楊茂

【摘 要】隨著國內(nèi)社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，各種大型復雜工程結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，日益向大型化、復雜化和智能化方向發(fā)展。這些重要工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測和損傷識別越來越受到學術(shù)界和工程界的重視。壓電智能材料的成功應用，為基于機電阻抗法的結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)的發(fā)展提供了機遇。機電阻抗技術(shù)集激勵和傳感于一體，具有主動自感知的優(yōu)良特性，屬于高頻局部損傷探測技術(shù)的范疇，對結(jié)構(gòu)早期微小損傷非常敏感，并且可以隔離環(huán)境或遠程荷載，適合結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測。近年來，機電阻抗技術(shù)在航空航天、機械工程和土木工程等領(lǐng)域逐漸得到應用。但是，機電阻抗技術(shù)在阻抗建模、數(shù)據(jù)分析以及損傷識別等方面仍然存在很多挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】機電阻抗；結(jié)構(gòu)損傷；識別方法

引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市建設(shè)速度的不斷加快，社會需求的日益提高，各種大型復雜工程結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)。土木工程結(jié)構(gòu)逐漸趨向大型化、復雜化和多樣化。這些工程結(jié)構(gòu)體形龐大、結(jié)構(gòu)復雜，服役期往往長達幾十年，甚至上百年。同時，這些結(jié)構(gòu)在國民生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，一旦在服役期間出現(xiàn)嚴重事故，如橋梁的突然折斷、房屋建筑的驟然倒塌、輸油管道的泄露等，必將給國家造成重大的社會影響和財產(chǎn)損失。但是，處于自然環(huán)境中的工程結(jié)構(gòu)，長期受到各種環(huán)境荷載以及地震、臺風、海嘯、爆炸和車船碰撞等突發(fā)性荷載的共同作用，從服役開始結(jié)構(gòu)就面臨著損傷問題。隨著工程結(jié)構(gòu)服役年限的不斷增加，結(jié)構(gòu)中經(jīng)常存在的表面破損或缺陷，易引起人們的重視；而結(jié)構(gòu)中還存在著肉眼不可見的內(nèi)在缺陷和微小損傷，這些損傷較易被忽視。當損傷積累到一定程度后，會造成工程結(jié)構(gòu)的抗力衰減，使結(jié)構(gòu)的安全性、實用性和耐久性降低，極端情況下會導致整個工程結(jié)構(gòu)的突然失效，造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失。為了保證工程結(jié)構(gòu)的安全，就需要一個有效的結(jié)構(gòu)損傷識別方法，使損傷積累尚未到達威脅結(jié)構(gòu)安全程度之前就能夠被檢測出來，從而對損傷結(jié)構(gòu)給予及時修復，保證工程結(jié)構(gòu)的安全運行。

1機電阻抗模型

機電阻抗技術(shù)是一種不依賴于模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測和損傷識別技術(shù)。對于大型復雜結(jié)構(gòu)，由于沒有建立合適的理論模型，很難將所測得的電阻抗信號同被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)定量地聯(lián)系起來。因此，建立合適的機電阻抗模型，對結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的定量分析具有重要意義。目前，用于傳感器一主體結(jié)構(gòu)體系振動分析的方法主要有三種，分別為靜力等效法、動力有限元法以及機電阻抗法。

靜力等效法主要基于兩個基本假定：即傳感器與主體結(jié)構(gòu)之間的相互作用是位于傳感器端部的集中力，以及獲得的集中力與激勵頻率無關(guān)。該集中力可通過傳感器與結(jié)構(gòu)的位移協(xié)調(diào)方程和靜力平衡方程求解得到，然后用該力求解結(jié)構(gòu)的靜動力響應。動力有限元法是數(shù)值求解中應用較為廣泛的一種，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)動態(tài)響應提供準確的預測，是進行結(jié)構(gòu)動態(tài)響應分析的有效手段。但其仍存在不足之處，例如，為了滿足收斂性，在機電阻抗傳感器周圍需要很精細的網(wǎng)格劃分，這導致計算效率較低：并且沒有反映傳感器與結(jié)構(gòu)相互作用的物理本質(zhì)。機電阻抗法作為分析研究傳感器與結(jié)構(gòu)相互作用的重要方法之一，它具有物理意義明確、計算效率高等特點，成為當前國內(nèi)外學者的研究對象之一。

