張 軍， 丁鵬飛

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

0 引 言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是建筑工程中最常用的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)在使用周期中不可避免地會(huì)受到各種環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生損傷。結(jié)構(gòu)的損傷會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)剛度下降等各種問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)治理和維護(hù)。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)顯得尤為重要，而鋼筋混凝土在結(jié)構(gòu)材料中占絕大部分，因此,首先最重要就是對(duì)混凝土的損傷情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

文中利用壓電阻抗技術(shù)將壓電陶瓷制作成傳感器粘貼于混凝土梁的表面，測(cè)得其阻抗變化,并結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)損傷位置進(jìn)行識(shí)別定位。

1 EMI技術(shù)

由PZT(壓電陶瓷)等制成的智能壓電材料具有將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)化的能力。其中機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能叫作PZT的正壓電效應(yīng)，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能叫作PZT逆壓電效應(yīng)[1-3]。本質(zhì)是機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化。由于結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化主要是由于結(jié)構(gòu)損傷所引起的，而結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗是很難通過(guò)相關(guān)的測(cè)量設(shè)備直接測(cè)試得到。

EMI技術(shù)就是利用壓電智能材料(壓電陶瓷片等)測(cè)量結(jié)構(gòu)電阻抗，從而間接地得到機(jī)械阻抗。

1.1 機(jī)械阻抗

以簡(jiǎn)單的彈簧系統(tǒng)(SMD系統(tǒng))為例，系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 SMD系統(tǒng)模型

(1)

式中：F----外力；

Z----系統(tǒng)機(jī)械阻抗；

x----位移大小；

阻抗Z可表示為

(2)

若F為簡(jiǎn)諧力，則得到：

(3)

(4)

1.2 結(jié)構(gòu)壓電耦合電阻抗

PZT驅(qū)動(dòng)的SMD系統(tǒng)[4-6]如圖2所示。

圖2 機(jī)電耦合模型

對(duì)PZT的z方向施加激振電壓，可得

(5)

由耦合系統(tǒng)特性可得到

(6)

求得整個(gè)耦合系統(tǒng)的振動(dòng)位移表達(dá)式為

(7)

(8)

等效激勵(lì)力為

(9)

(10)

其振動(dòng)速度為

(11)

PZT的機(jī)械阻抗值為

(12)

化簡(jiǎn)可得，系統(tǒng)的振動(dòng)位移方程為

(13)

求解得到PZT的電位移

(14)

uPZT(x,t)=u(x1,t)-u(x2,t)-

(15)

在實(shí)際應(yīng)用中tan(klPZT)≈klPZT，可得PZT的電阻抗為

(16)

2 壓電阻抗技術(shù)的混凝土梁損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)

2.1 EMI傳感器的設(shè)計(jì)

壓電阻抗傳感器是由于壓電陶瓷片具有正/逆壓電效應(yīng)而制成的，即壓PZT不是直接粘貼在被測(cè)物體上，選一容易制作的基體將PZT粘貼或嵌入其中,基體的制作方便了實(shí)驗(yàn)的安裝與進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中使用A2/HA2型導(dǎo)電銀膠，A2和HA2膠按照2∶3的比例混合并加入適量丙酮調(diào)和；在PZT背面與基體上涂抹調(diào)和好的導(dǎo)電銀膠，然后將PZT粘貼在基體上，輕按PZT，確保粘貼準(zhǔn)確。一個(gè)簡(jiǎn)單的壓電阻抗傳感器就制成了。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)選用的是鋼筋混凝土梁尺寸,單位為mm。將制成的EMI傳感器粘貼在梁上，如圖3所示。

圖3 PZT位置示意圖

實(shí)驗(yàn)步驟：

1)將制作好的壓電傳感器用魚鰾膠粘貼在混凝土梁上，粘貼過(guò)程中應(yīng)充分?jǐn)嚢?，保證粘貼均勻。并常溫下保存24 h,讓其充分硬化。

2)在基體和PZT片上分別用導(dǎo)線連接在阻抗分析儀上，設(shè)定不同的掃頻范圍，并將結(jié)果保存在U盤內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)中共檢測(cè)了在5種損傷情況下混凝土梁阻抗變化情況，分別為無(wú)損傷狀態(tài),有裂紋，深度分別為1、2、4、5 mm，裂紋處離梁左端100 mm處。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

壓電耦合阻抗如圖4所示。

(a) 5～15 kHz阻抗實(shí)部

(b) 200～500 kHz阻抗實(shí)部

(c) 1～5 MHz阻抗實(shí)部

(d) 9.1～9.8 kHz阻抗實(shí)部圖4 壓電耦合阻抗

由圖4(a)和(d)可知，鋼筋混凝土梁在5～15 kHz頻率段上，阻抗值隨著鋼筋混凝土梁的裂紋不斷增加而下降，而且梁的共振頻率點(diǎn)也相應(yīng)的減小。而通過(guò)圖(b)和(c)，此頻段的阻抗值變化雜亂無(wú)章，沒有實(shí)際研究意義。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混凝土梁的損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)的建立、訓(xùn)練和驗(yàn)證

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN技術(shù))實(shí)質(zhì)就是使用機(jī)器語(yǔ)言模仿人腦做出決定的過(guò)程[7]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)或兩個(gè)以上的神經(jīng)元可以組合為一個(gè)層，每一層都可以構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是多層型網(wǎng)絡(luò)，包括輸入層、隱含層和輸出層。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)輸出和實(shí)際輸出的誤差來(lái)調(diào)整更新權(quán)重，以達(dá)到輸出和目標(biāo)相匹配。文中應(yīng)用Matlab R2013a構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。以上所得的5組數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)作為訓(xùn)練樣本，并再進(jìn)行一次裂紋深度為2 mm處的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)樣本。分別把5個(gè)損傷樣本分為4個(gè)不同的損傷狀態(tài)：E0表示無(wú)裂紋；E1表示裂紋深度介于1～2 mm；E2表示裂紋深度介于2～4 mm；E3表示裂紋深度介于4～5 mm,見表1。

表1 輸出故障編碼

首先對(duì)阻抗實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理。然后對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)， BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析圖如圖5所示。

經(jīng)過(guò)50步訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)誤差已經(jīng)達(dá)到預(yù)計(jì)目標(biāo)，滿足了要求。訓(xùn)練結(jié)果見表2。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析圖

表2 訓(xùn)練樣本網(wǎng)絡(luò)輸出

由表2可知，該網(wǎng)絡(luò)在誤差允許的范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)梁損傷的識(shí)別。

3.2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)

將監(jiān)測(cè)樣本輸入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)中，用來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)識(shí)別混凝土梁的損傷能力，結(jié)果見表3。

表3 網(wǎng)絡(luò)輸出

分析表3可知，2 mm裂紋的測(cè)試結(jié)果處于E1，說(shuō)明所對(duì)應(yīng)的1～2 mm之間剛好與測(cè)試結(jié)果相同。充分說(shuō)明電阻抗技術(shù)結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行識(shí)別。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)通過(guò)阻抗掃頻實(shí)驗(yàn)可以看出，在低頻段隨著鋼筋混凝土梁的裂紋深度不斷增加，梁的共振頻率發(fā)生明顯偏移，即減小且峰值也減小，說(shuō)明了使用壓電阻抗的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。

2)通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了對(duì)混凝土梁的損傷識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)阻抗實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠很好地識(shí)別裂紋的深度。充分說(shuō)明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合壓電阻抗分析法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別和定位。