基于压电阻抗的隧道管片结构螺栓松动损伤识别试验

艾德米， 罗 辉， 朱宏平， 王 超,2

( 1.华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074；2.湖北工业大学 土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

基于压电阻抗的隧道管片结构螺栓松动损伤识别试验

艾德米1， 罗 辉1， 朱宏平1， 王 超1,2

( 1.华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074；
2.湖北工业大学 土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

基于压电阻抗(EMI)的损伤检测技术应用于大型结构健康监测目前仍十分少见。本文通过试验研究了EMI技术在大型隧道管片结构螺栓松动损伤检测中的有效性，探求了传感器的有效监测范围。首先粘贴不同位置的压电传感器实测压电导纳频谱曲线，分析不同位置压电传感器量测的结构谐振峰值特征。通过设置连接管片的螺栓松动损伤，以传感器的导纳频谱变化规律定性识别该损伤，并通过计算损伤指标RMSD量化损伤，采用其变化率衡量传感器敏感度。研究表明压电传感器能有效捕捉螺栓松动损伤的发展，EMI技术用于大型结构损伤检测是可行的；贴于螺栓上比贴于混凝土管片对损伤检测更为有效，随着损伤程度的增大，近距离传感器的损伤指标较远距离传感器变化更为明显，传感器敏感度与其同损伤的距离成反比例线性关系。

隧道管片； 压电阻抗(EMI)； 螺栓松动； 损伤识别

基于智能材料(如PZT，锆钛酸铅压电陶瓷；MFC，压电纤维复合材料；形状记忆合金等)的高频诊断技术在结构健康监测领域应用日益广泛。其中基于PZT的压电阻抗(EMI)损伤检测技术在土木工程结构健康监测中的研究应用得到了广泛关注[1，2]。EMI技术与传统健康监测技术不同，主要基于局部高频激励(可达MHz)，利用PZT同时作为传感器和驱动器，对结构局部激励获取结构性能变化的信息，从而实现对结构微小损伤的监测。其基本原理是：将PZT用高强粘结剂粘贴于结构表面或植入结构内部，利用PZT正逆压电效应，通过压电阻抗仪施加电压对结构局部激振，获得与结构性能相关的监测信号，此信号作为结构健康衡量的基准，将来通过观察信号的改变即可识别结构是否发生损伤。由于其高频特性，具有对结构微小损伤敏感，不影响结构振动特性且能避开环境噪声影响的优点，经过20余年的研究，在结构损伤识别实际工程应用中已展现出巨大潜力。

从20世纪90年代初Liang[3，4]等人首次将智能PZT材料与结构结合并推导出PZT-结构压电阻抗耦合一维模型以来，EMI技术在理论和工程应用上都有较大发展。Zhou[5]等在该一维模型的基础上提出了PZT与基体结构相互作用的机电耦合二维模型，并将该阻抗模型应用到压电驱动的薄板和薄壳结构进行动力分析。Annamdas[6，7]用有限元理论推导了PZT在长度、宽度和厚度方向同时振动的三维通用PZT-结构耦合模型。但是由于二维、三维模型的推导相对复杂，且难以应用到实际工程结构，目前一维模型应用仍然最为广泛。该一维模型简化PZT片为一维杆件，其一端固定一端与结构相连，结构则简化为单自由度的质量-刚度-阻尼系统。当结构发生损伤，结构阻尼增大而结构刚度降低，由此引起单自由度系统的动刚度变化。该变化则反映在PZT监测信号中，从而通过判断监测信号的变化就可识别结构损伤。Ayres等将EMI方法引入土木结构的健康监测，将PZT传感器应用在一个钢桁架桥节点的损伤识别，证实了该方法用于土木结构实时监测的可行性[8]。Soh等将EMI方法应用到一个两跨钢筋混凝土梁和两层框架模型上，发现EMI方法可以检测到混凝土结构的微裂缝损伤[9]。Yang[10]用PZT和FBG结合测试石块在循环荷载作用下的破坏形式，试验表明PZT具有对初期微小损伤敏感的特性，能够用于监测洞穴、隧道等石块砌筑结构的损伤。Tawie[11]等用EMI技术监测混凝土强度发展，表明PZT能有效捕捉到混凝土硬化龄期内的强度变化，拓展了该技术的应用范围。Ai[12]等也将EMI技术用于钢结构锈蚀发展监测，提取了有效的监测指标。Talakokula[13]等用EMI技术监测钢筋锈蚀发展，提取了锈蚀衡量等效指标。以上研究表明将EMI技术用于混凝土结构、钢结构等土木工程结构的健康监测是可行的。然而目前的研究主要基于小型试验构件，用于大型结构的损伤检测仍不多见，特别是隧道管片结构的损伤识别更为少见。本文针对大体积隧道管片结构螺栓松动损伤识别问题展开研究，利用试验研究EMI技术识别管片结构损伤的有效性，探求PZT传感器的有效监测范围。

