李明明

(中交一航局第四工程有限公司,江西 南昌 330004)

0 引言

異形鋼管混凝土(SCFST)柱不僅保留了普通方鋼管混凝土柱高強(qiáng)度、承載力好、高耗能性等優(yōu)點(diǎn),且因其截面的幾何特性能大幅度改善室內(nèi)布局,增加室內(nèi)使用面積,而受到工程界的廣泛關(guān)注。近年來,高層建筑結(jié)構(gòu)以焊接SCFST柱與工字鋼梁組成的框架體系在國內(nèi)開始運(yùn)用,由梁柱和節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的框架共同承擔(dān)整個(gè)建筑的全部荷載。由于SCFST柱截面的幾何形狀不唯一,故眾多學(xué)者針對(duì)不同截面形狀的SCFST柱與梁的組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)性能的研究[1-7],然而,在環(huán)境條件影響下和外荷載作用下,節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土在服役期內(nèi)可能產(chǎn)生開裂、破碎和溶蝕等損傷,這些損傷將在一定程度上影響結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。因此,對(duì)該結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè),提高結(jié)構(gòu)整體可靠性具有重要意義。

近年來,智能骨料在土木工程中的應(yīng)用日益廣泛,目前應(yīng)用最普遍的為光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、壓電薄膜及壓電陶瓷,其中壓電陶瓷因響應(yīng)頻率大、響應(yīng)范圍廣,且對(duì)微應(yīng)變的感知能力能達(dá)到0.001mm等優(yōu)勢(shì)成為目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要傳感器。目前,壓電陶瓷已成功運(yùn)用于結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)[8-10]。Jiang等[11]采用壓電智能骨料對(duì)混凝土層合界面損傷程度進(jìn)行了監(jiān)測(cè),并基于應(yīng)力波能量衰減的特性提出了裂紋損傷程度評(píng)估方法。黃泳水[12]利用壓電陶瓷對(duì)木結(jié)構(gòu)表面裂縫和孔洞等典型損傷模式進(jìn)行了監(jiān)測(cè),同時(shí)對(duì)木材無損實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè)含水量進(jìn)行了可行性研究。劉孝禹等[13]同樣以木結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象,利用壓電傳感器對(duì)軸壓和局壓狀態(tài)下的試件進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)可行性研究。本文基于小波包分析理論,通過預(yù)埋在試件節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土內(nèi)部的壓電陶瓷在破壞過程中壓電信號(hào)幅值變化實(shí)現(xiàn)對(duì)其損傷狀態(tài)的監(jiān)測(cè),同時(shí)建立損傷指數(shù),使損傷狀況更精確、直觀。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以柱軸壓比為變量制作了3個(gè)L形鋼管混凝土柱-帶樓板鋼梁節(jié)點(diǎn)試件,如圖1所示。試件編號(hào)依照軸壓比大小順序設(shè)置為JD1(軸壓比0.2)、JD2(軸壓比0.4)、JD3(軸壓比0.6),尺寸如圖2所示。試驗(yàn)所用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,鋼材型號(hào)均為Q235a,材料性能如表1所示。每個(gè)試件安裝兩支壓電陶瓷傳感器,安裝位置如圖3所示。因傳感器在澆筑混凝土前已安裝至鋼管內(nèi)壁,在后續(xù)的澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中極易受損,且存在影響數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)度的可能。為了確保設(shè)備的安全,本試驗(yàn)參考了王丹生等[14]提出的一種較保險(xiǎn)的封裝工藝,對(duì)傳感器進(jìn)行特殊處理,即將其與大理石外殼結(jié)合,制作成一種壓電陶瓷智能骨料,最后用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝固定。環(huán)氧樹脂除具有良好的黏結(jié)力外,還具有良好的防水性、絕緣性及耐堿性,與大理石外殼配合使用既能確保壓電陶瓷在澆筑混凝土的過程中不被破壞,也能確保設(shè)備的正常運(yùn)行及信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

