基于机电阻抗技术的结构损伤识别方法研究
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【摘 要】随着国内社会经济的迅速发展，各种大型复杂工程结构不断涌现，日益向大型化、复杂化和智能化方向发展。这些重要工程结构的安全监测和损伤识别越来越受到学术界和工程界的重视。压电智能材料的成功应用，为基于机电阻抗法的结构损伤识别技术的发展提供了机遇。机电阻抗技术集激励和传感于一体，具有主动自感知的优良特性，属于高频局部损伤探测技术的范畴，对结构早期微小损伤非常敏感，并且可以隔离环境或远程荷载，适合结构在线监测。近年来，机电阻抗技术在航空航天、机械工程和土木工程等领域逐渐得到应用。但是，机电阻抗技术在阻抗建模、数据分析以及损伤识别等方面仍然存在很多挑战。
【关键词】机电阻抗；结构损伤；识别方法
引言
随着国内经济的不断发展，城市建设速度的不断加快，社会需求的日益提高，各种大型复杂工程结构不断出现。土木工程结构逐渐趋向大型化、复杂化和多样化。这些工程结构体形庞大、结构复杂，服役期往往长达几十年，甚至上百年。同时，这些结构在国民生产中占据重要地位，一旦在服役期间出现严重事故，如桥梁的突然折断、房屋建筑的骤然倒塌、输油管道的泄露等，必将给国家造成重大的社会影响和财产损失。但是，处于自然环境中的工程结构，长期受到各种环境荷载以及地震、台风、海啸、爆炸和车船碰撞等突发性荷载的共同作用，从服役开始结构就面临着损伤问题。随着工程结构服役年限的不断增加，结构中经常存在的表面破损或缺陷，易引起人们的重视；而结构中还存在着肉眼不可见的内在缺陷和微小损伤，这些损伤较易被忽视。当损伤积累到一定程度后，会造成工程结构的抗力衰减，使结构的安全性、实用性和耐久性降低，极端情况下会导致整个工程结构的突然失效，造成重大的人员伤亡和经济财产损失。为了保证工程结构的安全，就需要一个有效的结构损伤识别方法，使损伤积累尚未到达威胁结构安全程度之前就能够被检测出来，从而对损伤结构给予及时修复，保证工程结构的安全运行。
1机电阻抗模型
机电阻抗技术是一种不依赖于模态分析的结构安全监测和损伤识别技术。对于大型复杂结构，由于没有建立合适的理论模型，很难将所测得的电阻抗信号同被监测结构的物理参数定量地联系起来。因此，建立合适的机电阻抗模型，对结构安全监测的定量分析具有重要意义。目前，用于传感器一主体结构体系振动分析的方法主要有三种，分别为静力等效法、动力有限元法以及机电阻抗法。
静力等效法主要基于两个基本假定：即传感器与主体结构之间的相互作用是位于传感器端部的集中力，以及获得的集中力与激励频率无关。该集中力可通过传感器与结构的位移协调方程和静力平衡方程求解得到，然后用该力求解结构的静动力响应。动力有限元法是数值求解中应用较为广泛的一种，能够对结构动态响应提供准确的预测，是进行结构动态响应分析的有效手段。但其仍存在不足之处，例如，为了满足收敛性，在机电阻抗传感器周围需要很精细的网格划分，这导致计算效率较低：并且没有反映传感器与结构相互作用的物理本质。机电阻抗法作为分析研究传感器与结构相互作用的重要方法之一，它具有物理意义明确、计算效率高等特点，成为当前国内外学者的研究对象之一。
2结构损伤识别