1 隧道管片结构的压电阻抗试验方案

试验采用两环拼接足尺隧道管片结构作为试验试件，管片外径4000 mm，壁厚500 mm，内径3500 mm，宽2432 mm。管片纵横向均采用螺栓连接，螺栓松动对结构安全与运营尤为重要，因此本试验设置结构损伤为螺栓松动。为方便测试，松动的螺栓为管片横向接头螺栓，纵向螺栓松动检测亦可。采用环氧树脂胶分别将8个传感器粘贴于隧道管片距离螺栓松动不同距离处，以研究传感器的有效监测范围。采用的传感器尺寸为10 mm×10 mm×0.5 mm，其主要性能参数如表1所示。传感器布置如图1所示，其中PZT1，3，7贴在混凝土螺栓孔边缘位置，PZT5，6粘贴于两管片拼接的边缘，PZT4，8贴于管片中间位置，PZT2不同于其他传感器贴于混凝土管片而是单独贴于钢制螺帽上，螺帽距离松动的螺母直线距离约600 mm。PZT1～8与螺栓1松动螺母的距离分别为：600，600，0，300，300，350，600，650 mm；距离螺栓2分别为：850，850，600，300，350，350，0，650 mm。利用安捷伦4294A压电阻抗仪测试不同损伤工况下的管片结构导纳信号。试验先测试无损管片的压电导纳，然后在管片上松动螺栓1，再次测试管片压电导纳；在此基础上松动螺栓2并测试其压电导纳。为保证该技术的损伤敏感特性，主要选取180～250 kHz频段范围进行损伤评估。

表1 压电片主要材料特性

图1 PZT传感器在管片结构上的布置

2 隧道管片结构试验结果分析

压电导纳信号作为EMI方法结构损伤诊断的依据，是PZT传感器与结构耦合作用的结果，其曲线特征(如谐振频率，幅值等)能反映出结构特性。无损状态下8个传感器的导纳频谱曲线如图2所示。由图2可以看出，粘贴于不同位置的传感器所测得的导纳谐振峰值Y(Re)和频率f都不同。黑色系三条曲线(PZT1,3,7)其谐振峰值最高，谐振频率最低；蓝色系两条曲线(PZT4,8)谐振峰值最低而谐振频率最高；红色系两条曲线(PZT5,6)处于二者之间。最为特别的是PZT2，其曲线谐振频率最高。这说明对于大体积结构而言，由于PZT传感器的局部激振特性，越靠近结构边缘的传感器，其获取的结构谐振峰值越高而谐振频率越低，越接近结构内部，传感器谐振性能受到抑制也更大，表现为其谐振峰值越小。

图2 无损状态下8个PZT传感器的电导纳实部频谱曲线对比

不同损伤工况下的测试对比结果如图3a～h所示。由图3可以看出：(1)尽管结构体积较大，质量较高，PZT传感器能很好捕捉到结构损伤变化，表现为电导纳实部频谱曲线在谐振峰值处相比无损伤工况出现明显的向左偏移；(2)图3b较其他图形表现出更为密集的谐振峰值，其偏移量也最大，说明PZT贴于螺栓上对其自身的松动比较敏感；(3)除图3b以外所有图形中，图3c曲线变化最为明显，表明距离螺栓1松动螺母最近的PZT2(粘贴于混凝土表面)最有效的捕捉到结构损伤信息。这些特征说明：针对螺栓松动这一管片结构的损伤形式，可以直接在需要进行监测螺栓的螺帽上粘贴PZT传感器进行损伤识别；对于需要监测的其他类型损伤，可在该损伤最有可能发生的关键位置附近直接粘贴PZT传感器进行监测。

