王花平， 周　智， 王　俊， 高錫鵬

(大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 大連　116023)

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結(jié)構(gòu)損傷全歷程監(jiān)測的多標(biāo)距測試方法

王花平， 周智， 王俊， 高錫鵬

(大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 大連116023)

[摘要]結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中損傷全歷程信息捕捉一直未得到較好的解決，常常出現(xiàn)為兼顧結(jié)構(gòu)大變形監(jiān)測而導(dǎo)致微小、早期損傷不被識(shí)別的現(xiàn)象。為此，從集成角度，利用現(xiàn)有的測試技術(shù)，形成多種標(biāo)距組裝測試的方法，在合理的成本范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體變形和局部損傷高精度的全歷程監(jiān)測。具體內(nèi)容為：利用不同標(biāo)距長度的感知元件，如應(yīng)變片，通過串聯(lián)或并列方式構(gòu)建損傷全歷程監(jiān)測的多標(biāo)距測試探頭。在方法及結(jié)構(gòu)損傷的全歷程特征陳述基礎(chǔ)上，采用不同標(biāo)距應(yīng)變片對(duì)標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊的軸向受壓變形進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了該方法能較好地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷全歷程信息的監(jiān)測。

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)損傷； 全歷程監(jiān)測； 多種標(biāo)距聯(lián)合測試方法； 不同標(biāo)距長度的應(yīng)變片；實(shí)驗(yàn)論證

0前言

由于自然災(zāi)害和人為失誤的頻繁發(fā)生引發(fā)的傷亡和損失越來越嚴(yán)重，工程領(lǐng)域迫切需要發(fā)展結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測手段對(duì)其進(jìn)行變形和損傷的實(shí)時(shí)跟蹤和分析，以形成預(yù)警機(jī)制消減災(zāi)害的影響程度?，F(xiàn)有研究顯示：結(jié)構(gòu)局部大變形引起損傷的出現(xiàn)及擴(kuò)展，由于未被識(shí)別而得不到及時(shí)養(yǎng)護(hù)和維修處理，經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的失效。因此，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要發(fā)展方向之一就是同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)整體和局部變形特征進(jìn)行高精度、長期地實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)前，通常采用光纖傳感技術(shù)、壓電薄膜元件、同軸電纜及電阻式應(yīng)變片等手段，對(duì)工程結(jié)構(gòu)安全評(píng)估最重要參數(shù)的變形進(jìn)行監(jiān)測。然而，其均存在一些突出的缺陷：應(yīng)變片抵抗惡劣服役環(huán)境能力差、限于結(jié)構(gòu)表面測試；壓電薄膜傳感器受電場干擾、不能靜態(tài)測試；光纖光柵傳感器則存在測試范圍窄、量程小等不足。因此，如何利用現(xiàn)有的測試技術(shù)，在合理的成本范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體變形和局部損傷高精度的全歷程監(jiān)測，則成為結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

公開文獻(xiàn)中，學(xué)者們通過串聯(lián)彈簧、減敏等方式擴(kuò)大光纖光柵的測試量程，通過構(gòu)造智能元件如光纖光柵智能錨桿、光纖光柵智能拉索等方式提高其環(huán)境適應(yīng)能力，通過將光纖光柵和光纖共線傳感方式實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)全尺度大規(guī)模分布式的較高精度和局部高精度的測試，通過串聯(lián)長標(biāo)距光纖光柵實(shí)現(xiàn)分布式測量被離散為等參單元結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模態(tài)，通過在同軸電纜表面制作等間距阻抗不連續(xù)點(diǎn)提高其測試精度，通過在同軸電纜外導(dǎo)體層上刻系列薄弱螺紋分布式實(shí)現(xiàn)大裂縫測試。這些研究成果，改善了感知元件的測試量程、抗惡劣服役環(huán)境性能，一定程度上實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)局部和整體變形的高精度測試，然而當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷先后呈微觀和宏觀形態(tài)、由單一發(fā)展到部分時(shí)，同一測試尺度的感知元件則無法對(duì)損傷的程度和位置進(jìn)行較準(zhǔn)確的定位，單個(gè)感知元件的退出工作引起的分布式測試失準(zhǔn)使得結(jié)構(gòu)整體和局部的全歷程信息不被較客觀地獲取。即關(guān)于結(jié)構(gòu)整體變形和局部損傷的有效、高精度、全歷程信息的監(jiān)測，一直未得以較完美地解決。