表1 材料性能

圖1 試件

圖2 試件尺寸

圖3 壓電陶瓷安裝位置

1.2 加載方式與信號(hào)采集

本試驗(yàn)在多功能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行,試驗(yàn)裝置如圖4所示。試驗(yàn)前對(duì)柱頂進(jìn)行兩次預(yù)加載,以消除鋼管部分的不均勻性,隨后將豎向軸力增至滿載,并檢查儀器性能。低周循環(huán)往復(fù)試驗(yàn)采用位移控制加載法。首先,對(duì)試件的屈服位移進(jìn)行預(yù)估,在加載初始階段,當(dāng)位移不超過屈服位移時(shí),加載位移以5mm的增量加載,且每個(gè)位移等級(jí)正負(fù)循環(huán)1次,結(jié)合荷載-位移曲線的發(fā)展趨勢(shì)最終確定屈服點(diǎn)。當(dāng)位移超過屈服位移時(shí),以該位移的倍數(shù)施加荷載,每個(gè)位移等級(jí)正負(fù)循環(huán)3次,直至試件變形嚴(yán)重不適于繼續(xù)加載或側(cè)向力低于峰值荷載的85%,停止加載。在此階段試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)被認(rèn)定為完全破壞,加載制度如圖5所示。

圖4 加載裝置

壓電傳感器SA1與SA2分別作為應(yīng)力波發(fā)射器與接收器。SA1通過帶有放大功能的信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生應(yīng)力波,應(yīng)力波沿結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳遞給SA2。傳感器的輸出信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡(N1USB-6361)采集。試驗(yàn)中,在軸壓增至滿載,試件穩(wěn)定后測(cè)量一次壓電信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)。在低周循環(huán)往復(fù)試驗(yàn)中,分別采集各位移峰值的信號(hào)。由應(yīng)力波在混凝土中的傳播機(jī)理可知,隨著損傷的不斷累積,應(yīng)力波在傳遞過程中的能量也會(huì)隨之減小,接收器輸出的電信號(hào)變微弱。因此可通過對(duì)比不同加載階段中信號(hào)幅值的變化趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀況的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與信號(hào)分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件破壞現(xiàn)象如圖7所示。試件在加載初期無明顯現(xiàn)象,荷載值隨試件呈線性增加,此時(shí)試件處于彈性階段,基本不發(fā)生破壞。隨著橫向位移的進(jìn)一步加大,能觀察到混凝土樓板出現(xiàn)多條彎曲裂縫,且邊緣有少許混凝土脫落,此時(shí)荷載值增大速度減慢,增長趨勢(shì)呈非線性,試件進(jìn)入彈塑性階段。荷載繼續(xù)增大,當(dāng)試件進(jìn)入屈服階段時(shí),試件原有裂縫逐步貫通樓板,鋼梁下翼緣出現(xiàn)輕微鼓曲。當(dāng)試件接近其極限荷載時(shí),鋼梁下翼緣鼓曲呈明顯的尖角向上突起,腹板與節(jié)點(diǎn)連接處焊縫出現(xiàn)裂縫,此時(shí)荷載值開始下降,由破壞現(xiàn)象判斷試件的破壞模式為梁端破壞。

圖7 試件破壞形態(tài)

2.2 壓電信號(hào)分析

不同加載位移下JD1的壓電時(shí)頻信號(hào)如圖8所示。由圖8可知,位移加載初期,位移值為20mm(JD1的屈服位移)與0對(duì)應(yīng)的電壓峰值相比相差6%,表明在彈性階段內(nèi)節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土出現(xiàn)輕微裂紋,或原有孔隙被放大,但隨加載的進(jìn)行其健康狀態(tài)并未受到較大的影響。當(dāng)位移水平從40mm逐步增至100mm,可觀察到電壓幅值大幅降低,表明節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土損傷正不斷惡化,外部現(xiàn)象表現(xiàn)為樓板邊緣混凝土成塊脫落,裂縫寬度增大。當(dāng)位移值達(dá)到140mm時(shí),電壓幅值已接近0,壓電傳感器幾乎無法再接收到應(yīng)力波信號(hào),表明此時(shí)試件核心區(qū)混凝土已嚴(yán)重受損,外部現(xiàn)象表現(xiàn)為鋼梁下翼緣鼓曲,上、下翼緣及腹板焊接處開裂。受軸壓比差異的影響,JD2,JD3在不同加載階段的電壓幅值各不相同,但幅值的變化趨勢(shì)與JD1保持高度一致,從整體上看,所有試件在加載過程中的電壓幅值均隨位移值的增大而減小,產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是混凝土內(nèi)部損傷大幅削弱了應(yīng)力波能量,導(dǎo)致應(yīng)力波傳播效率的折損?？梢姂?yīng)力波的傳遞效率對(duì)混凝土內(nèi)部損傷程度較敏感,故用該方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)具有一定的可行性。

圖8 在JD1中獲取的電壓信號(hào)

2.3 損傷指數(shù)

壓電信號(hào)分析只能定性分析結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài),為了更精準(zhǔn)高效地判斷試件損傷程度,在小波包能量法的基礎(chǔ)上,采用均方差的方法引入損傷指數(shù)DI:

