不同加載模式下GFRP管混凝土組合柱的損傷實時監測

唐佳鑫, 張 剛, 楊文偉, 楊 霞, 王痛快,5

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院,寧夏 銀川 750021; 2.寧夏土木工程防震減災工程技術研究中心,寧夏 銀川 750021;3.寧夏大學 學術期刊中心,寧夏 銀川 750021; 4.同濟大學 土木工程學院,上海 200092;5.賀州學院 建筑與電氣工程學院,廣西 賀州 542899)

為實現國家提出的雙碳(碳達峰、碳中和)目標,推動社會綠色低碳發展,基于材料低碳節能、結構輕量化及施工簡單化的新型組合結構研究成為學者研究的熱點[1—3].用玻璃纖維增強復合材料(glass fiber reinforced polymer, GFRP)取代鋼管混凝土中的鋼管,組成的GFRP管混凝土組合柱具有優越的抗腐蝕性能[4—5].近年來,學者對該類結構進行廣泛而深入的研究.研究結果顯示,GFRP管約束混凝土的組合結構具有良好的抗壓性、耐腐蝕性,在大型水工建筑物、大量的橋隧梁結構和超高層建筑中得到廣泛應用[6].因此,對該類組合柱服役期間的損傷監測研究顯得十分必要.

基于壓電陶瓷(PZT)的健康監測方法,與傳統監測方法相比,具有靈敏度高、響應快、價格低和操作方便等特點[7],適用于土木工程結構的損傷監測.Zhang等基于PZT和波傳播分析法監測鋼絞線的松緊度[8].Zhang等基于壓電陶瓷特性,將壓電陶瓷片貼于木材表面[9—10],測試木結構的損傷情況及含水率.Song等針對壓電陶瓷片易脆易碎問題[11],用水泥砂漿將壓電陶瓷封裝,制成智能骨料(smart aggregate, SA).再將智能骨料埋入混凝土公路橋梁模型中,對公路橋梁受超高貨車撞擊時的動態響應進行監測.楊曉明等將水泥基外殼的壓電智能骨料埋入實驗模型[12],對交通流進行監測.Gu等對2個預埋智能骨料的圓形鋼筋混凝土柱進行地震響應監測[13].Jiang等結合有限元分析,將由大理石保護的PZT驅動器嵌入預應力筋導管的中心位置[14],通過壓電陶瓷健康監測方法研究預應力筋與注漿質量之間的關系.Zeng等在梁中預埋壓電智能骨料[15],研究應力波在混凝土中的衰減規律,提出一種基于時間反轉法的吸收衰減系數計算方法.Kong等向立方體混凝土中埋入新型球形智能骨料(SSA)[16],發現SSA獨特的全方位驅動力和傳感能力可敏銳地檢測到立方體每個面上SA的波形響應,為預埋智能骨料混凝土結構的健康監測提供新的方法.

綜上所述,基于壓電陶瓷的損傷識別和健康監測技術在傳統結構構件中已開展了廣泛而深入的研究,但有關GFRP管混凝土組合柱結構在服役階段(極端荷載作用狀態與正常使用狀態)的損傷識別與監測研究較少.筆者制作2組GFRP管混凝土組合柱(CFGT柱),在單調和往復加載實驗條件下,模擬組合柱的極限荷載作用狀態和正常使用狀態,并對GFRP混凝土組合柱的損傷狀況進行實時監測.

1 監測原理及信號處理方法

1.1 基于壓電陶瓷的波動分析

波動分析的原理是利用壓電陶瓷的正逆壓電效應,將壓電陶瓷片或壓電智能骨料等埋入待測量結構的內部或者粘貼在待監測結構的平整、清潔表面[17],使壓電陶瓷與待監測結構構成一個智能監測系統.通過交流電信號激發埋置的壓電陶瓷智能骨料(SA2)(圖1).由于壓電陶瓷的逆壓電效應特性,SA2成為信號發射器并產生高頻應力波,且以混凝土為介質傳播.利用正壓電效應,將位于柱頂部和柱底部的2個壓電智能骨料(SA1,SA3)作為信號接收器,將應力波轉換為電信號.再通過采集系統進行識別和轉換,得到監測數據.波動分析法的壓電陶瓷主動監測系統原理見圖1.被測結構一旦出現損傷,將影響應力波的傳播,致使監測到的信號幅值發生衰減、模態發生改變等.因此,可根據接收信號的變化特征,有效判斷被測結構是否發生損傷及其損傷的程度,甚至偵探損傷的具體位置.