图3 两种损伤工况与无损伤工况的PZT电导纳实部频谱曲线对比

3 隧道管片结构损伤定量评估

图3的试验结果表明，通过PZT电导纳频谱图的变化，可以定性地对管片结构螺栓松动损伤程度做出判断。为了进一步量化评估结构损伤的程度，采用统计特征指标均方根偏差(RMSD)来对试验结果进一步计算分析，探求PZT传感器在大型结构上的有效监测范围。

对180～250 kHz频段内2种损伤工况下的导纳信号进行RMSD统计指标计算，其结果如图4和表2所示。图4为各损伤状态对应的8个传感器RMSD计算值；表2列出了随着损伤发展，各个传感器损伤指数RMSD的具体值及其随损伤发展的变化率。图5选取RMSD值变化率为纵坐标，传感器与损伤的距离为横坐标，更直观地描述了其变化。图6将这种变化线性拟合，可以得到传感器的敏感度与距离之间的线性关系。

图4 两种工况下8个PZT传感器的RMSD值

传感器编号PZT1PZT2PZT3PZT4PZT5PZT6PZT7PZT8工况14.4327.2718.671.123.842.838.065.64工况23.727.0518.531.495.234.0311.745.94变化率/%-16.50-0.81-0.7533.0436.1942.4045.665.32

图5 传感器和损伤间距与RMSD值变化率关系曲线

图6 传感器和损伤间距与RMSD值变化率线性拟合关系

从图4可以直观的看出，粘贴于螺帽上的PZT2计算的RMSD值最大为27.27，大于距离螺栓松动螺母最近的贴于混凝土管片上PZT3的RMSD值18.67，其余距离较远的PZT传感器RMSD值均较小。这表明对于螺栓松动损伤，PZT传感器直接贴在螺帽上更为有效，尽管螺帽距离松动螺母600 mm。

从表2可以看出在螺栓1松动的基础上松动螺栓2，损伤程度增大，距离2号螺栓350 mm以内的传感器(PZT4,5,6,7)的RMSD值均有较大增长(33.04%，36.19%，42.40%，45.66%)，平均增长约41%；大于600 mm的传感器(PZT1,2,3,8)几乎没有变化，甚至出现负增长(-16.50%，-0.81%，-0.75%)，表明PZT传感器在混凝土结构上的有效监测范围小于600 mm，最佳监测范围约为300 mm。图5进一步直观地表明传感器与损伤的距离及其RMSD值变化率，从图6可以看出传感器的敏感度随距离的增加呈线性降低趋势，二者的线性关系为y=-0.0007x+0.5489，方差约为0.86。因此，对于混凝土隧道管片结构而言，应按小于600 mm的距离布置传感器以有效监测结构损伤。

4 结 论

本文利用压电阻抗技术，对混凝土隧道管片结构螺栓松动损伤进行了识别试验。通过布置不同距离的压电传感器，并在两种螺栓松动工况下测量压电导纳频谱曲线，分析了EMI技术的有效性，并进一步定量分析压电导纳信息的统计特征指标RMSD及其变化率。试验结果表明基于压电阻抗可以有效检测管片螺栓松动损伤，将PZT传感器直接贴于螺栓的螺帽上最为有效，其敏感度高于贴于混凝土管片。PZT传感器贴于混凝土管片有效监测距离小于600 mm。PZT传感器敏感度随着距离的增加而降低，二者呈反比例线性关系。试验结果可为EMI技术应用于隧道管片结构健康监测提供有用参考。

[1] 朱宏平, 王丹生, 张俊兵. 基于压电阻抗技术的结构损伤识别基本理论及其应用[J]. 工程力学, 2008, 25(s2): 34-43.

