鄭力之，江 邁，張自強(qiáng)，蔣田勇

(1.中南建設(shè)集團(tuán)有限公司，長沙 410035； 2.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410114)

π型鋼-混凝土組合梁由兩條工型梁、中間橫梁及預(yù)制橋面板組成[1]，其包含超高性能混凝土(UHPC)[2]，且存在各種界面，包括普通混凝土與UHPC界面、普通混凝土內(nèi)部界面和UHPC內(nèi)部界面等。隨著使用年限的增長，π型鋼-混凝土組合梁在服役期內(nèi)的界面疲勞問題也凸顯出來，尤其是受到長期疲勞荷載作用后，組合梁內(nèi)部各界面會產(chǎn)生不同程度的損傷。研究表明，鋼-混凝土組合梁內(nèi)部的界面疲勞損傷會大幅削弱組合梁的承載能力和力學(xué)性能，從而很大程度上降低組合梁的安全性和結(jié)構(gòu)可靠性[3]。因此，有必要采用一種成熟可靠的監(jiān)測方法對π型鋼-混凝土組合梁內(nèi)部界面的疲勞損傷狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

目前，鋼-混組合結(jié)構(gòu)界面損傷常用的監(jiān)測技術(shù)主要有紅外熱成像法、超聲波法[4]、聲發(fā)射法[5]等。RUCKA等[6]使用超聲波對鋼-混組合構(gòu)件界面相對滑移量進(jìn)行了監(jiān)測。YAN等[7]使用聲發(fā)射法對鋼-混組合構(gòu)件中鋼混組合界面進(jìn)行了監(jiān)測，但該法屬于被動監(jiān)測，不能滿足大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測需求。上述方法都存在不同程度的優(yōu)缺點(diǎn)，而基于壓電陶瓷(PZT)的監(jiān)測方法具有頻響寬、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，在土木工程智能監(jiān)測領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景[8-10]。蔣田勇等[11]利用壓電智能材料對型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)界面損傷進(jìn)行了監(jiān)測，并驗(yàn)證了壓電監(jiān)測的可靠性。然而，利用壓電傳感技術(shù)對π型鋼-混凝土組合梁界面進(jìn)行疲勞損傷監(jiān)測的研究很少，為了進(jìn)一步探究組合梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部疲勞損傷的形成與發(fā)展過程，筆者采用壓電主動傳感技術(shù)對π型鋼-混凝土組合梁的界面疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)，旨在識別其內(nèi)部界面的疲勞損傷狀況，確保該類組合梁的健康服役。

1 試驗(yàn)原理

π型鋼-混凝土組合梁在疲勞荷載的作用下，π型鋼、普通混凝土以及UHPC等材料的界面會發(fā)生疲勞損傷，基于壓電陶瓷的π型鋼-混凝土組合梁界面損傷監(jiān)測原理如圖1所示。圖1中π型鋼梁上黏貼的PZT片為驅(qū)動器，普通混凝土和UHPC內(nèi)部埋設(shè)的壓電智能骨料(SA)為傳感器。π型鋼-混凝土組合梁在疲勞荷載作用下，鋼混界面位置處可能出現(xiàn)剝離、脫落等現(xiàn)象，應(yīng)力波傳播路徑受阻，導(dǎo)致傳感器所采集到的響應(yīng)信號減少。隨著疲勞荷載的增加，傳感器采集到的響應(yīng)信號進(jìn)一步衰減，由此可以通過應(yīng)力波信號的變化來判斷界面損傷程度。對于普通混凝土與UHPC之間的界面損傷，其監(jiān)測原理與鋼混界面損傷的監(jiān)測原理基本一致。在普通混凝土與UHPC之間界面在受到疲勞作用時，混凝土中可能會產(chǎn)生裂縫，造成應(yīng)力波信號受阻，使得傳感器在疲勞作用后采集到的響應(yīng)應(yīng)力波信號比健康狀態(tài)的響應(yīng)應(yīng)力波信號小，進(jìn)而可以判斷這些位置是否出現(xiàn)了裂縫以及裂縫是否擴(kuò)大。