圖1 波動分析的智能監測系統

1.2 小波包分析

小波包分析是基于小波變換發展而來的[18],被廣泛應用于圖像分析、信號分解、量子力學等方面[19].將傅里葉變換和小波變換進行優化處理和拓展就出現了小波包分析.小波包分析對非平穩信號的分析十分準確,也能將監測到的高頻、低頻信號同時進行高效率的分解,還能自主辨別信號的特征,具有很好的針對性、自適應性和選擇對應性,整個分解和分析過程更是無冗余、無疏漏.因此,小波包分析在工程結構損傷監測中應用十分廣泛.

小波包能量由監測到的初始信號經過小波包分析計算得到.因此,小波包能量與監測到的初始信號是等價的關系.由小波包分析得到的小波包能量,不僅使初始信號以更直觀、數字化形式表達,還能反映被測結構的實時損傷狀態.

1.3 基于均方根偏差的損傷評判指標

為了更準確地衡量結構的損傷程度,學者提出多種損傷評判指標,其中具有代表性的是由Giurgiutiu等提出的基于均方根偏差(root-mean-square deviation, RMSD)的損傷評判指標[20],該指標能較好地區別結構健康或損傷狀態.通過計算健康狀態能量、損傷狀態能量向量之間的RMSD,得到損傷指數ID.

健康狀態能量向量記為Eh=[Eh,i],損傷狀態能量矢量用Ek=[Ek,i]表示.ID的計算公式:

式中:ID=0～1(ID=1,表示結構處于完全損傷狀態;ID=0,表示結構處于健康狀態;ID越接近1,結構損傷得越嚴重).

2 實驗

2.1 實驗設計

制作2組且每組有2個完全相同的GFRP混凝土組合柱.2組試件的編號分別為GC-D1,GC-D2和GC-X1,GC-X2(G代表GFRP,C代表混凝土,D代表單調軸壓,X代表循環往復軸壓).組合柱的高度為300 mm,GFRP管內徑為140 mm,管厚為5 mm,纖維纏繞角度為55°.試件內填充普通的C30硅酸鹽混凝土.實驗分單調軸壓組和往復軸壓組,具體設計參數見表1.為防止混凝土澆筑對內部壓電陶瓷片造成損傷,布置方式采用內部嵌入式,其中SA主要由壓電陶瓷片(PZT)、防水外涂層、環氧樹脂膠保護層、大理石保護外殼、導線以及BNC接頭等組成(圖2).

表1 GFRP混凝土柱的設計參數

圖2 SA智能骨料的組成

對于單調軸壓實驗,加載方式為連續加載,加載速率為3 kN/s.在進行往復軸壓實驗時,加載速度為3 kN/s,卸載速率為6 kN/s.當加載應力明顯下降時,為保證試件被破壞,持續加載一段時間,然后結束加載并分析實驗數據.

2.2 試件制作及換能器的布置

試件澆筑前,用打磨機將GFRP管的兩端打磨平整,在400 mm×400 mm的木板上標記出GFRP管的位置,用AB膠將GFRP管固定在木板的對應位置,并保持木板中心與GFRP管中心同心.通過多功能壓電信號監測與分析系統,對計劃埋入試件中的3個SA逐個進行測試,確保其有效性.用AB膠和鐵絲將SA固定在GFRP管上預先設定的位置,并在BNC線上做標記.為使試件上下端面平整,在GFRP管端口切割出幾個4 mm×4 mm的凹槽,將導線從凹槽引出.試件采用一次澆筑成型的方式制作,同一批次混凝土制作3個立方體試塊用于檢測28 d后的抗壓強度.養護完成后,使用角磨機對試件上下端面進行打磨找平.壓電換能器的布置見圖3.柱體界面的圓心位置埋有壓電智能骨料,分別以中部SA2為驅動器發射信號,上下部SA1,SA3為傳感器接收信號.這樣可對軸壓作用下GFRP管約束混凝土柱的損傷狀況進行有效識別并監測.

圖3 GFRP混凝土組合柱壓電換能器的布置

2.3 數據采集系統

圖4為基于壓電陶瓷的集信號發射和采集于一身的主動檢測系統.實驗均采用主動監測(1發2收)的形式進行.在信號監測過程中,通過實時濾波和多次激勵來消除偶然誤差造成的信號失真現象,從而保證實驗的波形穩定、數據存儲.

