蔣洪偉

(綏化市長城建筑設計院，黑龍江綏化152000)

0 引言

結構健康監(jiān)測技術是采用智能材料結構的新概念，利用集成在結構中的先進傳感器或驅動元件，在線實時地獲取與結構健康狀況相關的信息，并結合信號信息處理方法和材料結構力學建模方法，提取結構損傷特征參數(shù)，識別結構的狀態(tài)，并對結構的不安全因素，在其早期就加以控制以消除安全隱患或控制安全隱患進一步發(fā)展，從而實現(xiàn)結構健康自診斷、自修復，保證結構安全和降低維修費用［1］。

結構健康監(jiān)測技術最早從于航天領域提出，隨著該技術的不斷發(fā)展和完善，結構健康監(jiān)測技術的應用從最早的航天領域擴展到土木工程領域、船舶領域及特種裝備領域，包括大型化工設備、儲油設備、大型核電設備和海洋鉆井平臺等，其安全運行直接關系到國民經(jīng)濟建設和人民的生命財產(chǎn)安全。

船舶上使用的結構頭其他工程結構一樣，也有其提高安全性的需求。本文以某船廠船舶制造過程中艏樓吊裝為例，通過計算機模擬優(yōu)化對艏樓的關鍵部位進行實時的安全監(jiān)測，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時分析結果，保證艏樓安全穩(wěn)定的吊裝，并對比模擬和實測結果，驗證模擬結果的準確性。

1 電阻應變片

電阻應變片是最早應用在結構健康監(jiān)測中的應變傳感器。工作原理是根據(jù)電阻絲的“應變電阻效應”，即金屬絲的電阻值和材料的性質，電阻絲的長度和截面積的線性關系。其關系式為:

式中:KS為靈敏度系數(shù)，表示電阻絲產(chǎn)生單位應變時的電阻對應的變化率，靈敏度越大，電阻絲反映的信號越大。ε為測點處應變，常用稱作微應變的無量綱的符號表示。由此可知，由于靈敏度系數(shù)可視為常數(shù)，將金屬絲粘貼到構件上，當構件受力變形時，通過電阻絲電阻的變化值就可以得到電阻絲的應變值，同時也就知道了構件的應變值。這就是電阻應變片測量構件應變的理論基礎。

電阻應變片具有技術成熟，結構簡單，價格便宜，頻響特性好，精度高，測量范圍廣，安裝方便，易于補償?shù)葍?yōu)點。同時具有現(xiàn)場安裝不便，耐久性差，誤差大，抗電磁干擾能力差等缺點。綜合上述優(yōu)缺點，電阻應變片多用于環(huán)境電磁干擾小的短暫荷載增量下的構件應變監(jiān)測［2－4］。

2 工程實例

2.1 工程概況

需進行應變監(jiān)測的船舶是一艘有短艏樓的半潛式自航工程船，全船由艏段、尾段及艏樓上建總段三部分組成，各建造總段整體設計，分別進行船臺合攏。其中艏段(主甲板以下)設兩套可伸縮式全回轉推進器，艏樓上建總段內布置機艙和其它機械處所，五層上建和鋁合金飛機平臺位于艏樓上部。艏艏樓上建總段與艏部總段(主甲板以下部分)并行建造，都以船臺地面為建造基準進行各自的搭載。各自搭載完成后，為了實現(xiàn)兩個總段的合攏，需要把艏樓上建總段提升一定的高度，再把艏部總段水平拉移至艏樓上建總段的正下方，進行艏樓上建總段的安裝。

提升箱形梁即吊梁，共8只，左右舷各4只，采用箱形結構，既要滿足安裝公司提升裝置的配合尺寸，又要滿足與艏樓安裝的對位要求。為了配合提升鋼絞線下錨盤，箱形梁端部采用1.4m(W)×2m(H)高的矩形截面;為了與艏樓主結構強肋位對位，箱形梁與艏樓外板結合端采用變截面，箱形梁的上面板與艏樓8甲板對位，箱形梁的底板與艏樓7甲板對位，箱形梁的前后兩個側面板分別與艏樓的相鄰兩個強肋位對位，對位結合口處的尺寸為2.4m(W)×3.5m(H)。