在结构健康监测系统的几部分内容中，结构损伤诊断与识别是结构健康监测的核心。结构健康监测系统中的最主要环节就是结构损伤识别研究。结构中产生损伤具体表现在结构的某些特征参数发生变化。结构损伤识别是对结构进行检测，诊断结构损伤是否存在，进而判断结构损伤的位置及发展程度。结构损伤识别研究的基本内容有三个：1）判断结构是否产生损伤；2）判别结构损伤发生的位置；3）判断结构的损伤程度。结构损伤识别技术可以分为全局损伤识别技术和局部损伤识别技术。全局损伤识别方法针对于解决整个结构特别是大型复杂结构的损伤识别问题。结构损伤的出现，必将影响结构的固有属性，使得表征结构动力特性的某些特征参数发生变化，如结构固有频率的改变、结构阻尼的增大、结构刚度的降低等。因此，通过研究损伤产生前后结构模态参数的改变来对结构损伤进行识别。基于振动的模态分析方法对检测简单结构的全局损伤比较可靠，而基于波动的损伤识别方法对局部损伤较为敏感。
3基于粘贴型机电阻抗传感器的管道结构损伤识别研究
机电阻抗（EMI）技术作为近来兴起的一种有效的结构损伤识别方法，其对结构局部区域特性的变化很敏感，便利于监测结构局部区域的损伤并对损伤程度进行评估。对管道结构进行实时的损伤监测，是建立管道结构损伤识别系统的基本前提。管道结构损伤识别系统的有效运行离不开机电阻抗传感器的合理布设，机电阻抗传感器的形状、数量和位置对监测结果起决定性的作用。
将统计特征指标RMSD作为损伤指数，定量地分析管道系统局部损伤的发展过程以及发展程度，并实现对裂纹损伤的定位。得到以下结论：
（1）直管道结构与K型管结点模型试验结果一致反映出：I）基于EMI技术能够灵敏地反映管道系统中局部微小变化，能对管道系统早期的局部微小损伤进行有效地识别；2）在损伤程度不断扩展的过程中，损伤指数RMSD逐渐增长，并且结构等效机械阻抗和结构损伤敏感因子D的损伤指数增幅更大，变化更加明显。由此定量地描述管道系统局部损伤的发展过程以及发展程度；3）通过布设的机电阻抗传感器网络，利用结构损伤敏感因子D能够准确地预测管道系统中损伤发生的位置，实现对管道系统裂纹损伤的定位。
（2）直管道试验结果中，对比裂纹I与裂纹II的结构等效机械阻抗和结构损伤敏感因子D对应的损伤指数RMSD发现：传感器距离损伤位置越近，损伤指数RMSD越大且变化越明显，识别的效果越好。
（3）基于K型管结点模型试验结果发现：1）当裂纹损伤发生在弦管上时，布置在弦管的机电阻抗传感器对于径向断裂和轴向劈裂等两种裂纹形式都很敏感，能够反映出两种裂纹的存在。通过研究结构损伤敏感因子D对应的损伤指数RMSD发现，靠近损伤一侧的撑管上部分机电阻抗传感器能够微弱地感应到弦管上出现的损伤，这说明了撑管上各传感器对于弦管上的损伤不敏感：2）当裂纹损伤发生在撑管上时，撑管的机电阻抗传感器对于径向断裂和轴向劈裂等两种裂纹形式都很敏感，能够反映出裂纹损伤的存在。弦管上接近裂纹损伤的机电阻抗传感器能够感应到撑管上出现的裂纹损伤；3）当裂纹损伤沿焊缝处发展，在弦管和撑管上接近裂纹损伤的机电阻抗传感器都能够感应到裂纹的产生及发展过程，这说明了利用改进的EMI技术能够同时在弦管和撑管上监测沿焊缝发展的裂纹损伤。
结束语
工程结构的安全问题己经引起人们的广泛关注和重视，如果能在灾难到来之前对其预测，进行评估以趋利避害成为目前研究的焦点。因此，对工程结构整个服役期的健康状况进行监测和诊断，及时地发现结构的损伤，有效地避免突发事故造成的伤害，已经成为未来土木工程結构健康监测和损伤识别研究中的主要内容和必然要求，也是土木工程学科发展的一个重要领域。
参考文献：
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（作者单位：国网山东省电力公司招远市供电公司）
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