李培剛，趙 雄，劉 丹，李俊奇，霍 釗，宣淦清

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院，上海 201418； 2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)在土木、交通、水利等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，這些結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役過程中受到外界因素作用影響，其健康安全會(huì)受到一定威脅，傳統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)多從結(jié)構(gòu)部件拉應(yīng)變或位移來監(jiān)測(cè)和評(píng)判，這對(duì)一些結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵部位傳力失效或是不均勻傳力等特征并未能較好監(jiān)測(cè)[1-3]?；炷两Y(jié)構(gòu)在服役中，自身質(zhì)量以及外荷載的作用最終都會(huì)通過部件和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傳給大地，其中，壓力是其傳遞的主要特征。傳統(tǒng)的壓電傳感器或其他傳感器，由于測(cè)試原理等原因，無法直接測(cè)試壓力[4-5]。薄膜壓力傳感器作為一種新型的傳感器，由于具有體積小等特征，將其嵌入到被檢測(cè)物體內(nèi)部，對(duì)結(jié)構(gòu)本身受力影響較小，并且可有效地對(duì)結(jié)構(gòu)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)[6-10]。薄膜壓力傳感器一般是將力敏材料印刷在2個(gè)基材上，通過絕緣膠水粘住，引出端子進(jìn)行測(cè)試。圖1為目前廣泛采用的薄膜壓力傳感器，傳感器對(duì)于外界來說是一個(gè)電阻，當(dāng)不受力時(shí)電阻很大。傳感器受到壓力時(shí)會(huì)引起力敏材料電阻發(fā)生變化，壓力越大，電阻越小，其壓阻特性表現(xiàn)為電阻與壓力呈冪函數(shù)關(guān)系，電阻倒數(shù)與壓力值呈近似線性關(guān)系[11-13]。

圖1 薄膜壓力傳感器

目前，不少學(xué)者開展結(jié)構(gòu)壓力監(jiān)測(cè)，張力[14]采用土壓力盒對(duì)風(fēng)井井筒進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)；芮瑞[15]對(duì)膜式土壓力盒進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，通過測(cè)量膜的變形(撓曲)量獲取壓力值；劉萌[16]將光纖Bragg光柵應(yīng)用在隧道圍巖壓力監(jiān)測(cè)上；張營(yíng)[17]在對(duì)深基坑結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)時(shí)采用鋼筋應(yīng)力計(jì)和混凝土應(yīng)變計(jì)。薄膜壓力傳感器也廣泛應(yīng)用在壓力監(jiān)測(cè)上，劉開源[18]，廖波[19-20]，張紫濤等[21]將薄膜壓力傳感器用于土壓力監(jiān)測(cè)，對(duì)電阻式薄膜壓力傳感器進(jìn)行了標(biāo)定和模型試驗(yàn)。目前，對(duì)于薄膜壓力傳感器的研究主要在土壓力監(jiān)測(cè)上，在混凝土壓力監(jiān)測(cè)上研究相對(duì)較少。

依托某中低速磁浮軌道梁靜載試驗(yàn)項(xiàng)目，提出使用薄膜壓力傳感器對(duì)軌道梁試驗(yàn)過程中內(nèi)部壓力傳遞和變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。首先，對(duì)嵌入薄膜壓力傳感器的混凝土柱進(jìn)行試驗(yàn)，將薄膜壓力傳感器測(cè)試出的混凝土壓力值與實(shí)驗(yàn)實(shí)際施加的壓力值進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證采用薄膜壓力傳感器對(duì)混凝土進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)的合理性；然后，進(jìn)行有限元仿真，分析嵌入薄膜壓力傳感器后對(duì)混凝土應(yīng)力影響，為薄膜壓力傳感器在混凝土壓力傳遞監(jiān)測(cè)提供可能性。

1 嵌入薄膜壓力傳感器的混凝土柱制作與試驗(yàn)

為探究薄膜壓力傳感器在混凝土中的適應(yīng)性，采用尺寸為10 mm×20 mm×0.2 mm薄膜壓力傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，傳感器量程為10 000 N。

1.1 嵌入薄膜壓力傳感器的混凝土柱制作過程

(1)對(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的薄膜壓力傳感器檢驗(yàn)，在不受力的情況下薄膜壓力傳感器電阻>2 MΩ，施加壓力后電阻減小。