圖1 π型鋼-混凝土組合梁界面損傷監(jiān)測原理示意

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)材料

為了對π型鋼-混凝土組合梁界面疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)長益擴(kuò)容工程中的π型鋼-混凝土組合梁的構(gòu)造，采用對稱性原則，只取兩條工型梁中的一條工型梁，并將其與普通混凝土和超高性能混凝土等組合構(gòu)成試驗(yàn)梁。其中，該試驗(yàn)梁受拉區(qū)縱向采用HRB 400型直徑為14 mm的鋼筋，橫向采用HRB 400型直徑為8 mm的鋼筋，中端結(jié)合部采用HRB 400型直徑為12 mm的鋼筋，鋼板為HRB 345型鋼，混凝土強(qiáng)度為C50，高性能混凝土UHPC在常溫養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓極限為120 MPa。π型鋼-混凝土組合試驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 π型鋼-混凝土組合試驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)示意

在π型鋼-混凝土組合試驗(yàn)梁外部鋼材上黏貼PZT片作為驅(qū)動器，在普通混凝土與高性能混凝土內(nèi)部預(yù)埋壓電智能骨料作為傳感器，監(jiān)測π型鋼與混凝土界面、普通混凝土與超高性能混凝土界面在疲勞作用下?lián)p傷的產(chǎn)生和發(fā)展過程。疲勞試驗(yàn)中壓電陶瓷使用周期長，監(jiān)測環(huán)境復(fù)雜，且應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)界面中的傳播路徑復(fù)雜，因此擬選用的壓電陶瓷應(yīng)具有高剛度、高動態(tài)性、環(huán)境兼容性好、高分辨率、高可靠性等特性。試驗(yàn)選用的壓電陶瓷為壓縮型的PZT-5H型，其直徑為10 mm，厚度為0.2 mm。其材料特性如下：壓電常數(shù)為640 C·N-1；介電常數(shù)為3 400 F·m-1；介質(zhì)損耗為1.3;機(jī)械品質(zhì)因子為75;機(jī)電耦合系數(shù)為0.68;居里溫度為250 ℃。黏貼好的PZT片和智能骨料實(shí)物如圖3所示。鑒于試驗(yàn)中采集到的監(jiān)測信號數(shù)據(jù)量較大，文章只取試驗(yàn)梁的一半且有代表性的截面位置(見圖2)，試驗(yàn)梁不同截面位置處壓電傳感器與驅(qū)動器布置情況如表1所示。

圖3 黏貼好的PZT片和智能骨料實(shí)物

表1 試驗(yàn)梁不同位置處壓電傳感器與驅(qū)動器布置情況

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

疲勞試驗(yàn)加載裝置主要包括MTS疲勞機(jī)、π型鋼-混凝土組合試驗(yàn)梁、反力架以及分配梁等，疲勞加載試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖4所示。

圖4 疲勞試驗(yàn)加載裝置實(shí)物

疲勞試驗(yàn)加載前，先進(jìn)行試驗(yàn)梁的靜力預(yù)加載，以100 kN進(jìn)行分級預(yù)加載，其最大荷載為600 kN。疲勞荷載的最大荷載也為600 kN，荷載比R為0.5，加載頻率為3 Hz。為了得到試驗(yàn)梁界面損傷隨疲勞荷載次數(shù)增加的發(fā)展情況，試驗(yàn)過程中,在10萬次、20萬次、30萬次、40萬次、50萬次、80萬次、110萬次、140萬次、170萬次、200萬次等10個加載次數(shù)下采集相應(yīng)的響應(yīng)信號。

2.3 損傷監(jiān)測過程

π型鋼-混凝土組合試驗(yàn)梁數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括NI USB-6363型數(shù)據(jù)采集儀、POWER AMPLIFIER MODEL 603型功率放大器以及便攜式計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集儀通過BNC接頭(攝像設(shè)備輸出導(dǎo)線和攝像機(jī)連接頭)分別連接傳感器和驅(qū)動器，其中發(fā)射端連接壓電驅(qū)動器，接收端連接壓電傳感器。壓電驅(qū)動器采用正弦掃頻信號，其中PZT與智能骨料(SA)的掃頻范圍為100 Hz～250 kHz，智能骨料之間的掃頻范圍為100 Hz～150 kHz，掃頻波的振幅為10 V，掃頻持續(xù)時間為1 s。數(shù)據(jù)采集儀在接收傳感器的響應(yīng)應(yīng)力波信號后，會將該應(yīng)力波信號轉(zhuǎn)換成電信號。然后，利用Labview與MATLAB等軟件編制的信號處理程序，將電信號轉(zhuǎn)換成時域信號、頻域信號以及小波包能量，進(jìn)而判斷組合試驗(yàn)梁界面在疲勞作用后是否產(chǎn)生損傷并評估損傷的發(fā)生發(fā)展情況。

