中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
作為承重結構的關(guān)鍵元件，H型鋼可以通過(guò)監測其應力狀態(tài)以有效地檢測潛在的結構問(wèn)題和異常情況。這對于確保結構的穩定性和安全性具有重要意義。然而，H型鋼結構經(jīng)常暴露在高溫、潮濕、腐蝕性介質(zhì)等復雜環(huán)境條件下，可能會(huì )對檢測設備和傳感器造成干擾，從而導致測量誤差。此外，在處理H型鋼中難以接近的復雜形狀和表面時(shí)，當前的測量技術(shù)和方法可能會(huì )面臨挑戰。之前的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展；然而，尚未探索的領(lǐng)域仍然存在，特別是對斜支撐加固的H形鋼梁的結構健康監測。
近日，長(cháng)江科學(xué)院、湖北工程學(xué)院、江西理工大學(xué)的研究人員組成的團隊在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Piezoelectric ceramic sensor-based structural health monitoring of diagonally braced H-shaped steel structures”的論文，提出了一種基于壓電陶瓷傳感器的健康監測方法，用于監測斜支撐H型鋼結構的應力狀態(tài)。研究人員對斜支撐H型鋼進(jìn)行了不同工況下的荷載試驗。隨后，他們對這兩種工況下的壓電信號的幅值和能量進(jìn)行了對比分析，并利用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析以驗證結果。實(shí)驗結果表明，隨著(zhù)腹板高度或載荷的增加，H型鋼的時(shí)域波形能量指數增加。不同工況下，例如腹板高度為10 cm的斜支撐H型鋼構件，當壓力值小于10 N/mm2時(shí)，壓力每增加1 N/mm2，能量指數增加約15.98%。當壓力值大于10 N/mm2且小于15 N/mm2時(shí)，壓力每增加1 N/mm2，能量指數增加約1%。此外，腹板高度每增加1厘米，能量指數增加約8.4%。同時(shí)，有限元分析結果表明，壓電陶瓷傳感器感應位置的應力和應變隨著(zhù)外界壓力的增加而增加。斜支撐H型鋼結構的結構健康監測研究對于確保結構的安全性和可靠性、實(shí)現預測性維護、評估結構性能和能源效率以及優(yōu)化結構維護具有重要意義。
在本實(shí)驗中，壓電陶瓷材料使用了鋯鈦酸鉛（PZT），如圖1所示。正如之前的研究所觀(guān)察到的，壓電陶瓷已被廣泛用作測量應變和應力波的傳感器。壓電陶瓷還可用作結構損傷檢測的換能器。
圖1 壓電陶瓷片
本實(shí)驗使用PZT傳感器來(lái)分析斜支撐H型鋼的受力情況。研究人員選用相同尺寸的斜支撐H型鋼，從頂部施加不同強度的載荷，將壓電陶瓷片粘貼在斜支撐H型鋼腹板上，并通過(guò)導線(xiàn)與信號接收器連接。當對斜支撐H型鋼施加不同強度的荷載時(shí)，信號接收器接收到不同的信號；PZT片分別連接到斜支撐H型鋼的上、中、下部位置。
通過(guò)壓電信號監測應力狀態(tài)的原理是利用壓電效應測量物體的應力和應變狀態(tài)。這是由于壓電材料具有上述效應，在受到力或應力時(shí)會(huì )產(chǎn)生電荷或信號。根據這一原理，壓電陶瓷材料可被用作傳感器，通過(guò)監測其壓電信號的變化來(lái)間接反映材料的應力狀態(tài)。在所提出的健康監測算法中，為了檢測測試波信號在斜支撐H型鋼和負載之間傳播的靈敏度，本研究采用了基于時(shí)間和信號值的變化的時(shí)域分析方法。隨著(zhù)斜支撐H型鋼腹板高度和壓力的增加，信號接收器接收到的信號值也會(huì )發(fā)生變化；這種變化具有一定的規律性。
圖2 實(shí)驗設置
圖2是實(shí)驗設置圖；信號由INV306U信號采集儀記錄。PZT片通過(guò)導線(xiàn)與信號接收器相連，信號采集器的采樣頻率為7160 Hz，采樣時(shí)間為0.08 s，輸出通道精度為16位，分辨率為10 ns。PZT作為傳感器接收實(shí)時(shí)信號，并連接到斜支撐H型鋼。
研究人員對斜支撐H型鋼進(jìn)行了兩種不同工況（A和B）下的荷載實(shí)驗，如圖3和圖4所示。
圖3 A工況的實(shí)驗設置示意圖（單位：mm）
圖4 B工況的實(shí)驗設置示意圖（單位：mm）
圖5和圖6分別顯示了A工況和B工況的時(shí)域信號響應結果。兩圖中的曲線(xiàn)是斜支撐H型鋼受壓時(shí)傳感器的信號響應。
圖5 A工況的信號響應
圖6 B工況的信號響應
壓電信號與應力的關(guān)系如圖7所示。如圖所示，應力的增加導致壓電信號的響應增強。頂部載荷與剪切遲滯特性之間的關(guān)系如圖8所示。結果表明，頂部載荷的增加會(huì )導致更明顯的剪切遲滯現象。
圖7 不同載荷的能量指數
圖8 頂部正應力的橫向分布
為了進(jìn)一步研究載荷強度和腹板高度對斜支撐H鋼穩定性的影響，并驗證實(shí)驗的可靠性和有效性，研究人員利用ABAQUS進(jìn)行了有限元分析和數值模擬。
綜上所述，本研究提出了一種通過(guò)分析壓電陶瓷傳感器能量信號響應實(shí)現實(shí)時(shí)監測的方法，文中研究了兩種工況：斜支撐H型鋼腹板高度相同、壓力不同；斜支撐H型鋼壓力相同但腹板高度不同。在A(yíng)工況下，隨著(zhù)斜支撐H型鋼腹板高度的增加，PZT傳感器接收到的信號幅值和能量指數也相應增加。同樣，在B工況下，信號幅值和能量指數隨著(zhù)斜支撐H型梁壓力的增大而增大。隨著(zhù)壓力和腹板高度的增加，斜支撐H型鋼產(chǎn)生的應變和PZT傳感器的機械變形也隨之增加；因此，傳感器接收到的信號幅值和能量指數也增加。實(shí)驗結果表明，斜支撐H型鋼的應力-應變幅值與腹板高度和施加荷載強度的增加呈正相關(guān)。本研究提出的健康監測方法有助于在實(shí)際工程應用中實(shí)時(shí)監測H型鋼結構的健康狀況，從而確保這些結構的安全性和穩定性。
