艾德米， 羅 輝， 朱宏平， 王 超,2

( 1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

基于壓電阻抗的隧道管片結(jié)構(gòu)螺栓松動(dòng)損傷識(shí)別試驗(yàn)

艾德米1， 羅 輝1， 朱宏平1， 王 超1,2

( 1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；
2.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

基于壓電阻抗(EMI)的損傷檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)目前仍十分少見(jiàn)。本文通過(guò)試驗(yàn)研究了EMI技術(shù)在大型隧道管片結(jié)構(gòu)螺栓松動(dòng)損傷檢測(cè)中的有效性，探求了傳感器的有效監(jiān)測(cè)范圍。首先粘貼不同位置的壓電傳感器實(shí)測(cè)壓電導(dǎo)納頻譜曲線，分析不同位置壓電傳感器量測(cè)的結(jié)構(gòu)諧振峰值特征。通過(guò)設(shè)置連接管片的螺栓松動(dòng)損傷，以傳感器的導(dǎo)納頻譜變化規(guī)律定性識(shí)別該損傷，并通過(guò)計(jì)算損傷指標(biāo)RMSD量化損傷，采用其變化率衡量傳感器敏感度。研究表明壓電傳感器能有效捕捉螺栓松動(dòng)損傷的發(fā)展，EMI技術(shù)用于大型結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)是可行的；貼于螺栓上比貼于混凝土管片對(duì)損傷檢測(cè)更為有效，隨著損傷程度的增大，近距離傳感器的損傷指標(biāo)較遠(yuǎn)距離傳感器變化更為明顯，傳感器敏感度與其同損傷的距離成反比例線性關(guān)系。

隧道管片； 壓電阻抗(EMI)； 螺栓松動(dòng)； 損傷識(shí)別

基于智能材料(如PZT，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷；MFC，壓電纖維復(fù)合材料；形狀記憶合金等)的高頻診斷技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。其中基于PZT的壓電阻抗(EMI)損傷檢測(cè)技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的研究應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注[1，2]。EMI技術(shù)與傳統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)不同，主要基于局部高頻激勵(lì)(可達(dá)MHz)，利用PZT同時(shí)作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器，對(duì)結(jié)構(gòu)局部激勵(lì)獲取結(jié)構(gòu)性能變化的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)微小損傷的監(jiān)測(cè)。其基本原理是：將PZT用高強(qiáng)粘結(jié)劑粘貼于結(jié)構(gòu)表面或植入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，利用PZT正逆壓電效應(yīng)，通過(guò)壓電阻抗儀施加電壓對(duì)結(jié)構(gòu)局部激振，獲得與結(jié)構(gòu)性能相關(guān)的監(jiān)測(cè)信號(hào)，此信號(hào)作為結(jié)構(gòu)健康衡量的基準(zhǔn)，將來(lái)通過(guò)觀察信號(hào)的改變即可識(shí)別結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。由于其高頻特性，具有對(duì)結(jié)構(gòu)微小損傷敏感，不影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性且能避開(kāi)環(huán)境噪聲影響的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)20余年的研究，在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別實(shí)際工程應(yīng)用中已展現(xiàn)出巨大潛力。