(1)

式中:Eh為試件在無損傷狀態(tài)下的小波包能量值;Ed為試件受損后的能量值。

當(dāng)Ed=Eh,即DI=0時(shí),試件處于健康狀態(tài);當(dāng)Ed=0,即DI=1時(shí),試件已完全破壞。DI隨著試件內(nèi)部損傷的累積而逐步增大,最終向1飽和。本試驗(yàn)中,利用小波包分析將壓電傳感器的每個(gè)輸出信號(hào)分解為多個(gè)小波包能量,經(jīng)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的損傷指數(shù)如圖9所示。損傷指數(shù)隨位移值的增加而增加,最后向1飽和,這對(duì)應(yīng)了試驗(yàn)中核心區(qū)混凝土損傷隨加載的進(jìn)行而不斷累積直至完全損壞的過程。

圖9 小波包能量和損傷指數(shù)

由圖9可知,當(dāng)加載方向?yàn)檎驎r(shí),混凝土樓板及矩形鋼管內(nèi)壓電傳感器所在側(cè)的混凝土處于受壓狀態(tài),由于樓板抗壓性能遠(yuǎn)高于其抗拉性能,在正位移加載中所承受的荷載比例大于負(fù)位移加載,使正峰值位移下樓板的承載力貢獻(xiàn)更大,正峰值位移下試件核心區(qū)損傷程度較負(fù)峰值位移下更小。因此,大部分負(fù)位移峰值處的DI值略高于正位移峰值處的DI值,同時(shí)也說明了在加載負(fù)峰值位移期間,監(jiān)測(cè)位置混凝土的損傷程度更嚴(yán)重。從整體來看,DI值與小波包能量值從0位移處向兩側(cè)增大或減小,這一趨勢(shì)反映了在低周循環(huán)荷載作用下,試件核心區(qū)混凝土裂縫的反復(fù)張開與閉合。

由圖9d～9f可知,隨著軸壓比的提高,加載位移值在±40mm之后DI值的增長率也在不斷提高,且各試件的DI峰值也在增加,試件JD1在DI值為0.70～0.77時(shí)最終破壞,試件JD2在DI值為0.87～0.90時(shí)最終破壞,試件JD3在DI值為0.90～0.91時(shí)最終破壞。這說明柱頂軸壓的增強(qiáng),導(dǎo)致更多混凝土參與壓縮,截面抗彎剛度增加,節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土出現(xiàn)較差的塑性,更易出現(xiàn)強(qiáng)度退化。

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象,當(dāng)加載位移小于屈服位移時(shí),試件處于彈性階段,由于外部鋼管的約束,節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土幾乎未受到損害,試驗(yàn)無明顯現(xiàn)象。當(dāng)加載位移大于20mm后,DI值迅速增大,試件進(jìn)入屈服階段,鋼梁下翼緣與核心區(qū)鋼管的屈曲程度逐漸增加,對(duì)內(nèi)部混凝土的約束作用大大降低,導(dǎo)致其核心區(qū)域混凝土更易出現(xiàn)損傷。當(dāng)加載位移超過140mm時(shí),所有試件的DI值均超過0.75,試件樓板混凝土大量脫落,鋼梁屈曲較明顯,節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)部混凝土損傷程度達(dá)到使應(yīng)力波幾乎無法繼續(xù)傳播,節(jié)點(diǎn)接近破壞。所有試件在不同加載階段的試驗(yàn)現(xiàn)象與損傷指數(shù)的分析結(jié)果吻合。

3 結(jié)語

本試驗(yàn)提出了一種基于壓電智能骨料對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)模型在低周循環(huán)荷載下的核心區(qū)混凝土損傷狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法。試驗(yàn)結(jié)果證明了該方法能有效對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,可得出以下結(jié)論。

1)隨著側(cè)向位移的增加,核心區(qū)混凝土損傷不斷累積,壓電信號(hào)幅值呈下降趨勢(shì),最終趨近于0,DI值呈上升趨勢(shì),最終趨近于1。

2)L形鋼管混凝土柱-帶樓板鋼梁節(jié)點(diǎn)試件的破壞現(xiàn)象與檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果吻合,證明了本文監(jiān)測(cè)方法的可行性。

3)試件的軸壓比對(duì)最終破壞時(shí)的損傷指數(shù)值具有一定影響。

4)壓電信號(hào)幅值與DI的一致行為證明了兩指標(biāo)在追蹤損傷現(xiàn)象方面能力優(yōu)越。