3 結(jié)果分析

3.1 時域分析

壓電陶瓷的時域分析法，是對幅值隨時間的變化進(jìn)行分析的方法，自變量為時間，因變量為信號幅值。時域分析法中，傳感器采集的應(yīng)力波信號能直觀地在時域信號圖中顯示出來，通過對時域信號圖的表征信號進(jìn)行分析，能夠直接判斷出結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)。

試驗(yàn)中，先對試驗(yàn)梁施加靜載，后在靜載的基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞加載，試驗(yàn)工況(工況115)設(shè)置為：0,100,200,400,600 kN；10萬次,20萬次,30萬次,40萬次,50萬次,80萬次,110萬次,140萬次,170萬次,200萬次疲勞加載。π型鋼-混凝土Ⅰ-Ⅰ界面中PZT1-SA1的時域信號如圖5所示；π型鋼-混凝土Ⅱ-Ⅱ界面中PZT3-SA2的時域信號如圖6所示；普通混凝土與UHPC界面中SA2-SA3的時域信號如圖7所示。

圖5 π型鋼-混凝土Ⅰ-Ⅰ界面中PZT1-SA1的時域信號

從圖5中可以看出，π型鋼-混凝土Ⅰ-Ⅰ界面中PZT1-SA1的時域信號在靜載由0 kN提高至600 kN的過程中，時域信號峰值基本未產(chǎn)生變化；在疲勞過程中，0次至80萬次疲勞作用過程中，時域信號峰值變化不大，均為0.05 V～0.06 V；在80萬次至140萬次疲勞荷載作用過程中，時域信號峰值減小，說明π型鋼-混凝土界面處出現(xiàn)了疲勞損傷；在140萬次至200萬次疲勞荷載作用過程中，時域信號峰值進(jìn)一步變小，說明該位置處的損傷進(jìn)一步加劇。

從圖6中可以看出，π型鋼-混凝土Ⅱ-Ⅱ界面在疲勞荷載作用下，存在著界面疲勞損傷的現(xiàn)象，即在前140萬次疲勞荷載作用后，并未出現(xiàn)明顯的時域信號峰值下降的現(xiàn)象，而在140萬次至200萬次疲勞荷載作用時出現(xiàn)了峰值下降現(xiàn)象，π型鋼-混凝土界面出現(xiàn)損傷，且損傷隨疲勞荷載作用的次數(shù)增加而加劇。

圖6 π型鋼-混凝土Ⅱ-Ⅱ界面中PZT3-SA2的時域信號

π型鋼-混凝土組合試驗(yàn)梁Ⅱ-Ⅱ界面處的普通混凝土內(nèi)部埋設(shè)有智能骨料SA2，而在相同位置處UHPC層埋設(shè)有智能骨料SA3，由此SA2與SA3共同組成損傷監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測不同混凝土層界面的疲勞損傷。該監(jiān)測系統(tǒng)在靜力加載的過程中，由于未使用功率放大器對驅(qū)動器與傳感器之間的信號進(jìn)行放大，所以在分析中僅取10萬次疲勞后的信號進(jìn)行分析。從圖7中可以看出，普通混凝土與高性能混凝土UHPC之間的界面損傷的整體趨勢是隨著疲勞次數(shù)的增加逐漸增加。圖1中時域信號隨著疲勞荷載次數(shù)增加到80萬次，其時域信號的最大值逐漸減??；當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到110萬次和140萬次后，時域信號的最大值幾乎沒有改變；隨著疲勞次數(shù)增加到170萬次和200萬次，時域信號的最大值又出現(xiàn)繼續(xù)下降的趨勢，這說明普通混凝土與UHPC之間的界面損傷進(jìn)一步加劇。

圖7 普通混凝土與UHPC界面中SA2-SA3的時域信號

3.2 小波包能量分析

為了更加直觀地顯示π型鋼-混凝土組合梁界面的損傷情況，對試驗(yàn)中智能骨料傳感器接收到的響應(yīng)信號進(jìn)行分解、重構(gòu)，得到信號在各個尺度上的能量分布情況，并以此作為其界面損傷識別的依據(jù)。通過小波包能量對信號進(jìn)一步分析，即量化分析，更能體現(xiàn)出信號的變化。結(jié)合前面的時域分析，對π型鋼-混凝土組合梁的Ⅰ-Ⅰ界面的PZT1-SA1的響應(yīng)信號和Ⅱ-Ⅱ界面的PZT3-SA2的響應(yīng)信號，以及普通混凝土與UHPC界面Ⅱ-Ⅱ界面的SA2-SA3的響應(yīng)信號等3組信號進(jìn)行小波包能量分解，得到不同位置處各個工況的小波包能量分布(見圖810)，圖中，橫坐標(biāo)為試驗(yàn)工況。