從20世紀(jì)90年代初Liang[3，4]等人首次將智能PZT材料與結(jié)構(gòu)結(jié)合并推導(dǎo)出PZT-結(jié)構(gòu)壓電阻抗耦合一維模型以來(lái)，EMI技術(shù)在理論和工程應(yīng)用上都有較大發(fā)展。Zhou[5]等在該一維模型的基礎(chǔ)上提出了PZT與基體結(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)電耦合二維模型，并將該阻抗模型應(yīng)用到壓電驅(qū)動(dòng)的薄板和薄殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析。Annamdas[6，7]用有限元理論推導(dǎo)了PZT在長(zhǎng)度、寬度和厚度方向同時(shí)振動(dòng)的三維通用PZT-結(jié)構(gòu)耦合模型。但是由于二維、三維模型的推導(dǎo)相對(duì)復(fù)雜，且難以應(yīng)用到實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，目前一維模型應(yīng)用仍然最為廣泛。該一維模型簡(jiǎn)化PZT片為一維桿件，其一端固定一端與結(jié)構(gòu)相連，結(jié)構(gòu)則簡(jiǎn)化為單自由度的質(zhì)量-剛度-阻尼系統(tǒng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，結(jié)構(gòu)阻尼增大而結(jié)構(gòu)剛度降低，由此引起單自由度系統(tǒng)的動(dòng)剛度變化。該變化則反映在PZT監(jiān)測(cè)信號(hào)中，從而通過(guò)判斷監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化就可識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷。Ayres等將EMI方法引入土木結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，將PZT傳感器應(yīng)用在一個(gè)鋼桁架橋節(jié)點(diǎn)的損傷識(shí)別，證實(shí)了該方法用于土木結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可行性[8]。Soh等將EMI方法應(yīng)用到一個(gè)兩跨鋼筋混凝土梁和兩層框架模型上，發(fā)現(xiàn)EMI方法可以檢測(cè)到混凝土結(jié)構(gòu)的微裂縫損傷[9]。Yang[10]用PZT和FBG結(jié)合測(cè)試石塊在循環(huán)荷載作用下的破壞形式，試驗(yàn)表明PZT具有對(duì)初期微小損傷敏感的特性，能夠用于監(jiān)測(cè)洞穴、隧道等石塊砌筑結(jié)構(gòu)的損傷。Tawie[11]等用EMI技術(shù)監(jiān)測(cè)混凝土強(qiáng)度發(fā)展，表明PZT能有效捕捉到混凝土硬化齡期內(nèi)的強(qiáng)度變化，拓展了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。Ai[12]等也將EMI技術(shù)用于鋼結(jié)構(gòu)銹蝕發(fā)展監(jiān)測(cè)，提取了有效的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。Talakokula[13]等用EMI技術(shù)監(jiān)測(cè)鋼筋銹蝕發(fā)展，提取了銹蝕衡量等效指標(biāo)。以上研究表明將EMI技術(shù)用于混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是可行的。然而目前的研究主要基于小型試驗(yàn)構(gòu)件，用于大型結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)仍不多見(jiàn)，特別是隧道管片結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別更為少見(jiàn)。本文針對(duì)大體積隧道管片結(jié)構(gòu)螺栓松動(dòng)損傷識(shí)別問(wèn)題展開(kāi)研究，利用試驗(yàn)研究EMI技術(shù)識(shí)別管片結(jié)構(gòu)損傷的有效性，探求PZT傳感器的有效監(jiān)測(cè)范圍。

1 隧道管片結(jié)構(gòu)的壓電阻抗試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用兩環(huán)拼接足尺隧道管片結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)試件，管片外徑4000 mm，壁厚500 mm，內(nèi)徑3500 mm，寬2432 mm。管片縱橫向均采用螺栓連接，螺栓松動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全與運(yùn)營(yíng)尤為重要，因此本試驗(yàn)設(shè)置結(jié)構(gòu)損傷為螺栓松動(dòng)。為方便測(cè)試，松動(dòng)的螺栓為管片橫向接頭螺栓，縱向螺栓松動(dòng)檢測(cè)亦可。采用環(huán)氧樹(shù)脂膠分別將8個(gè)傳感器粘貼于隧道管片距離螺栓松動(dòng)不同距離處，以研究傳感器的有效監(jiān)測(cè)范圍。采用的傳感器尺寸為10 mm×10 mm×0.5 mm，其主要性能參數(shù)如表1所示。傳感器布置如圖1所示，其中PZT1，3，7貼在混凝土螺栓孔邊緣位置，PZT5，6粘貼于兩管片拼接的邊緣，PZT4，8貼于管片中間位置，PZT2不同于其他傳感器貼于混凝土管片而是單獨(dú)貼于鋼制螺帽上，螺帽距離松動(dòng)的螺母直線距離約600 mm。PZT1～8與螺栓1松動(dòng)螺母的距離分別為：600，600，0，300，300，350，600，650 mm；距離螺栓2分別為：850，850，600，300，350，350，0，650 mm。利用安捷倫4294A壓電阻抗儀測(cè)試不同損傷工況下的管片結(jié)構(gòu)導(dǎo)納信號(hào)。試驗(yàn)先測(cè)試無(wú)損管片的壓電導(dǎo)納，然后在管片上松動(dòng)螺栓1，再次測(cè)試管片壓電導(dǎo)納；在此基礎(chǔ)上松動(dòng)螺栓2并測(cè)試其壓電導(dǎo)納。為保證該技術(shù)的損傷敏感特性，主要選取180～250 kHz頻段范圍進(jìn)行損傷評(píng)估。