圖4 壓電陶瓷的主動檢測系統

為了確定實驗中混凝土材料的頻率響應范圍,實驗前進行多次預測試,最終確定實驗的掃頻范圍為1 ～250 kHz,電壓為10 V,模式為線性掃頻,具體參數設置見表2.

表2 信號采集和濾波參數

3 結果與分析

3.1 荷載-位移曲線

試件GC-D1,GC-D2和GC-X1,GC-X2的軸向荷載-位移曲線見圖5～圖6(圖中,s為位移、F為荷載).由圖5～圖6可知,在一次加載和往復加載條件下,組合柱的荷載-位移曲線均表現出雙線性的特點.在彈性階段,兩種加載方式對試件的初始剛度沒有顯著影響,其荷載-位移曲線的斜率幾乎相同.這是因為此時GFRP管和混凝土均處于彈性階段,只發生了彈性變形.卸載后再加載,組合柱的變形基本沿著原來的變形路徑發展.在強化階段,GC-X1,GC-X2試件的軸向荷載-位移曲線包絡線在GC-D1,GC-D2的上下方附近波動.但在最終破壞時,GC-D1,GC-D2在單調加載下的極限荷載大于GC-X1,GC-X2在往復加卸載下的,但二者的差別很小.這是因為當具有軸向承壓能力的混凝土進入塑性變形階段,隨著加載次數的增多和荷載的增大,試件GC-X1,GC-X2產生不可恢復的殘余變形,并且殘余變形隨著加載、卸載次數的不斷增加而累積疊加,從而導致GC-X1,GC-X2試件的極限承載能力下降,這與李順濤的研究結果一致[21].說明在往復加載和卸載過程中,材料發生了累積損傷,這種損傷對試件最終的極限承載力和變形有一定的削減作用,但這種削減效應并不明顯.

圖5 GC-D1,GC-X1的荷載-位移曲線

圖6 GC-D2,GC-X2的荷載-位移曲線

3.2 單調軸壓下的結果

在加載過程中,荷載每增加200 kN采集1次信號,2個試件在不同監測方位(1通道(柱頂)、2通道(柱底))上的時域信號見圖7～圖10(圖中,t為時間、A為幅值).由圖7～圖10可知,信號幅值隨著荷載的增大逐漸減小,軸壓為0 時的信號幅值最大,軸壓為200 kN時的次之,軸壓為2 240 kN時的最小.荷載小于600 kN時的信號衰減較小,這是因為GFRP混凝土組合柱處于彈性階段,此時管內混凝土的損傷較小,監測信號之間的差異也較小.當荷載大于600 kN時,監測信號發生較大衰減,此時GFRP混凝土組合柱進入塑性階段,隨著荷載的緩慢加載,混凝土內部出現微裂縫,使應力波的傳播受到阻礙,波的反射、折射以及傳播路徑等均發生改變,導致信號幅值發生較明顯的衰減.在荷載為2 240 kN時,GFRP混凝土組合柱發生破壞,此時監測信號十分微弱.基于壓電智能骨料的主動傳感方法,可有效識別GFRP混凝土組合柱在軸壓作用下的實時損傷狀況,且監測信號幅值對損傷狀況表現出較強的敏感性.

圖7 GC-D1 GFRP混凝土柱1通道的信號幅值

圖8 GC-D1 GFRP混凝土柱2通道的信號幅值

圖9 GC-D2 GFRP混凝土柱1通道的信號幅值

圖10 GC-D2 GFRP混凝土柱2通道的信號幅值

為進一步探究GFRP混凝土組合柱的實時損傷狀況,繪制單調軸壓下GFRP混凝土組合柱的小波包能量圖(圖11,圖中F為荷載、E為能量).由圖11可知, GC-D1,GC-D2 1,2通道的小波包能量,隨著荷載強度的增加逐漸減少,且同一試件2通道的小波能量大于1通道的;隨著荷載的增加,試件內損傷裂紋增加,小波包能量逐漸減少.計算基于均方根偏差的損傷評判指標(ID),其結果見圖12～圖13.由圖12～圖13可知, GC-D1,GC-D2 1,2通道的ID隨著荷載的增加而增加且最后趨近于1(破壞).