從圖8可以看出，π型鋼-混凝土Ⅰ-Ⅰ界面中PZT1-SA1的小波包能量在靜力加載期間，從工況1到工況5其SA1接收到的小波包能量緩慢下降，其下降幅度不大，僅在工況3(靜力加載到200 kN)下降相對較多，小波包能量從2.36×107V2下降到2.05×107V2，損失13%,其后隨著荷載的增加，小波包能量下降趨勢又恢復(fù)了緩慢減少的趨勢。當(dāng)靜力加載試驗(yàn)完成后，工況5的小波包能量(1.98×107V2)相比于工況1的小波包能量(2.36×107V2)損失了16%。在疲勞加載過程中，在80萬次(工況11)疲勞荷載作用之前，小波包能量損耗很小，而在80萬次至200萬次(工況15)疲勞荷載作用下小波包能量急劇下降，其小波包能量從1.76×107V2下降到0.64×107V2，損失了64%。這說明此時π型鋼-混凝土Ⅰ-Ⅰ界面在80萬次疲勞荷載作用后進(jìn)入了疲勞損傷的快速發(fā)展期，小波包能量持續(xù)降低，當(dāng)疲勞荷載作用達(dá)到200萬次，小波包能量相對于疲勞之前加載工況5的能量損失達(dá)到了68%。

圖8 π型鋼-混凝土Ⅰ-Ⅰ界面中PZT1-SA1的小波包能量分布

從圖9可以看出，π型鋼-混凝土Ⅱ-Ⅱ界面中PZT1-SA1的小波包能量在靜力加載期間，從工況1到工況5，SA2接收到的小波包能量迅速下降，且分為兩個階段，第一個階段是從工況1(0 kN)到工況3(200 kN)，小波包能量下降得最為明顯，從2.52×108V2下降到0.73×108V2，損失達(dá)71%。隨著靜力荷載的進(jìn)一步加載，小波包能量損失逐漸減緩，從工況3到工況5,SA2的小波包能量從0.73X108V2下降到0.3X108V2,小波包能量相當(dāng)于初始狀況損失了17%?？傊?，π型鋼-混凝土Ⅱ-Ⅱ界面在初始的靜力加載試驗(yàn)中，小波包能量就發(fā)生了急劇下降的現(xiàn)象，損失達(dá)到了88%。這主要是由于π型鋼-混凝土Ⅱ-Ⅱ界面在靜力加載時就發(fā)生了滑移損傷現(xiàn)象，其界面黏結(jié)受到了破壞，信號傳播受阻，小波包能量損失較大。

圖9 π型鋼-混凝土Ⅱ-Ⅱ界面中PZT3-SA2的小波包能量分布

當(dāng)π型鋼-混凝土組合梁進(jìn)入疲勞加載過程后，其小波包能量損耗近似線性減小，但減小的程度幾乎可忽略不計(jì)。當(dāng)疲勞次數(shù)超過140萬次(工況13)，疲勞引起的界面滑移再一次明顯增加，導(dǎo)致該試驗(yàn)梁的壓電智能骨料SA2采集到的信號進(jìn)一步減弱。當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到140萬次，其小波包能量為0.21×108V2，當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到200萬次(工況15)，小波包能量為0.15×108V2，相對于疲勞之前加載工況5的小波包能量(0.31×108V2)，分別下降了32%和52%。這說明π型鋼-混凝土Ⅱ-Ⅱ界面的損傷進(jìn)一步加劇，可能已經(jīng)接近疲勞破壞。