(2)薄膜壓力傳感器質(zhì)地柔軟，制作時(shí)將上下兩層敏感材料粘貼在一起，在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過程中，會(huì)出現(xiàn)粘貼不牢固的情況，且處于潮濕環(huán)境中時(shí)會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差，因此，需進(jìn)行封裝。薄膜壓力傳感器封裝如圖2所示，將厚度為0.1 mm的金屬片裁剪成20 mm×20 mm形狀，在2個(gè)金屬片之間涂上環(huán)氧樹脂膠后將傳感器粘貼在中間，環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)能力強(qiáng)，附著性好，可粘結(jié)各種金屬及合金、塑料、混凝土等材料，在防止傳感器損壞的情況下也能起到防水作用。

圖2 薄膜壓力傳感器封裝圖示

(3)薄膜壓力傳感器的端子較短，需用導(dǎo)線引出以方便測(cè)試，傳感器端子和導(dǎo)線用熱縮套管連接，外圍使用絕緣防水膠帶固定，并涂上防水硅膠。為保證傳感器輸出的精度，導(dǎo)線可采用φ0.2 mm銅線，圖3為已封裝薄膜壓力傳感器。

圖3 已封裝薄膜壓力傳感器

(4)選取150 mm×150 mm×300 mm模具，在模具表面均勻涂上煤油以方便拆模，采用C50混凝土澆筑。嵌入式薄膜壓力傳感器在混凝土試塊中的固定非常重要，主要研究薄膜壓力傳感器在標(biāo)準(zhǔn)棱柱體中央的受力情況，如出現(xiàn)傳感器偏移、彎曲等情況，則會(huì)造成較大的實(shí)驗(yàn)誤差。用扎絲制作成如圖4所示的骨架，將薄膜壓力傳感器固定在中央，在澆筑混凝土?xí)r將其放在模具中，確保在澆筑和振動(dòng)時(shí)骨架在混凝土正中央，引線從模具上端引出，振實(shí)后放置24 h后拆模，養(yǎng)護(hù)28 d。

圖4 放置薄膜壓力傳感器骨架

1.2 嵌入薄膜壓力傳感器的混凝土柱試驗(yàn)研究

在試驗(yàn)之前對(duì)薄膜壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)將傳感器放置在小型壓力試驗(yàn)機(jī)夾具中心位置，推動(dòng)手壓桿向下施加壓力，每50 N記錄薄膜壓力傳感器電阻值，通過線性擬合，確定薄膜壓力傳感器電阻與壓力的關(guān)系。當(dāng)壓力大于0時(shí)，關(guān)系如下

(1)

式中，F(xiàn)t為薄膜壓力傳感器表面壓力值，N；R為薄膜壓力傳感器測(cè)試電阻值，kΩ。

薄膜壓力傳感器受壓表面大小為10 mm×20 mm，混凝土柱受壓面大小為150 mm×150 mm，為得到施加在混凝土面上的壓力，需進(jìn)行以下?lián)Q算

Fc=112.5×Ft

(2)

式中，F(xiàn)c為混凝土表面壓力值，N；Ft為薄膜壓力傳感器表面壓力值，N。

混凝土試塊在達(dá)到齡期后進(jìn)行加載試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)采用萬能試驗(yàn)機(jī)施加荷載，在混凝土一側(cè)粘貼應(yīng)變片，測(cè)量混凝土在受壓過程中垂向應(yīng)變，通過混凝土應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算關(guān)系得到混凝土應(yīng)力，用萬用表記錄薄膜壓力傳感器電阻值。對(duì)混凝土試塊在預(yù)加載后，首先進(jìn)行5次最大荷載值為450 kN(20 MPa)的循環(huán)加載；然后進(jìn)行破壞加載，分析試驗(yàn)機(jī)壓力值與薄膜壓力傳感器電阻值、混凝土壓力計(jì)算值的關(guān)系。

選取其中一個(gè)混凝土柱進(jìn)行分析。圖5為嵌入傳感器的混凝土柱加載示意，圖6為混凝土加載至破壞。

圖5 混凝土柱加載

圖6 混凝土加載至破壞

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示，通過式(1)、式(2)將薄膜壓力傳感器電阻值換算成混凝土壓力計(jì)算值進(jìn)行分析；圖7為試驗(yàn)機(jī)壓力值與混凝土壓力計(jì)算值關(guān)系曲線；表2為針對(duì)450 kN最大荷載下，5次循環(huán)加載時(shí)試驗(yàn)機(jī)壓力值與混凝土壓力計(jì)算值分析。