艏樓上建總段與艏部總段(主甲板以下部分)并行建造，都以船臺地面為建造基準進行各自的搭載。各自搭載完成后，再實現(xiàn)兩個總段的合攏。

過程:首先，將提升艏樓上建總段的荷載穩(wěn)定增加至3 600 t，整體結構受力穩(wěn)定后再繼續(xù)增加荷載，達到4 200 t時整體結構開始脫離地面，然后緩慢提升到預定高度。

2.2 監(jiān)測點選擇

在確定監(jiān)測位置之前，我們先用ANSYS數(shù)值模擬軟件對艏樓完全吊裝起后，吊梁的受力情況進行了模擬，通過模擬我們可以知道整個吊裝過程吊梁的最大應力點，從而確定監(jiān)測點的布置位置和數(shù)量。計算機模擬吊梁的應力結果如圖2和圖3所示。

圖1 艏樓吊梁布置圖

圖2 計算機模擬吊梁上面受力情況示意圖

圖3 計算機模擬吊梁受力情況模型圖

根據(jù)計算機模擬的數(shù)值結果，優(yōu)化后的選擇1#、4#、5#、8 #吊梁布置監(jiān)測點。每個吊梁上對稱選取4個測點，測點編號分別為P 1，P 2，P3和P4見表1。

表1 應力測點編號與描述

圖4 吊梁測點布置圖

圖5 吊梁測點布置圖

3 監(jiān)測結果

艏樓上建總段提升的應力監(jiān)測分為兩個階段完成:

第一階段:相關清拆工作完成后，穩(wěn)定增加提升荷載至3 600 t后，保持狀態(tài)待結構受力穩(wěn)定，此過程中整體結構不離開地面;

第二階段:提升荷載由3 600 t穩(wěn)定增加到4 200 t后，整體結構離開地面并提升到預定高度。

在整體結構起吊的過程中，由于可能存在的各種因素(機械提升吊梁的不同步性、地基沉降、纜風繩的不穩(wěn)定性等)影響，各吊梁受力狀況在提升過程中可能會出現(xiàn)一些上下波動。艏樓吊裝提升是在夜間進行，艏樓上無其他施工進行，總提升時間為6 h左右。各監(jiān)測點在提升過程中的3種荷載狀態(tài)下的應力(主應力)值如表2、表3、表4、表5所示。

5 結論

根據(jù)上述監(jiān)測結果，在整體提升過程各吊梁最大應力點:1#LP4max=89.2MPa;4#LP2max=122.05MPa;5#RP2max= 124.22MPa;8#LP4max=115.41MPa;根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)可知各吊梁的最不利位置是P2、P4位置點。依據(jù)設計單位提供的最大允許應力180MPa，可知吊梁本身在提升過程中是安全的。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的結果對比可以看出，整體結構在提升過程中存在一定的不同步性，4#、5#吊梁的一些實測數(shù)據(jù)比模擬值稍大;1#、8#一些實測數(shù)據(jù)比模擬值稍小。分析原因是吊梁尺寸的差異，應變片安裝位置的差異，以及吊升過程的8個吊梁提升的不同步的原因造成的。

電阻應變片在工程應用的抗干擾能力較差和安裝不便的缺點在本次監(jiān)測中有明顯的體現(xiàn)，建議在現(xiàn)場施工應變監(jiān)測中盡量采用安裝方便、抗電磁干擾能力相對較強的傳感器。

［1］袁慎芳.結構健康監(jiān)控［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

［2］陶寶祺，熊克，袁慎芳，等.智能材料結構［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1997.

［3］袁慎芳，陶寶祺.強度型損傷自診斷自適應智能結構［J］.實驗力學，1996，11(1):30－37.

［4］王恰親.2010上海世博會英國館結構健康監(jiān)測研究［D］.杭州:浙江大學，2011.

表2 1#測點應力監(jiān)測結果 MPa

表3 4#監(jiān)測點應力監(jiān)測結果 MPa

表4 5#監(jiān)測點應力監(jiān)測結果 MPa

表5 8#監(jiān)測點應力監(jiān)測結果 MPa