[2] 李传兵, 廖吕荣, 张玉璘. 压电智能结构的研究进展[J]. 压电与声光, 2002, 24(1): 42-43.

[3] Liang C, Sun F P, Rogers C A. Electromechanical impedance modeling of active material systems[J]. Smart Materials and Structures, 1996, 5: 171-186.

[4] Liang C, Sun F P, Rogers C A. Coupled electro-mechanical analysis of adaptive material systems—determination of the actuator power consumption and system energy transfer[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 1994, 5(1): 12-20.

[5] Zhou S W, Liang C, Rogers C A. An impedance-based system modeling approach for induced strain actuator-driven structures[J]. Journal of Vibrations and Acoustics, 1996, 118(3): 323-331.

[6] Annamdas V G M, Soh C K. Three-dimensional electromechanical impedance model I: formulation of directional sum impedance[J]. Journal of Aerospace Engineering, 2007, 20(1): 53-62.

[7] Annamdas V G M, Soh C K. Three-dimensional electromechanical impedance model II: damage analysis and PZT characterization[J]. Journal of Aerospace Engineering, 2007, 20(1): 63-71.

[8] Ayres J W, Lalande F, Chaudhry Z, et al. Qualitative impedance-based health monitoring of civil infrastructures[J]. Smart Materials and Structures, 1998, 7(5): 599-605.

[9] Soh C K, Bhalla S. Calibration of piezo-impedance transducers for strength prediction and damage assessment of concrete[J]. Smart Materials and Structures, 2005, 14(4): 671-684.

[10]Yang Y W, Annamdas V G M, Wang C, et al. Application of multiplexed FBG and PZT impedance sensors for health monitoring of rocks[J]. Sensors, 2008, 8(1): 271-289.

[11]Tawie R, Lee H K. Monitoring the strength development in concrete by EMI sensing technique[J]. Construction and Building Materials, 2010, 24(9): 1746-1753.

[12]Ai D M, Zhu H, Luo H, et al. An effective electromechanical impedance technique for steel structural health monitoring[J]. Construction and Building Materials, 2014, 73: 97-104.

[13]Talakokula V, Bhalla S, Gupta A. Corrosion assessment of reinforced concrete structures based on equivalent structural parameters using electro-mechanical impedance technique[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2014, 25: 484-500..

EMI Based Experiment on Tunnel Segment Structural Bolt-looseness Damage Detection

AIDe-mi1，LUOHui1，ZHUHong-ping1，WANGChao1,2

(1.School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China； 2.School of Civil Engineering and Architecture and Environment，Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China)

Electromechanical impedance (EMI) based damage detection technique applied for large structural health monitoring has not been widely studied. This paper investigated the effectiveness of EMI technique and the sensitive distance of piezoelectric (PZT) sensor for large tunnel segment structural bolt looseness detection. Through measuring the electromechanical admittance spectrum of the PZT sensors installed on different locations, characterizations of the impedance curves were analyzed. Then resonant frequency variation tendency of the admittance spectrum was studied after the bolt looseness damage inducing to the segment structure, and statistical index RMSD was also calculated for damage quantification. Its’ rate of change was also adopted for evaluation on sensor sensitivity. The experimental results indicated that the PZT sensor can capture the development of the bolt looseness damage, thus the EMI technique is feasible for the large tunnel segment structural damage detection. And it was more effective of PZT sensor located on the bolt than on the concrete. With the development of structural damage, the index values of the near PZT senor varied more largely than the distant ones, the relationship between sensor sensitivity and distance was inverse linear proportion.

tunnel segment; electromechanical impedance (EMI); bolt looseness; damage detection

2016-03-09

2016-05-29

艾德米(1989-)，男，云南通海人，博士研究生，研究方向为结构损伤识别及健康监测(Email: aidemi12@hust.edu.cn)

国家自然科学基金(51578260；51578261；51408250)；贵州省交通厅科技项目(2015-122-051)

TU317

A

2095-0985(2016)06-0039-04