表1 薄膜壓力傳感器電阻值計(jì)算結(jié)果(混凝土柱在450 kN最大荷載作用下5次循壞加載)

圖7 混凝土壓力計(jì)算值與試驗(yàn)機(jī)壓力值關(guān)系曲線

表2 混凝土壓力計(jì)算值與試驗(yàn)機(jī)壓力值關(guān)系(混凝土柱在450 kN最大荷載作用下5次循壞加載)

對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析薄膜壓力傳感器、混凝土壓力計(jì)算值、混凝土應(yīng)力與試驗(yàn)機(jī)壓力值的關(guān)系，可得出以下結(jié)論。

(1)壓力值為0時(shí)，薄膜壓力傳感器有初始電阻，電阻值介于27.8～29.8 kΩ，多次加載后，傳感器的初始電阻值減小。由圖7可以看出，薄膜壓力傳感器在混凝土中的適應(yīng)性較好，能基本反映荷載的變化情況，除第一次加載外，薄膜壓力傳感器的重復(fù)性較好，可適應(yīng)混凝土多次循環(huán)加載情況。

(2)在450 kN荷載值內(nèi)，試驗(yàn)機(jī)壓力值與混凝土壓力計(jì)算值基本呈線性關(guān)系，5次加載的相關(guān)系數(shù)均大于96%，斜率在1.012～1.323，表明混凝土壓力計(jì)算值與試驗(yàn)機(jī)壓力值基本一致，從薄膜壓力傳感器電阻值可分析得到混凝土表面的壓力值。

(3)5次加載下截距均小于0，說明在混凝土澆筑后薄膜壓力傳感器表面已產(chǎn)生壓力，因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)需將初始?jí)毫w零后分析。

對(duì)試塊加載到破壞，得到破壞階段混凝土壓力計(jì)算值與試驗(yàn)機(jī)壓力值關(guān)系曲線，如圖8所示?？梢钥闯觯炷林诤奢d值達(dá)到680 kN時(shí)進(jìn)入塑性階段，壓力計(jì)算值曲線變緩，后期傳遞到薄膜壓力傳感器的荷載小于混凝土實(shí)際施加的荷載。

圖8 混凝土壓力計(jì)算值與試驗(yàn)機(jī)壓力值關(guān)系曲線(混凝土試塊加載到破壞階段)

2 嵌入式薄膜壓力傳感器的混凝土柱有限元分析

為驗(yàn)證薄膜壓力傳感器對(duì)壓力監(jiān)測(cè)的可靠性和合理性，進(jìn)行有限元分析，首先，建立有限元模型，對(duì)混凝土應(yīng)力和壓力計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析；然后，分析均布荷載下薄膜壓力傳感器和周圍混凝土的應(yīng)力變化，以及單調(diào)加載時(shí)嵌入薄膜壓力傳感器前后混凝土應(yīng)力。

2.1 有限元模型建立

采用尺寸為10 mm×20 mm×0.2 mm的薄膜壓力傳感器，尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的混凝土試塊進(jìn)行仿真分析。建模時(shí)采用整體模型建立，避免由于接觸問題導(dǎo)致模型不收斂[22]。由于薄膜壓力傳感器質(zhì)地柔軟，故用2個(gè)金屬片將薄膜壓力傳感器夾在中間，共同處于混凝土結(jié)構(gòu)中心，金屬片可防止由于薄膜壓力傳感器彎曲對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

模型采用C3D8R單元建立，薄膜壓力傳感器、金屬片、混凝土材料屬性如表3所示，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，混凝土采用損傷塑性模型[23-24]，薄膜壓力傳感器和金屬片采用彈性模型。均布荷載受力分析時(shí)，在混凝土表面施加20 MPa均布荷載。在對(duì)傳感器單元格劃分時(shí)，傳感器寬度方向劃分5個(gè)單元格，長(zhǎng)度方向劃分10個(gè)單元格，圖9(a)為整體仿真模型，圖9(b)為薄膜壓力傳感器仿真模型。