2結(jié)構(gòu)損傷識別

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的幾部分內(nèi)容中，結(jié)構(gòu)損傷診斷與識別是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的核心。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的最主要環(huán)節(jié)就是結(jié)構(gòu)損傷識別研究。結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生損傷具體表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的某些特征參數(shù)發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)損傷識別是對結(jié)構(gòu)進行檢測，診斷結(jié)構(gòu)損傷是否存在，進而判斷結(jié)構(gòu)損傷的位置及發(fā)展程度。結(jié)構(gòu)損傷識別研究的基本內(nèi)容有三個：1）判斷結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生損傷；2）判別結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的位置；3）判斷結(jié)構(gòu)的損傷程度。結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)可以分為全局損傷識別技術(shù)和局部損傷識別技術(shù)。全局損傷識別方法針對于解決整個結(jié)構(gòu)特別是大型復雜結(jié)構(gòu)的損傷識別問題。結(jié)構(gòu)損傷的出現(xiàn)，必將影響結(jié)構(gòu)的固有屬性，使得表征結(jié)構(gòu)動力特性的某些特征參數(shù)發(fā)生變化，如結(jié)構(gòu)固有頻率的改變、結(jié)構(gòu)阻尼的增大、結(jié)構(gòu)剛度的降低等。因此，通過研究損傷產(chǎn)生前后結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的改變來對結(jié)構(gòu)損傷進行識別。基于振動的模態(tài)分析方法對檢測簡單結(jié)構(gòu)的全局損傷比較可靠，而基于波動的損傷識別方法對局部損傷較為敏感。

3基于粘貼型機電阻抗傳感器的管道結(jié)構(gòu)損傷識別研究

機電阻抗（EMI）技術(shù)作為近來興起的一種有效的結(jié)構(gòu)損傷識別方法，其對結(jié)構(gòu)局部區(qū)域特性的變化很敏感，便利于監(jiān)測結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的損傷并對損傷程度進行評估。對管道結(jié)構(gòu)進行實時的損傷監(jiān)測，是建立管道結(jié)構(gòu)損傷識別系統(tǒng)的基本前提。管道結(jié)構(gòu)損傷識別系統(tǒng)的有效運行離不開機電阻抗傳感器的合理布設(shè)，機電阻抗傳感器的形狀、數(shù)量和位置對監(jiān)測結(jié)果起決定性的作用。

將統(tǒng)計特征指標RMSD作為損傷指數(shù)，定量地分析管道系統(tǒng)局部損傷的發(fā)展過程以及發(fā)展程度，并實現(xiàn)對裂紋損傷的定位。得到以下結(jié)論：

（1）直管道結(jié)構(gòu)與K型管結(jié)點模型試驗結(jié)果一致反映出：I）基于EMI技術(shù)能夠靈敏地反映管道系統(tǒng)中局部微小變化，能對管道系統(tǒng)早期的局部微小損傷進行有效地識別；2）在損傷程度不斷擴展的過程中，損傷指數(shù)RMSD逐漸增長，并且結(jié)構(gòu)等效機械阻抗和結(jié)構(gòu)損傷敏感因子D的損傷指數(shù)增幅更大，變化更加明顯。由此定量地描述管道系統(tǒng)局部損傷的發(fā)展過程以及發(fā)展程度；3）通過布設(shè)的機電阻抗傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用結(jié)構(gòu)損傷敏感因子D能夠準確地預測管道系統(tǒng)中損傷發(fā)生的位置，實現(xiàn)對管道系統(tǒng)裂紋損傷的定位。

（2）直管道試驗結(jié)果中，對比裂紋I與裂紋II的結(jié)構(gòu)等效機械阻抗和結(jié)構(gòu)損傷敏感因子D對應的損傷指數(shù)RMSD發(fā)現(xiàn)：傳感器距離損傷位置越近，損傷指數(shù)RMSD越大且變化越明顯，識別的效果越好。

（3）基于K型管結(jié)點模型試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）當裂紋損傷發(fā)生在弦管上時，布置在弦管的機電阻抗傳感器對于徑向斷裂和軸向劈裂等兩種裂紋形式都很敏感，能夠反映出兩種裂紋的存在。通過研究結(jié)構(gòu)損傷敏感因子D對應的損傷指數(shù)RMSD發(fā)現(xiàn)，靠近損傷一側(cè)的撐管上部分機電阻抗傳感器能夠微弱地感應到弦管上出現(xiàn)的損傷，這說明了撐管上各傳感器對于弦管上的損傷不敏感：2）當裂紋損傷發(fā)生在撐管上時，撐管的機電阻抗傳感器對于徑向斷裂和軸向劈裂等兩種裂紋形式都很敏感，能夠反映出裂紋損傷的存在。弦管上接近裂紋損傷的機電阻抗傳感器能夠感應到撐管上出現(xiàn)的裂紋損傷；3）當裂紋損傷沿焊縫處發(fā)展，在弦管和撐管上接近裂紋損傷的機電阻抗傳感器都能夠感應到裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展過程，這說明了利用改進的EMI技術(shù)能夠同時在弦管和撐管上監(jiān)測沿焊縫發(fā)展的裂紋損傷。

結(jié)束語

工程結(jié)構(gòu)的安全問題己經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注和重視，如果能在災難到來之前對其預測，進行評估以趨利避害成為目前研究的焦點。因此，對工程結(jié)構(gòu)整個服役期的健康狀況進行監(jiān)測和診斷，及時地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，有效地避免突發(fā)事故造成的傷害，已經(jīng)成為未來土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷識別研究中的主要內(nèi)容和必然要求，也是土木工程學科發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。

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（作者單位：國網(wǎng)山東省電力公司招遠市供電公司）