鑒于此，在前述研究基礎(chǔ)上，本文提出了一種工程結(jié)構(gòu)全歷程監(jiān)測的多種標(biāo)距聯(lián)合測試方法，其核心是利用不同標(biāo)距長度的、相同或不相同的感知元件(如光纖光柵、光纖或同軸電纜等)串聯(lián)、并列和混合應(yīng)用，形成一種兼顧結(jié)構(gòu)整體變形高精度、局部損傷精確定位定量的全歷程監(jiān)測傳感探頭，使得結(jié)構(gòu)各變形階段時(shí)探頭內(nèi)部各種標(biāo)距的感知元件可以協(xié)同高效運(yùn)作，其具備高精度測試(內(nèi)部校對(duì)功能)、全歷程監(jiān)測的優(yōu)良特征，可預(yù)見的低廉成本、便利制作和廣泛的適應(yīng)性。

1多種標(biāo)距聯(lián)合測試方法概述

多種標(biāo)距聯(lián)合測試方法，其核心是多種不同標(biāo)距長度的感知元件通過串聯(lián)和并列方式組成傳感探頭，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。圖1(a)由四種可以為不同類型的器件如光纖光柵、光纖、同軸電纜等感知元件組成1并列式多種標(biāo)距聯(lián)合傳感探頭，圖1(b)可以由光纖光柵、同軸電纜、光纖等感知元件自行串聯(lián)組合成2串聯(lián)式多種標(biāo)距聯(lián)合傳感探頭。其中，多種標(biāo)距聯(lián)合傳感探頭內(nèi)部感知元件的數(shù)量可以為兩個(gè)或多個(gè)(不只限于4個(gè))，具體情況依被測結(jié)構(gòu)的幾何形狀、受力特征、測試要求等確定。

圖1　多種標(biāo)距組合探頭示意圖Figure 1　Skeleton of various gauge-length sensors assembly

工程結(jié)構(gòu)的多種標(biāo)距聯(lián)合傳感測試系統(tǒng)，包含局部高精度和全歷程信息連續(xù)監(jiān)測感知元件的選擇與組合技術(shù)，其實(shí)施方式如下：

分析結(jié)構(gòu)的固有特征，結(jié)合被測區(qū)域尺寸及可行的布設(shè)工藝條件，確定多種標(biāo)距聯(lián)合傳感探頭內(nèi)部感知元件的類型、數(shù)量、標(biāo)距長度和組合方式，并制作1并列式多種標(biāo)距聯(lián)合傳感探頭、或2并排列式多種標(biāo)距聯(lián)合傳感探頭；然后，將系列合適的多種標(biāo)距聯(lián)合傳感探頭布設(shè)在結(jié)構(gòu)預(yù)先確定的位置，并將引出線與相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)解調(diào)設(shè)備相連接，以提取在荷載作用下結(jié)構(gòu)整體和局部全歷程的變形特征。

上述方法中，感知元件的標(biāo)距尺寸由結(jié)構(gòu)的受力性質(zhì)確定；感知元件可以是光纖光柵、光纖或同軸電纜；多種標(biāo)距聯(lián)合測試探頭則依結(jié)構(gòu)的布設(shè)工藝由不同標(biāo)距長度的感知元件串聯(lián)、并列、或混合應(yīng)用組成。測試時(shí)，由短標(biāo)距感知元件精確定位局部區(qū)域內(nèi)的變形，以較長或長標(biāo)距感知元件的測數(shù)做校對(duì)分析；當(dāng)短標(biāo)距感知元件退出工作時(shí)，以較大標(biāo)距感知元件的測數(shù)為基本衡量依據(jù)，并與長標(biāo)距感知元件的測數(shù)做校對(duì)分析，以確定結(jié)構(gòu)該區(qū)域內(nèi)的真實(shí)力學(xué)狀態(tài)。其中，數(shù)據(jù)通過解調(diào)設(shè)備讀取，如頻譜分析儀、光纖光柵解調(diào)儀、BOTDA等。