通過對比圖8和圖9可知，當(dāng)靜力試驗(yàn)加載完成(工況5)后，π型鋼-混凝土組合梁Ⅰ-Ⅰ界面中PZT1-SA1的小波包能量相對于加載初期健康狀態(tài)(工況1)的能量僅下降了16%，而Ⅱ-Ⅱ界面中PZT3-SA2的小波包能量相對于加載初期(工況1)發(fā)生了急劇下降的現(xiàn)象，能量損失達(dá)到了88%。這主要是由于Ⅰ-Ⅰ界面位于加載點(diǎn)外側(cè)，而Ⅱ-Ⅱ界面位于加載點(diǎn)位置內(nèi)側(cè)，從抗彎受力的角度出發(fā)，可以看出Ⅱ-Ⅱ界面更容易發(fā)生滑移破壞。另外，對比圖8和圖9還可以看出，Ⅰ-Ⅰ界面在靜力加載時滑移損傷較少，其小波包能量損失不大，因此進(jìn)入疲勞試驗(yàn)加載工況后，其界面損傷在疲勞荷載次數(shù)達(dá)到80萬次后明顯下降，當(dāng)達(dá)到200萬次后，小波包能量相對疲勞之前的加載工況5損失了68%；而Ⅱ-Ⅱ界面在靜力加載工況時就發(fā)生了滑移損傷，能量發(fā)生了較大損失，進(jìn)入疲勞荷載后其小波包能量損失相對較小，當(dāng)達(dá)到200萬次后，小波包能量相對疲勞之前的加載工況5僅損失了52%。

對在靜力加載過程中，由于普通混凝土與UHPC界面中的SA2-SA3監(jiān)測時，沒有采用放大器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了在圖形分析中能夠剔除儀器誤差，圖10僅取用疲勞荷載加載時的信號進(jìn)行分析。從圖10可以看出，從疲勞試驗(yàn)開始至工況11(80萬次)過程中，界面中SA3的小波包能量隨疲勞荷載次數(shù)增加近似線性減小，其小波包能量從工況6(10萬次)時的5.39×108V2下降到工況11(80萬次)時的2.69×108V2，損失了50%。當(dāng)疲勞荷載次數(shù)增加到140萬次，小波包能量幾乎沒有改變，即界面損傷沒有進(jìn)一步發(fā)展；當(dāng)疲勞荷載超過140萬次，界面損傷又開始惡化，當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到200萬次后，其小波包能量為1.86×108V2，相比于工況6(10萬次)時的能量損失了65%。而對比同一截面位置處的π型鋼-混凝土Ⅱ-Ⅱ界面，當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到200萬次后，小波包能量相對疲勞之前的能量損失了52%。由此可見，疲勞荷載作用下普通混凝土與UHPC之間的界面損傷比π型鋼與混凝土之間的界面損傷更嚴(yán)重。這主要是由于π型鋼與混凝土的界面之間布置了剪力釘，該剪力釘阻礙了π型鋼與混凝土之間的界面滑移。

圖10 普通混凝土與UHPC界面中SA2-SA3的小波包能量分布

4 結(jié)語

建立了基于壓電波動法的π型鋼-混凝土組合梁界面疲勞損傷監(jiān)測系統(tǒng)，采用時域分析和小波包能量分析等方法對其界面實(shí)際的損傷狀態(tài)進(jìn)行評估，實(shí)現(xiàn)了其不同界面損傷程度主動傳感監(jiān)測，并得出了以下結(jié)論。

(1) 時域信號幅值以及小波包能量變化與π型鋼-混凝土組合梁界面實(shí)際的損傷狀態(tài)密切相關(guān)，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即損傷越大，信號幅值越低，小波包能量越小。

(2) 通過對不同傳感器的響應(yīng)信號進(jìn)行小波包能量分析，能夠在時域分析的基礎(chǔ)上通過能量損耗的形式更為直觀地反映疲勞損傷的過程。小波包能量分析顯示，當(dāng)π型鋼-混凝土組合梁出現(xiàn)疲勞損傷時，每個傳感器采集的壓電信號衰減，同時伴隨著小波包能量幅值下降，且隨著疲勞作用的繼續(xù)進(jìn)行小波包能量幅值會出現(xiàn)不同程度的衰減。

(3) 疲勞荷載作用下普通混凝土與UHPC之間的界面損傷比π型鋼與混凝土之間的界面損傷較為嚴(yán)重。這主要是由于π型鋼與混凝土之間的界面之間布置了剪力釘，該剪力釘阻礙了π型鋼與混凝土間的界面滑移。

(4) 對于π型鋼-混凝土組合梁不同界面的損傷狀態(tài)，時域信號分析和小波包能量分析均能反映試件損傷的程度，且小波包能量分析方法具有更高的婁敏度。因此，基于壓電陶瓷的π型鋼-混凝土組合梁界面損傷監(jiān)測方法具有可行性。