圖11 GC-D1,GC-D2 GFRP混凝土柱1,2通道的小波包能量

圖12 GC-D1 GFRP 混凝土柱1,2通道的損傷指標

圖13 GC-D2 GFRP混凝土柱1,2通道的損傷指標

此外,與小波包能量分析結果相同的是,2通道的混凝土損傷與破壞晚于1通道的.出現這種現象的原因是,在振搗GFRP混凝土組合柱時,2通道位于柱底部,振搗充分密實,使其難以被破壞,從而使相同條件下2通道的小波包能量大于1通道的,2通道的損傷指標小于1通道的.實驗現象與實際情況相符,驗證了基于壓電陶瓷的小波包能量和均方根的偏差損傷評判指標對該組合柱損傷監測的較強敏感性.

3.3 往復軸壓下的結果

確定加載及監測方案后,先采集1個初始的信號(荷載為0),然后開始往復加載,在每次循環加載的卸載點(荷載-位移曲線上的局部極值點)采集1次信號.圖14～圖17為加載過程中試件GC-X1,GC-X2在正弦波掃頻激勵下監測到的信號時域圖.與單調加載下的結果相同,信號的幅值隨著荷載的增大而衰減,當荷載小于400 kN時,混凝土損傷較小,監測信號的幅值變化很小;當荷載大于400 kN時,隨著荷載的增大,信號幅值明顯衰減.這是由于在加載過程中,隨著循環加載次數的增多,管內混凝土產生累積損傷,導致監測信號幅值明顯衰減.該實驗驗證了基于壓電陶瓷的主動監測方法可有效監測GFRP混凝土組合柱在軸壓作用下的損傷情況.

圖14 GC-X1 GFRP混凝土柱1通道的信號幅值

圖15 GC-X1 GFRP混凝土柱2通道的信號幅值

圖16 GC-X2 GFRP混凝土柱1通道的信號幅值

圖17 GC-X2 GFRP混凝土柱2通道的信號幅值

計算小波包能量及基于均方根的損傷評判指標(ID),分析結果見圖18～圖20.由圖18～圖20可知,與單調軸壓下的結果相似,同一試件在往復軸壓下,2通道的小波包能量和損傷評判指標分別大于和小于1通道的.驗證了單調軸壓下數據的可靠性和該監測方法的合理性.

圖18 GC-X1,GC-X2 GFRP混凝土柱1,2通道的小波包能量

圖19 GC-X1 GFRP混凝土柱1,2通道的損傷指標

圖20 GC-X2 GFRP混凝土柱1,2通道的損傷指標

3.4 單調軸壓和往復軸壓下的結果對比

由圖5～圖6可知,GFRP混凝土組合柱在單調軸壓作用下的極限承載力略大于往復軸壓下的,這是由于重復加載過程導致了GFRP混凝土組合柱的累積損傷和材料的疲勞效應.為了驗證小波包能量法對GFRP管內混凝土損傷監測的有效性、基于均方根偏差的損傷評判指標對混凝土損傷程度的敏感性,將兩組試件的結果進行對比(圖21～圖22).由圖21～圖22可知,往復軸壓下的ID均大于單調軸壓下的,這也驗證了3.1中的結論.此外,同一試件在相同加載方式下,2通道的ID均小于1通道的,證明3.2中的猜測.同時說明基于均方根偏差的損傷評判指標對評價GFRP混凝土組合柱在軸壓作用下的損傷程度十分敏感.

圖21 GC-D1,GC-X1 GFRP混凝土柱1,2通道的損傷指標

圖22 GC-D2,GC-X2 GFRP混凝土柱1,2通道的損傷指標

4 結論

1)基于嵌入壓電智能骨料的主動傳感方法,可實現對GFRP混凝土組合柱的實時損傷監測.以正弦掃頻信號為信號源,可有效識別組合柱的損傷程度.監測信號的幅值和小波包能量均對界面損傷程度表現出較強的敏感性,二者均可作為判別GFRP混凝土組合柱是否發生破壞的指標.

2)隨著單調軸壓和往復軸壓的增大,監測信號的幅值和小波包能量都明顯衰減,而且基于均方根偏差的損傷評判指標對GFRP混凝土組合柱損傷程度的變化也表現出較強的敏感性.

3)在相同條件下,位于GFRP混凝土組合柱底部的SA(2通道)所接收信號的小波包能量均大于位于柱頂部SA(1通道)的.這是由于位于柱底部的混凝土相較于柱頂部的混凝土,經充分振搗變得更密實,密實度的增大給應力波提供較好的傳播環境,使應力波的衰減變小.基于壓電陶瓷的主動傳感方法,可監測混凝土的密實性.