步增大,最終向1飽和。本試驗中,利用小波包分析將壓電傳感器的每個輸出信號分解為多個小波包能量,經計算得到對應的損傷指數如圖9所示。損傷指數隨位移值的增加而增加,最后向1飽和,這對應了試驗中核心區混凝土損傷隨加載的進行而不斷累積直至完全損壞的過程。

圖9 小波包能量和損傷指數

由圖9可知,當加載方向為正向時,混凝土樓板及矩形鋼管內壓電傳感器所在側的混凝土處于受壓狀態,由于樓板抗壓性能遠高于其抗拉性能,在正位移加載中所承受的荷載比例大于負位移加載,使正峰值位移下樓板的承載力貢獻更大,正峰值位移下試件核心區損傷程度較負峰值位移下更小。因此,大部分負位移峰值處的DI值略高于正位移峰值處的DI值,同時也說明了在加載負峰值位移期間,監測位置混凝土的損傷程度更嚴重。從整體來看,DI值與小波包能量值從0位移處向兩側增大或減小,這一趨勢反映了在低周循環荷載作用下,試件核心區混凝土裂縫的反復張開與閉合。

由圖9d～9f可知,隨著軸壓比的提高,加載位移值在±40mm之后DI值的增長率也在不斷提高,且各試件的DI峰值也在增加,試件JD1在DI值為0.70～0.77時最終破壞,試件JD2在DI值為0.87～0.90時最終破壞,試件JD3在DI值為0.90～0.91時最終破壞。這說明柱頂軸壓的增強,導致更多混凝土參與壓縮,截面抗彎剛度增加,節點區混凝土出現較差的塑性,更易出現強度退化。

根據試驗現象,當加載位移小于屈服位移時,試件處于彈性階段,由于外部鋼管的約束,節點區混凝土幾乎未受到損害,試驗無明顯現象。當加載位移大于20mm后,DI值迅速增大,試件進入屈服階段,鋼梁下翼緣與核心區鋼管的屈曲程度逐漸增加,對內部混凝土的約束作用大大降低,導致其核心區域混凝土更易出現損傷。當加載位移超過140mm時,所有試件的DI值均超過0.75,試件樓板混凝土大量脫落,鋼梁屈曲較明顯,節點區內部混凝土損傷程度達到使應力波幾乎無法繼續傳播,節點接近破壞。所有試件在不同加載階段的試驗現象與損傷指數的分析結果吻合。

3 結語

本試驗提出了一種基于壓電智能骨料對梁柱節點模型在低周循環荷載下的核心區混凝土損傷狀態進行監測的方法。試驗結果證明了該方法能有效對節點核心區混凝土健康狀態進行監測,通過對試驗數據的分析,可得出以下結論。

1)隨著側向位移的增加,核心區混凝土損傷不斷累積,壓電信號幅值呈下降趨勢,最終趨近于0,DI值呈上升趨勢,最終趨近于1。

2)L形鋼管混凝土柱-帶樓板鋼梁節點試件的破壞現象與檢測數據的分析結果吻合,證明了本文監測方法的可行性。

3)試件的軸壓比對最終破壞時的損傷指數值具有一定影響。

4)壓電信號幅值與DI的一致行為證明了兩指標在追蹤損傷現象方面能力優越。