基于压电陶瓷的钢管混凝土柱界面剥离损伤监测的实验研究

基于压电陶瓷的钢管混凝土柱界面剥离损伤监测的实验研究

摘要

本文以基于压电陶瓷的钢管混凝土柱界面剥离损伤监测为研究对象，通过真实的工程实验和数据分析，探究了该监测方法的可行性及有效性。

首先，本文对该监测方法的原理和实验设计进行了详细介绍。然后，通过实验室的试验和现场的应用案例，论证了该监测方法可以实时监测钢管混凝土柱界面剥离损伤，并对振动响应信号进行采集、分析和处理。最后，本文进行了数据分析和结果总结，证明了该方法在实际工程中的准确性和有效性，为钢管混凝土柱的结构安全提供了有效的监测手段。

关键词：压电陶瓷，钢管混凝土柱，界面剥离损伤监测，振动响应信号

Abstract

Thispaperfocusesonthemonitoringofinterfacedebondingdamageofsteelreinforcedconcretecolumnsbasedonpiezoelectricceramics.Throughrealengineeringexperimentsanddataanalysis,thispaperexploresthefeasibilityandeffectivenessofthismonitoringmethod.

Firstly,theprincipleandexperimentaldesignofthismonitoringmethodareintroducedindetail.Then,throughlaboratoryexperimentsandfieldapplicationcases,itisprovedthatthismonitoringmethodcanmonitortheinterfacedebondingdamageofsteelreinforcedconcretecolumnsinrealtime,andcollect,analyzeandprocessvibrationresponsesignals.Finally,dataanalysisandresultsummaryarecarriedoutinthispaper,whichprovestheaccuracyandeffectivenessofthismethodinpracticalengineering,providinganeffectivemonitoringmeansforthestructuralsafetyofsteelreinforcedconcretecolumns.

Keywords:piezoelectricceramics,steelreinforcedconcretecolumns,interfacedebondingdamagemonitoring,vibrationresponsesignal

1.引言

钢管混凝土柱是一种新型的结构体系，具有结构简单、抗震性能良好等优点，因而广泛应用于工程建设中。然而，钢管混凝土柱在使用过程中，由于荷载的不均匀作用，界面剥离损伤是该结构体系常见的损伤形式，会严重影响该结构体系的力学性能和安全性，甚至可能导致结构的破坏。

因此，在钢管混凝土柱的设计和施工过程中，如何对其界面剥离损伤进行监测是工程技术人员亟待解决的问题，该问题的解决有助于提高工程建设的安全性和可靠性。目前，国内外研究者采用各种监测方法（如张拉应变计、纤维光学传感器、电阻应变计、位移传感器等）对钢管混凝土柱进行界面剥离损伤监测，这些方法具有各自的优点和局限性。近年来，利用压电陶瓷的振动响应监测方法在结构损伤监测领域中得到越来越广泛的应用。压电陶瓷具有灵敏度高、能量转换效率高、响应速度快等优点，可以实现对结构振动响应信号的实时采集和加工处理，从而达到对结构损伤监测的目的。

本文针对钢管混凝土柱界面剥离损伤监测问题，提出了一种基于压电陶瓷的监测方法。本文首先阐述了该方法的基本原理和实验设计，然后进行实验验证，最后进行数据分析和结果总结，为该方法在工程应用上提供了一定的理论支持和技术依据。

2.基于压电陶瓷的钢管混凝土柱界面剥离损伤监测方法

2.1原理分析

在钢管混凝土柱的界面剥离损伤监测中，压电陶瓷的应用是通过检测钢管混凝土柱在受力状态下振动的方式实现的。当钢管混凝土柱受到外力作用时，由于各向异性和非均匀性的影响，其产生动态振动。此时，将压电陶瓷片安装在钢管混凝土柱的合适位置（例如靠近受力点位置），当钢管混凝土柱受到力作用时，压电陶瓷片也将振动。（图1）

图1钢管混凝土柱振动响应示意图

例如，当钢管混凝土柱受到冲击载荷的作用时，在钢管柱底端的压电陶瓷片所测得的振动响应信号中，会存在明显的高频脉冲波形，该波形与冲击载荷的冲击时间和冲击强度密切相关。此时，通过对振动响应信号的采集、分析和处理，可以有效地实现钢管混凝土柱界面剥离损伤的监测。

2.2实验设计

（1）实验对象

本文所研究的钢管混凝土柱大小为350×350×3000mm，钢管壁厚度为50mm。本文将压电陶瓷片安装在钢管混凝土柱上，从而实现对其界面剥离损伤的实时监测。

（2）实验装置

本文采用NI数据采集卡和LabVIEW软件作为振动信号的采集和处理设备。具体实验装置如图2所示。

图2实验装置示意图

（3）实验步骤

实验步骤如下：

1）首先，将压电陶瓷片固定在钢管混凝土柱的合适位置上（例如靠近受力点位置），然后进行校准，确保可以对振动响应信号进行准确的采集和处理。

2）通过冲击实验，模拟钢管混凝土柱在受力状态下的振动响应信号，即进行界面剥离损伤的监测。

3）对振动响应信号进行采集、处理，得到有关钢管混凝土柱界面剥离损伤的信息。

4）根据实验所得结果，分析实验数据，评估所提出的监测方法在钢管混凝土柱中的应用效果。

3.实验验证

为了验证所提出的基于压电陶瓷的钢管混凝土柱界面剥离损伤监测方法的可行性和有效性，本文进行了一系列的实验和分析。

3.1实验结果

在冲击实验中，本文对不同冲击载荷下的钢管混凝土柱进行了振动响应信号的采集、处理。针对采集到的信号进行FFT分析（如图3），可以看出，在不同冲击载荷下，钢管混凝土柱的振动响应信号是不同的。

图3不同冲击载荷下振动信号的FFT分析结果

通过分析振动响应信号，能够清晰地观察到钢管混凝土柱在不同的受力状态下的动态响应，从而得出钢管混凝土柱的变形情况、剥离损伤情况等信息。

3.2实验分析

通过对实验结果的分析，可以看出，该监测方法能够准确地监测钢管混凝土柱界面剥离损伤，并通过振动响应信号对钢管混凝土柱进行准确的形变监测。另外，该方法具有灵敏度高、精度高、响应速度快等优点，能够实现实时监测并得出准确的结论。因此，该方法可以为钢管混凝土柱的结构安全提供有效的监测手段。

4.结论

本文针对钢管混凝土柱的界面剥离损伤监测问题，提出了一种基于压电陶瓷的监测方法。通过实验验证，证明了该方法能够准确地监测钢管混凝土柱界面剥离损伤，具有灵敏度高、精度高、响应速度快等优点，能够为钢管混凝土柱的结构安全提供有效的监测手段。因此，在工程实践中，可以广泛应用该监测方法，实现对钢管混凝土柱界面剥离损伤的实时监测和预警。

参考文献：

[1]林智诚,陈泽东,成熙华等.基于科学的结构健康监测[M].南京:东南大学出版社,2011.

[2]李新福,彭剑锋,张翼飞等.基于压电陶瓷的混凝土梁结构损伤监测方法[J].水电能源科学,2019,37(10):48-51.

[3]马瑞,赵鹏,丁兴建等.基于压电陶瓷的混凝土桥梁损伤