表1 壓電片主要材料特性

圖1 PZT傳感器在管片結(jié)構(gòu)上的布置

2 隧道管片結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果分析

壓電導(dǎo)納信號(hào)作為EMI方法結(jié)構(gòu)損傷診斷的依據(jù)，是PZT傳感器與結(jié)構(gòu)耦合作用的結(jié)果，其曲線特征(如諧振頻率，幅值等)能反映出結(jié)構(gòu)特性。無(wú)損狀態(tài)下8個(gè)傳感器的導(dǎo)納頻譜曲線如圖2所示。由圖2可以看出，粘貼于不同位置的傳感器所測(cè)得的導(dǎo)納諧振峰值Y(Re)和頻率f都不同。黑色系三條曲線(PZT1,3,7)其諧振峰值最高，諧振頻率最低；藍(lán)色系兩條曲線(PZT4,8)諧振峰值最低而諧振頻率最高；紅色系兩條曲線(PZT5,6)處于二者之間。最為特別的是PZT2，其曲線諧振頻率最高。這說(shuō)明對(duì)于大體積結(jié)構(gòu)而言，由于PZT傳感器的局部激振特性，越靠近結(jié)構(gòu)邊緣的傳感器，其獲取的結(jié)構(gòu)諧振峰值越高而諧振頻率越低，越接近結(jié)構(gòu)內(nèi)部，傳感器諧振性能受到抑制也更大，表現(xiàn)為其諧振峰值越小。

圖2 無(wú)損狀態(tài)下8個(gè)PZT傳感器的電導(dǎo)納實(shí)部頻譜曲線對(duì)比

不同損傷工況下的測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖3a～h所示。由圖3可以看出：(1)盡管結(jié)構(gòu)體積較大，質(zhì)量較高，PZT傳感器能很好捕捉到結(jié)構(gòu)損傷變化，表現(xiàn)為電導(dǎo)納實(shí)部頻譜曲線在諧振峰值處相比無(wú)損傷工況出現(xiàn)明顯的向左偏移；(2)圖3b較其他圖形表現(xiàn)出更為密集的諧振峰值，其偏移量也最大，說(shuō)明PZT貼于螺栓上對(duì)其自身的松動(dòng)比較敏感；(3)除圖3b以外所有圖形中，圖3c曲線變化最為明顯，表明距離螺栓1松動(dòng)螺母最近的PZT2(粘貼于混凝土表面)最有效的捕捉到結(jié)構(gòu)損傷信息。這些特征說(shuō)明：針對(duì)螺栓松動(dòng)這一管片結(jié)構(gòu)的損傷形式，可以直接在需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)螺栓的螺帽上粘貼PZT傳感器進(jìn)行損傷識(shí)別；對(duì)于需要監(jiān)測(cè)的其他類(lèi)型損傷，可在該損傷最有可能發(fā)生的關(guān)鍵位置附近直接粘貼PZT傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3 兩種損傷工況與無(wú)損傷工況的PZT電導(dǎo)納實(shí)部頻譜曲線對(duì)比

3 隧道管片結(jié)構(gòu)損傷定量評(píng)估

圖3的試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)PZT電導(dǎo)納頻譜圖的變化，可以定性地對(duì)管片結(jié)構(gòu)螺栓松動(dòng)損傷程度做出判斷。為了進(jìn)一步量化評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷的程度，采用統(tǒng)計(jì)特征指標(biāo)均方根偏差(RMSD)來(lái)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算分析，探求PZT傳感器在大型結(jié)構(gòu)上的有效監(jiān)測(cè)范圍。