2結(jié)構(gòu)損傷全歷程特征

工程中各類結(jié)構(gòu)在經(jīng)過一定服役期后，均會(huì)出現(xiàn)損傷。損傷可能源于施工不標(biāo)準(zhǔn)預(yù)留的微缺陷或受荷載和環(huán)境作用而誘發(fā)。不論損傷原因?yàn)橥话l(fā)或累積[9]，其全歷程特征均具備共性特征。工程結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷就是與正常結(jié)構(gòu)比較時(shí)，在某些方面產(chǎn)生了異常現(xiàn)象，通過結(jié)構(gòu)特征的各項(xiàng)參數(shù)變化體現(xiàn)，如動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征參量、表面形態(tài)或形狀大小等。結(jié)構(gòu)損傷的全歷程演化，從某種程度，可概括為一個(gè)相互比較的過程。損傷發(fā)生前，即結(jié)構(gòu)完好時(shí)，表征其力學(xué)狀態(tài)的各項(xiàng)變量通常與解析解或數(shù)值模擬值較接近，即結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布特征與設(shè)計(jì)一致。損傷發(fā)生初期，其對(duì)結(jié)構(gòu)整體參數(shù)的影響較小，只在局部范圍內(nèi)對(duì)附近部件的受力有較大擾動(dòng)。當(dāng)初期損傷不被識(shí)別時(shí)，有損結(jié)構(gòu)的持續(xù)運(yùn)行，會(huì)帶來損傷或快或緩的擴(kuò)展。損傷擴(kuò)展階段，結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的損毀對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能影響較顯著，通常表現(xiàn)形式為表征結(jié)構(gòu)整體性能參數(shù)的衰減、表征局部構(gòu)件性能參數(shù)的較大突變。用先進(jìn)、可行、有效的測試手段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全尺度的檢測與評(píng)估，以確定結(jié)構(gòu)是否有損傷存在，判斷損傷的位置和程度及結(jié)構(gòu)當(dāng)前的狀況、使用功能和結(jié)構(gòu)損傷的變化趨勢等，即結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別[10]。

3實(shí)驗(yàn)論證

采用不同標(biāo)距的應(yīng)變片對(duì)多種標(biāo)距組合測試方法的應(yīng)用進(jìn)行論證。以標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體為測試對(duì)象，考慮混凝土最大粒徑40 mm，以最小標(biāo)距4 cm的多種應(yīng)變片為感知元件，進(jìn)行全歷程監(jiān)測。

3.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

通過在試塊的不同位置布置不同長度的應(yīng)變片，以模擬圖1(a)所示的傳感探頭，組成探頭的各傳感器件之間為并聯(lián)關(guān)系。立方體試塊不同側(cè)面布置不同標(biāo)距的應(yīng)變片如圖2，圖3所示。應(yīng)變片標(biāo)距長度分別為4、6、8、10 cm，對(duì)應(yīng)圖中編號(hào)分別有：41、42、43、44、62、81、82、83、84、85、86、101、102。

圖2　混凝土各側(cè)面不同標(biāo)距的應(yīng)變片布置圖Figure 2　Layout of different gauge-length strain gauges 　on concrete

圖3　混凝土各側(cè)面不同標(biāo)距應(yīng)變片實(shí)物圖

Figure 3Physical model different gauge-length strain gauges fixed on concrete

應(yīng)變片布置完成后，在混凝土頂面涂抹潤滑油，墊上鋼板使其受力更均勻，然后給該立方體試塊施加壓力，直至混凝土出現(xiàn)貫穿裂縫而破壞。其中加載速率大小為1 kN/s。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

隨著加載的進(jìn)行，試塊依次經(jīng)歷小變形、變形極限狀態(tài)、微觀尺度損傷出現(xiàn)及擴(kuò)展的宏觀損傷等四個(gè)過程。布設(shè)在各側(cè)面的應(yīng)變片可較完整地采集到損傷發(fā)生前、損傷發(fā)生及擴(kuò)展的變化歷程。各應(yīng)變片的讀數(shù)見圖4。其中前后面出現(xiàn)裂紋(見圖5)，導(dǎo)致大部分應(yīng)變片如41、42、83、84、101等較早退出工作，故其后半程的變形數(shù)據(jù)依賴其它工作應(yīng)變片。貫穿裂縫的形態(tài)見圖5。提取的前后側(cè)面應(yīng)變片測數(shù)如圖6。兩側(cè)面豎向應(yīng)變片測數(shù)見圖6～圖8。

