技术动态
基于压电陶瓷传感器的斜支撑H型钢结构健康监测
作为承重结构的关键元件，H型钢可以通过监测其应力状态以有效地检测潜在的结构问题和异常情况。这对于确保结构的稳定性和安全性具有重要意义。然而，H型钢结构经常暴露在高温、潮湿、腐蚀性介质等复杂环境条件下，可能会对检测设备和传感器造成干扰，从而导致测量误差。此外，在处理H型钢中难以接近的复杂形状和表面时，当前的测量技术和方法可能会面临挑战。之前的研究已经取得了一些进展；然而，尚未探索的领域仍然存在，特别是对斜支撑加固的H形钢梁的结构健康监测。
近日，长江科学院、湖北工程学院、江西理工大学的研究人员组成的团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Piezoelectric ceramic sensor-based structural health monitoring of diagonally braced H-shaped steel structures”的论文，提出了一种基于压电陶瓷传感器的健康监测方法，用于监测斜支撑H型钢结构的应力状态。研究人员对斜支撑H型钢进行了不同工况下的荷载试验。随后，他们对这两种工况下的压电信号的幅值和能量进行了对比分析，并利用ABAQUS软件进行有限元分析以验证结果。实验结果表明，随着腹板高度或载荷的增加，H型钢的时域波形能量指数增加。不同工况下，例如腹板高度为10 cm的斜支撑H型钢构件，当压力值小于10 N/mm²时，压力每增加1 N/mm²，能量指数增加约15.98%。当压力值大于10 N/mm²且小于15 N/mm²时，压力每增加1 N/mm²，能量指数增加约1%。此外，腹板高度每增加1厘米，能量指数增加约8.4%。同时，有限元分析结果表明，压电陶瓷传感器感应位置的应力和应变随着外界压力的增加而增加。斜支撑H型钢结构的结构健康监测研究对于确保结构的安全性和可靠性、实现预测性维护、评估结构性能和能源效率以及优化结构维护具有重要意义。
在本实验中，压电陶瓷材料使用了锆钛酸铅（PZT），如图1所示。正如之前的研究所观察到的，压电陶瓷已被广泛用作测量应变和应力波的传感器。压电陶瓷还可用作结构损伤检测的换能器。
图1 压电陶瓷片
本实验使用PZT传感器来分析斜支撑H型钢的受力情况。研究人员选用相同尺寸的斜支撑H型钢，从顶部施加不同强度的载荷，将压电陶瓷片粘贴在斜支撑H型钢腹板上，并通过导线与信号接收器连接。当对斜支撑H型钢施加不同强度的荷载时，信号接收器接收到不同的信号；PZT片分别连接到斜支撑H型钢的上、中、下部位置。
通过压电信号监测应力状态的原理是利用压电效应测量物体的应力和应变状态。这是由于压电材料具有上述效应，在受到力或应力时会产生电荷或信号。根据这一原理，压电陶瓷材料可被用作传感器，通过监测其压电信号的变化来间接反映材料的应力状态。在所提出的健康监测算法中，为了检测测试波信号在斜支撑H型钢和负载之间传播的灵敏度，本研究采用了基于时间和信号值的变化的时域分析方法。随着斜支撑H型钢腹板高度和压力的增加，信号接收器接收到的信号值也会发生变化；这种变化具有一定的规律性。
图2 实验设置
图2是实验设置图；信号由INV306U信号采集仪记录。PZT片通过导线与信号接收器相连，信号采集器的采样频率为7160 Hz，采样时间为0.08 s，输出通道精度为16位，分辨率为10 ns。PZT作为传感器接收实时信号，并连接到斜支撑H型钢。
研究人员对斜支撑H型钢进行了两种不同工况（A和B）下的荷载实验，如图3和图4所示。
图3 A工况的实验设置示意图（单位：mm）
图4 B工况的实验设置示意图（单位：mm）
图5和图6分别显示了A工况和B工况的时域信号响应结果。两图中的曲线是斜支撑H型钢受压时传感器的信号响应。
图5 A工况的信号响应
图6 B工况的信号响应
压电信号与应力的关系如图7所示。如图所示，应力的增加导致压电信号的响应增强。顶部载荷与剪切迟滞特性之间的关系如图8所示。结果表明，顶部载荷的增加会导致更明显的剪切迟滞现象。
图7 不同载荷的能量指数
图8 顶部正应力的横向分布
为了进一步研究载荷强度和腹板高度对斜支撑H钢稳定性的影响，并验证实验的可靠性和有效性，研究人员利用ABAQUS进行了有限元分析和数值模拟。
综上所述，本研究提出了一种通过分析压电陶瓷传感器能量信号响应实现实时监测的方法，文中研究了两种工况：斜支撑H型钢腹板高度相同、压力不同；斜支撑H型钢压力相同但腹板高度不同。在A工况下，随着斜支撑H型钢腹板高度的增加，PZT传感器接收到的信号幅值和能量指数也相应增加。同样，在B工况下，信号幅值和能量指数随着斜支撑H型梁压力的增大而增大。随着压力和腹板高度的增加，斜支撑H型钢产生的应变和PZT传感器的机械变形也随之增加；因此，传感器接收到的信号幅值和能量指数也增加。实验结果表明，斜支撑H型钢的应力-应变幅值与腹板高度和施加荷载强度的增加呈正相关。本研究提出的健康监测方法有助于在实际工程应用中实时监测H型钢结构的健康状况，从而确保这些结构的安全性和稳定性。
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图1 压电陶瓷片
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图2 实验设置
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图3 A工况的实验设置示意图（单位：mm）
图4 B工况的实验设置示意图（单位：mm）
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图5 A工况的信号响应
图6 B工况的信号响应
压电信号与应力的关系如图7所示。如图所示，应力的增加导致压电信号的响应增强。顶部载荷与剪切迟滞特性之间的关系如图8所示。结果表明，顶部载荷的增加会导致更明显的剪切迟滞现象。
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