表3 模型參數(shù)取值

圖9 仿真模型

2.2 受力分析

2.2.1 混凝土應(yīng)力及壓力計(jì)算值與試驗(yàn)機(jī)壓力值關(guān)系對(duì)比

圖10分析了試塊加載到破壞階段時(shí)混凝土應(yīng)力及壓力計(jì)算值與試驗(yàn)機(jī)壓力值關(guān)系，可以得到：在混凝土柱進(jìn)入塑性階段后，混凝土應(yīng)力和壓力計(jì)算值均出現(xiàn)突變。當(dāng)荷載值加到680 kN時(shí)，混凝土壓力計(jì)算值和混凝土應(yīng)力曲線呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榛炷猎诖藭r(shí)開始屈服，隨著荷載增加，混凝土應(yīng)力逐漸較小，傳遞到混凝土內(nèi)部的壓力也逐漸減小。

圖10 混凝土應(yīng)力及壓力計(jì)算值與試驗(yàn)機(jī)壓力值關(guān)系曲線(混凝土試塊加載到破壞)

2.2.2 均布荷載下薄膜壓力傳感器和周圍混凝土應(yīng)力分析

在20 MPa荷載作用下，薄膜壓力傳感器及周圍混凝土應(yīng)力云圖如圖11所示。薄膜壓力傳感器應(yīng)力為18.67～23.68 MPa，周圍混凝土應(yīng)力為19.34～20.13 MPa，薄膜壓力傳感器應(yīng)力分布范圍較大，最大值大于周圍混凝土的應(yīng)力，與混凝土接觸部分應(yīng)力最大，為23.68 MPa，應(yīng)力值相差15.0 %，對(duì)周圍混凝土結(jié)構(gòu)受力影響較小。薄膜壓力傳感器嵌入到混凝土中，由于薄膜壓力傳感器彈性模量較大，可滿足較小量程的薄膜壓力傳感器測(cè)試較大荷載要求。

圖11 薄膜壓力傳感器及周圍混凝土應(yīng)力云圖

2.2.3 單調(diào)加載時(shí)嵌入薄膜壓力傳感器前后混凝土應(yīng)力分析

單調(diào)施加壓力時(shí)，將薄膜壓力傳感器嵌入到混凝土結(jié)構(gòu)中央，以結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)為分析對(duì)象，分析嵌入傳感器后薄膜壓力中心點(diǎn)荷載與應(yīng)力關(guān)系，以及未嵌入傳感器時(shí)相同位置的混凝土荷載與應(yīng)力關(guān)系，如圖12所示。由圖12可以得出，薄膜壓力傳感器和混凝土在彈性階段變化趨勢(shì)一致，在混凝土進(jìn)入塑性階段，由于薄膜壓力傳感器的彈性模量大于混凝土彈性模量，塑性階段隨著荷載增加，相同均布荷載下混凝土應(yīng)力大于薄膜壓力傳感器的應(yīng)力，相差范圍較小，基本不影響混凝土受力，說明嵌入薄膜壓力傳感器后對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)本身的受力影響較小，驗(yàn)證了薄膜壓力傳感器監(jiān)測(cè)混凝土壓力的合理性。

圖12 薄膜壓力傳感器嵌入前后壓力與結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)應(yīng)力關(guān)系曲線

3 結(jié)論

針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)壓力監(jiān)測(cè)的需求，提出使用薄膜壓力傳感器進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)的方法，介紹嵌入薄膜壓力傳感器的混凝土柱制作過程，對(duì)其進(jìn)行循環(huán)加載和破壞加載，并通過有限元軟件對(duì)混凝土柱進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論。

(1)對(duì)薄膜壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定后，嵌入150 mm×150 mm×300 mm混凝土柱內(nèi)，在450 kN(20 MPa)最大荷載作用下；混凝土壓力計(jì)算值與試驗(yàn)機(jī)壓力值呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大于96 %，薄膜壓力傳感器可以更好地反映混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力；加載至破壞時(shí)，混凝土壓力計(jì)算值逐漸下降。

(2)有限元仿真時(shí)，混凝土應(yīng)力和混凝土壓力計(jì)算值隨試驗(yàn)機(jī)壓力值的變化趨勢(shì)基本一致，在20 MPa均布荷載作用下，薄膜壓力傳感器應(yīng)力變化范圍比周圍混凝土大，與混凝土接觸部分的應(yīng)力最大，最大值相差15.0%；單調(diào)荷載下，嵌入薄膜壓力傳感器前后結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)在彈性階段變化趨勢(shì)一致，基本不影響混凝土的受力。

(3)研究表明，薄膜壓力傳感器用于混凝土的壓力監(jiān)測(cè)具有較好可行性。