作為承重結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元件，H型鋼可以通過(guò)監(jiān)測(cè)其應(yīng)力狀態(tài)以有效地檢測(cè)潛在的結(jié)構(gòu)問(wèn)題和異常情況。這對(duì)于確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。然而，H型鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常暴露在高溫、潮濕、腐蝕性介質(zhì)等復(fù)雜環(huán)境條件下，可能會(huì)對(duì)檢測(cè)設(shè)備和傳感器造成干擾，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。此外，在處理H型鋼中難以接近的復(fù)雜形狀和表面時(shí)，當(dāng)前的測(cè)量技術(shù)和方法可能會(huì)面臨挑戰(zhàn)。之前的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展;然而，尚未探索的領(lǐng)域仍然存在，特別是對(duì)斜支撐加固的H形鋼梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，長(zhǎng)江科學(xué)院、湖北工程學(xué)院、江西理工大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Piezoelectric ceramic sensor-based structural health monitoring of diagonally braced H-shaped steel structures”的論文，提出了一種基于壓電陶瓷傳感器的健康監(jiān)測(cè)方法，用于監(jiān)測(cè)斜支撐H型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。研究人員對(duì)斜支撐H型鋼進(jìn)行了不同工況下的荷載試驗(yàn)。隨后，他們對(duì)這兩種工況下的壓電信號(hào)的幅值和能量進(jìn)行了對(duì)比分析，并利用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析以驗(yàn)證結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著腹板高度或載荷的增加，H型鋼的時(shí)域波形能量指數(shù)增加。不同工況下，例如腹板高度為10 cm的斜支撐H型鋼構(gòu)件，當(dāng)壓力值小于10 N/mm2時(shí)，壓力每增加1 N/mm2，能量指數(shù)增加約15.98%。當(dāng)壓力值大于10 N/mm2且小于15 N/mm2時(shí)，壓力每增加1 N/mm2，能量指數(shù)增加約1%。此外，腹板高度每增加1厘米，能量指數(shù)增加約8.4%。同時(shí)，有限元分析結(jié)果表明，壓電陶瓷傳感器感應(yīng)位置的應(yīng)力和應(yīng)變隨著外界壓力的增加而增加。斜支撐H型鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究對(duì)于確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性、實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)、評(píng)估結(jié)構(gòu)性能和能源效率以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)維護(hù)具有重要意義。

在本實(shí)驗(yàn)中，壓電陶瓷材料使用了鋯鈦酸鉛(PZT)，如圖1所示。正如之前的研究所觀(guān)察到的，壓電陶瓷已被廣泛用作測(cè)量應(yīng)變和應(yīng)力波的傳感器。壓電陶瓷還可用作結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的換能器。

圖1 壓電陶瓷片

本實(shí)驗(yàn)使用PZT傳感器來(lái)分析斜支撐H型鋼的受力情況。研究人員選用相同尺寸的斜支撐H型鋼，從頂部施加不同強(qiáng)度的載荷，將壓電陶瓷片粘貼在斜支撐H型鋼腹板上，并通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與信號(hào)接收器連接。當(dāng)對(duì)斜支撐H型鋼施加不同強(qiáng)度的荷載時(shí)，信號(hào)接收器接收到不同的信號(hào);PZT片分別連接到斜支撐H型鋼的上、中、下部位置。

通過(guò)壓電信號(hào)監(jiān)測(cè)應(yīng)力狀態(tài)的原理是利用壓電效應(yīng)測(cè)量物體的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)。這是由于壓電材料具有上述效應(yīng)，在受到力或應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷或信號(hào)。根據(jù)這一原理，壓電陶瓷材料可被用作傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)其壓電信號(hào)的變化來(lái)間接反映材料的應(yīng)力狀態(tài)。在所提出的健康監(jiān)測(cè)算法中，為了檢測(cè)測(cè)試波信號(hào)在斜支撐H型鋼和負(fù)載之間傳播的靈敏度，本研究采用了基于時(shí)間和信號(hào)值的變化的時(shí)域分析方法。隨著斜支撐H型鋼腹板高度和壓力的增加，信號(hào)接收器接收到的信號(hào)值也會(huì)發(fā)生變化;這種變化具有一定的規(guī)律性。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖2是實(shí)驗(yàn)設(shè)置圖;信號(hào)由INV306U信號(hào)采集儀記錄。PZT片通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與信號(hào)接收器相連，信號(hào)采集器的采樣頻率為7160 Hz，采樣時(shí)間為0.08 s，輸出通道精度為16位，分辨率為10 ns。PZT作為傳感器接收實(shí)時(shí)信號(hào)，并連接到斜支撐H型鋼。

研究人員對(duì)斜支撐H型鋼進(jìn)行了兩種不同工況(A和B)下的荷載實(shí)驗(yàn)，如圖3和圖4所示。

圖3 A工況的實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖(單位：mm)

圖4 B工況的實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖(單位：mm)

圖5和圖6分別顯示了A工況和B工況的時(shí)域信號(hào)響應(yīng)結(jié)果。兩圖中的曲線(xiàn)是斜支撐H型鋼受壓時(shí)傳感器的信號(hào)響應(yīng)。

圖5 A工況的信號(hào)響應(yīng)

圖6 B工況的信號(hào)響應(yīng)

壓電信號(hào)與應(yīng)力的關(guān)系如圖7所示。如圖所示，應(yīng)力的增加導(dǎo)致壓電信號(hào)的響應(yīng)增強(qiáng)。頂部載荷與剪切遲滯特性之間的關(guān)系如圖8所示。結(jié)果表明，頂部載荷的增加會(huì)導(dǎo)致更明顯的剪切遲滯現(xiàn)象。

圖7 不同載荷的能量指數(shù)

圖8 頂部正應(yīng)力的橫向分布

為了進(jìn)一步研究載荷強(qiáng)度和腹板高度對(duì)斜支撐H鋼穩(wěn)定性的影響，并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可靠性和有效性，研究人員利用ABAQUS進(jìn)行了有限元分析和數(shù)值模擬。

綜上所述，本研究提出了一種通過(guò)分析壓電陶瓷傳感器能量信號(hào)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法，文中研究了兩種工況：斜支撐H型鋼腹板高度相同、壓力不同;斜支撐H型鋼壓力相同但腹板高度不同。在A(yíng)工況下，隨著斜支撐H型鋼腹板高度的增加，PZT傳感器接收到的信號(hào)幅值和能量指數(shù)也相應(yīng)增加。同樣，在B工況下，信號(hào)幅值和能量指數(shù)隨著斜支撐H型梁壓力的增大而增大。隨著壓力和腹板高度的增加，斜支撐H型鋼產(chǎn)生的應(yīng)變和PZT傳感器的機(jī)械變形也隨之增加;因此，傳感器接收到的信號(hào)幅值和能量指數(shù)也增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，斜支撐H型鋼的應(yīng)力-應(yīng)變幅值與腹板高度和施加荷載強(qiáng)度的增加呈正相關(guān)。本研究提出的健康監(jiān)測(cè)方法有助于在實(shí)際工程應(yīng)用中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)H型鋼結(jié)構(gòu)的健康狀況，從而確保這些結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

審核編輯：湯梓紅