對(duì)180～250 kHz頻段內(nèi)2種損傷工況下的導(dǎo)納信號(hào)進(jìn)行RMSD統(tǒng)計(jì)指標(biāo)計(jì)算，其結(jié)果如圖4和表2所示。圖4為各損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)的8個(gè)傳感器RMSD計(jì)算值；表2列出了隨著損傷發(fā)展，各個(gè)傳感器損傷指數(shù)RMSD的具體值及其隨損傷發(fā)展的變化率。圖5選取RMSD值變化率為縱坐標(biāo)，傳感器與損傷的距離為橫坐標(biāo)，更直觀地描述了其變化。圖6將這種變化線性擬合，可以得到傳感器的敏感度與距離之間的線性關(guān)系。

圖4 兩種工況下8個(gè)PZT傳感器的RMSD值

傳感器編號(hào)PZT1PZT2PZT3PZT4PZT5PZT6PZT7PZT8工況14.4327.2718.671.123.842.838.065.64工況23.727.0518.531.495.234.0311.745.94變化率/%-16.50-0.81-0.7533.0436.1942.4045.665.32

圖5 傳感器和損傷間距與RMSD值變化率關(guān)系曲線

圖6 傳感器和損傷間距與RMSD值變化率線性擬合關(guān)系

從圖4可以直觀的看出，粘貼于螺帽上的PZT2計(jì)算的RMSD值最大為27.27，大于距離螺栓松動(dòng)螺母最近的貼于混凝土管片上PZT3的RMSD值18.67，其余距離較遠(yuǎn)的PZT傳感器RMSD值均較小。這表明對(duì)于螺栓松動(dòng)損傷，PZT傳感器直接貼在螺帽上更為有效，盡管螺帽距離松動(dòng)螺母600 mm。

從表2可以看出在螺栓1松動(dòng)的基礎(chǔ)上松動(dòng)螺栓2，損傷程度增大，距離2號(hào)螺栓350 mm以?xún)?nèi)的傳感器(PZT4,5,6,7)的RMSD值均有較大增長(zhǎng)(33.04%，36.19%，42.40%，45.66%)，平均增長(zhǎng)約41%；大于600 mm的傳感器(PZT1,2,3,8)幾乎沒(méi)有變化，甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)(-16.50%，-0.81%，-0.75%)，表明PZT傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)上的有效監(jiān)測(cè)范圍小于600 mm，最佳監(jiān)測(cè)范圍約為300 mm。圖5進(jìn)一步直觀地表明傳感器與損傷的距離及其RMSD值變化率，從圖6可以看出傳感器的敏感度隨距離的增加呈線性降低趨勢(shì)，二者的線性關(guān)系為y=-0.0007x+0.5489，方差約為0.86。因此，對(duì)于混凝土隧道管片結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)按小于600 mm的距離布置傳感器以有效監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷。

4 結(jié) 論

本文利用壓電阻抗技術(shù)，對(duì)混凝土隧道管片結(jié)構(gòu)螺栓松動(dòng)損傷進(jìn)行了識(shí)別試驗(yàn)。通過(guò)布置不同距離的壓電傳感器，并在兩種螺栓松動(dòng)工況下測(cè)量壓電導(dǎo)納頻譜曲線，分析了EMI技術(shù)的有效性，并進(jìn)一步定量分析壓電導(dǎo)納信息的統(tǒng)計(jì)特征指標(biāo)RMSD及其變化率。試驗(yàn)結(jié)果表明基于壓電阻抗可以有效檢測(cè)管片螺栓松動(dòng)損傷，將PZT傳感器直接貼于螺栓的螺帽上最為有效，其敏感度高于貼于混凝土管片。PZT傳感器貼于混凝土管片有效監(jiān)測(cè)距離小于600 mm。PZT傳感器敏感度隨著距離的增加而降低，二者呈反比例線性關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果可為EMI技術(shù)應(yīng)用于隧道管片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供有用參考。

[1] 朱宏平, 王丹生, 張俊兵. 基于壓電阻抗技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別基本理論及其應(yīng)用[J]. 工程力學(xué), 2008, 25(s2): 34-43.