圖4　混凝土受壓至破壞過程的各應(yīng)變片測數(shù)Figure 4　Tested strain of concrete failure under compressive

圖5混凝土前后面出現(xiàn)貫穿裂紋圖，左側(cè)表面應(yīng)變片編號(hào)418182101；右邊表面應(yīng)變片編號(hào)42628384102

Figure 5Penetrating crack in frontack side of concrete，(a)no.418182101in front side；(b)no.42628384102 in back side

圖6　混凝土前表面標(biāo)距4cm8cm10cm應(yīng)變片的讀數(shù)Figure 6　Data of strain gauges(4cm8cm10cm)in front side

圖7　混凝土后表面標(biāo)距4cm6cm8cm10cm應(yīng)變片　的讀數(shù)Figure 7　Date of strain gauges(4cm6cm8cm10cm)　in back side

圖8　混凝土兩側(cè)面標(biāo)距4cm8cm應(yīng)變片的讀數(shù)Figure 8　Data sensed by strain gauge(4cm8cm)in two sides

由此可知：多種標(biāo)距組合測試的方法能先后以不同敏感度捕捉不同時(shí)間出現(xiàn)、不同部位發(fā)生的裂縫。 混凝土兩側(cè)面上的應(yīng)變片，全程受壓，測數(shù)均為負(fù)，對(duì)夾雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)變片的標(biāo)距長度對(duì)測試影響較大，因此，合理組合不同標(biāo)距傳感器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷全歷程信息監(jiān)測尤其重要。

4結(jié)論

將不同標(biāo)距長度的感知元件布設(shè)于試塊的各被測面內(nèi)，以小變形階段的理論推理為準(zhǔn)則，消除測試誤差的基礎(chǔ)上，獲取單向壓縮時(shí)脆性材料全歷程的變形信息，結(jié)果表明：

① 在結(jié)構(gòu)小變形階段，短標(biāo)距感知元件實(shí)現(xiàn)局部高精度測試、長標(biāo)距感知元件則反映大尺度上的變形狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分尺度地高精度監(jiān)測；

② 在結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)及擴(kuò)展階段，短標(biāo)距感知元件經(jīng)歷極限量程可能退出工作，長標(biāo)距感知元件則在經(jīng)歷損傷擴(kuò)展后仍繼續(xù)工作，到結(jié)構(gòu)破壞，從而得結(jié)構(gòu)小變形、損傷及破壞全歷程的信息。

③ 多種標(biāo)距聯(lián)合測試方法能極大地提高傳感器在工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測和檢測應(yīng)用中的測試精度和廣度，避免測試范圍受限、變形超出測試量程、個(gè)別感知元件損毀引起分布式測試失效等問題。

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Multiple Gauge-length Assembly Based Measuring Method on Whole-history Information of Structural Damage

WANG Huaping， ZHOU Zhi， Wang Jun， GAO Xipeng

(School of Civil Engineering， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning 116024， China)

[Abstract]Capturing the whole-history information of damage in structure field has always been a problem urgent to be solved.The common phenomenon is that high attention of large deformation monitoring often leads to the poor recognition of micro or early-stage damage.For this reason，inspired by the conception of integration，a measuring method based on various gauge-length sensors assembly is developed to realize the whole-history monitoring of integral deformation and local damage.The core content is that different gauge-length sensing elements，such as strain gauge，installed in series or paralleling，are introduced to establish the test probe on whole-history damage detection.Given the analysis above，different gauge-length strain gauges are adopted to monitor the deformation of standard-cube concrete under axial compression.Experiments indicates that the proposed method in this article could well obtain the whole-history information of damage.

[Key words]structural damage； whole-history monitoring； multiple gauge-length assembly based measuring method； strain gauges with various gauge lengths； experimental investigation

[中圖分類號(hào)]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0051-04

[作者簡介]王花平(1985-)，女，湖北武漢人，博士研究生，主要從事道路工程、巖土工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及其力學(xué)分析。

[基金項(xiàng)目]國家973基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2011CB013705)；國家863計(jì)劃(2014AA110401)

[收稿日期]2014-09-23