[2] 李傳兵, 廖呂榮, 張玉璘. 壓電智能結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J]. 壓電與聲光, 2002, 24(1): 42-43.

[3] Liang C, Sun F P, Rogers C A. Electromechanical impedance modeling of active material systems[J]. Smart Materials and Structures, 1996, 5: 171-186.

[4] Liang C, Sun F P, Rogers C A. Coupled electro-mechanical analysis of adaptive material systems—determination of the actuator power consumption and system energy transfer[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 1994, 5(1): 12-20.

[5] Zhou S W, Liang C, Rogers C A. An impedance-based system modeling approach for induced strain actuator-driven structures[J]. Journal of Vibrations and Acoustics, 1996, 118(3): 323-331.

[6] Annamdas V G M, Soh C K. Three-dimensional electromechanical impedance model I: formulation of directional sum impedance[J]. Journal of Aerospace Engineering, 2007, 20(1): 53-62.

[7] Annamdas V G M, Soh C K. Three-dimensional electromechanical impedance model II: damage analysis and PZT characterization[J]. Journal of Aerospace Engineering, 2007, 20(1): 63-71.

[8] Ayres J W, Lalande F, Chaudhry Z, et al. Qualitative impedance-based health monitoring of civil infrastructures[J]. Smart Materials and Structures, 1998, 7(5): 599-605.

[9] Soh C K, Bhalla S. Calibration of piezo-impedance transducers for strength prediction and damage assessment of concrete[J]. Smart Materials and Structures, 2005, 14(4): 671-684.

[10]Yang Y W, Annamdas V G M, Wang C, et al. Application of multiplexed FBG and PZT impedance sensors for health monitoring of rocks[J]. Sensors, 2008, 8(1): 271-289.

[11]Tawie R, Lee H K. Monitoring the strength development in concrete by EMI sensing technique[J]. Construction and Building Materials, 2010, 24(9): 1746-1753.

[12]Ai D M, Zhu H, Luo H, et al. An effective electromechanical impedance technique for steel structural health monitoring[J]. Construction and Building Materials, 2014, 73: 97-104.

[13]Talakokula V, Bhalla S, Gupta A. Corrosion assessment of reinforced concrete structures based on equivalent structural parameters using electro-mechanical impedance technique[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2014, 25: 484-500..

EMI Based Experiment on Tunnel Segment Structural Bolt-looseness Damage Detection

AIDe-mi1，LUOHui1，ZHUHong-ping1，WANGChao1,2

(1.School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China； 2.School of Civil Engineering and Architecture and Environment，Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China)

Electromechanical impedance (EMI) based damage detection technique applied for large structural health monitoring has not been widely studied. This paper investigated the effectiveness of EMI technique and the sensitive distance of piezoelectric (PZT) sensor for large tunnel segment structural bolt looseness detection. Through measuring the electromechanical admittance spectrum of the PZT sensors installed on different locations, characterizations of the impedance curves were analyzed. Then resonant frequency variation tendency of the admittance spectrum was studied after the bolt looseness damage inducing to the segment structure, and statistical index RMSD was also calculated for damage quantification. Its’ rate of change was also adopted for evaluation on sensor sensitivity. The experimental results indicated that the PZT sensor can capture the development of the bolt looseness damage, thus the EMI technique is feasible for the large tunnel segment structural damage detection. And it was more effective of PZT sensor located on the bolt than on the concrete. With the development of structural damage, the index values of the near PZT senor varied more largely than the distant ones, the relationship between sensor sensitivity and distance was inverse linear proportion.

tunnel segment; electromechanical impedance (EMI); bolt looseness; damage detection

2016-03-09

2016-05-29

艾德米(1989-)，男，云南通海人，博士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)損傷識(shí)別及健康監(jiān)測(cè)(Email: aidemi12@hust.edu.cn)

國(guó)家自然科學(xué)基金(51578260；51578261；51408250)；貴州省交通廳科技項(xiàng)目(2015-122-051)

TU317

A

2095-0985(2016)06-0039-04