CN106970197A - 一种cfrp板加固钢箱梁裂缝的监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CFRP板加固钢箱梁裂缝的监测系统及方法，监测系统包括钢箱梁构件；所述钢箱梁构件表面固定有至少两块粘贴式压电陶瓷片和CFRP板材；其中至少一块粘贴式压电陶瓷片用作信号激励器，至少一块粘贴式压电陶瓷片用作传感器；数据采集器驱动用作信号激励器的粘贴式压电陶瓷片发射正弦扫频信号，并采集用作传感器的粘贴式压电陶瓷片接收到的正弦扫频信号。本发明的系统结构简单，能即时监测CFRP板材加固钢箱梁裂缝的扩展情况，加固后裂缝在加固材料内部，把奇异熵引入，不但能够判断损伤的情况，还能够精确判断裂缝的横向尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种CFRP板加固钢箱梁裂缝的监测系统及方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)板具有强度高、重量轻、免锈蚀和抗疲劳性能好等优异性能，正因为CFRP板材有如此多的良好性能，所以如今将其运用在钢箱梁加固领域越来越普遍。但是，采用CFRP板材加固钢箱梁也存在着诸多问题，如：由于CFRP板材不佳的粘接性能而产生的剥离破坏、CFRP板材因为锚固技术的不足而难以达到理想的加固效果以及CFRP板材的不透明性导致无法直接知晓板材粘贴处的结构裂缝扩展情况等问题。
而压电陶瓷(PZT)因具有自然频率高、频响范围宽、功耗低、稳定性好、响应快、易于测量和控制等，并且同时可以作为激励器和传感器以及具有较高的介电常数、压电常数等诸多优点。其中，最显著的特性是：其作为传感器时，因其工作频率相当高，远远超过结构的自然频率并且质量轻，从而对本体结构影响很小，同时由于体积小可以粘贴在已有结构的表面或埋入新建结构的内部对结构进行监测。而其作为激励器时，由于压电陶瓷(PZT)极高的激励频率对微小的裂缝极其敏感，相比其他传统监测手段，它能够极大地提高损伤监测的精度。因此，在结构监测领域中，压电陶瓷越来越多的作为结构的内部损伤探测和实时在线健康监测的手段。
虽现有技术中基于压电陶瓷(PZT)的健康监测装置已有相关研究，但都是针对混凝土梁的监测，尚未对CFRP板加固钢箱梁裂缝扩展进行相关的监测。
发明内容
本发明旨在提供一种CFRP板加固钢箱梁裂缝的监测系统及方法，即时监测CFRP板材加固钢箱梁裂缝的扩展情况。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种CFRP板加固钢箱梁裂缝的监测系统，包括钢箱梁构件；所述钢箱梁构件表面固定有至少两块粘贴式压电陶瓷片和覆盖钢箱梁裂缝的CFRP板材，且粘贴式压电陶瓷片固定于所述CFRP板材外侧的钢箱梁构件表面上；两块粘贴式压电陶瓷片之间的连线与钢箱梁裂缝成35°～70°的夹角；其中至少一块粘贴式压电陶瓷片用作信号激励器，至少一块粘贴式压电陶瓷片用作传感器；数据采集器驱动用作信号激励器的粘贴式压电陶瓷片发射正弦扫频信号，并采集用作传感器的粘贴式压电陶瓷片接收到的正弦扫频信号。
所述CFRP板材表面覆盖有密封层。所述密封层采用沥青防水卷材制成。所述密封层上涂有环氧面漆。
所述粘贴式压电陶瓷片包括铜片，所述铜片上固定有压电陶瓷片；所述压电陶瓷片、铜片均与屏蔽线一端固定连接，所述屏蔽线另一端接BNC接头。
本发明还提供了一种利用上述监测系统监测CFRP板加固钢箱梁裂缝的方法，包括以下步骤：
1)在监测前，采集用作传感器的粘贴式压电陶瓷片接收到的正弦扫频信号，对该正弦扫频信号进行递归量化分析，由此得到一组信号数据向量并将此信号数据向量作为初始数据；其中，N为数据向量中的信号数据数量；
2)在监测期内，采集用作传感器的粘贴式压电陶瓷片接收到的正弦扫频信号，对该正弦扫频信号进行递归量化分析，得到一组信号数据向量
3)利用数据向量和得到无阀值递归矩阵
4)求取上述无阀值递归矩阵Dij的奇异值对角矩阵，并利用所述奇异值对角矩阵求得奇异熵；
5)将所述奇异熵作为损伤指标值，若所述损伤指标值在监测期间内发生变化时，发出预警。
奇异熵En的计算公式为：
其中，ΔEt表示奇异熵在t阶处的增量，σt，σk为无阀值递归矩阵Dij的奇异值。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的系统结构简单，能即时监测CFRP板材加固钢箱梁裂缝的扩展情况，加固后裂缝在加固材料内部，把奇异熵引入，不但能够判断损伤的情况，还能够精确判断裂缝的横向尺寸。
附图说明
图1为基于压电陶瓷监测CFRP板加固钢箱梁裂缝扩展的监测系统工作流程图；
图2为步骤一中的粘贴式压电陶瓷(PZT)片示意图；
图3为钢箱梁裂缝监测系统示意图；
图4为钢箱梁裂缝监测系统局部详图；
图5为本发明的监测系统建立流程图。
1：压电陶瓷(PZT)片；2：铜片；3：屏蔽线；4：钢箱梁构件；5：粘贴式PZT片；6：CFRP板材；7：钢箱梁裂缝；8：NI6363多功能数据采集器；9：电脑；10：压电效应。
具体实施方式
本发明实现过程如下：
步骤一、首先采用打磨机或砂纸对钢箱梁表面上的设计贴片位置进行打磨平整，用酒精或丙酮除去打磨掉的杂质，然后用环氧树脂胶或502胶水将压电陶瓷片粘贴在预定位置，晾干后即制作成了用于监测的粘贴式压电陶瓷片。但需注意：粘贴时要保证胶水涂抹均匀、与压电陶瓷片充分接触，使压电陶瓷片均匀受力。
步骤二、将压电陶瓷片焊接上屏蔽线，该屏蔽线另外一头与BNC接头连接，其中一部分作为信号激励器，一部分作为信号传感器。
步骤三、待压电陶瓷片安装完毕以及完成数据采集前的准备工作后，通过电脑控制NI6363驱动压电陶瓷片发射100HZ-150kHZ的正弦扫频信号，其信号的幅值为10V。同时由NI6363采集作为传感器的压电陶瓷片所接收到的信号，并将采集到的数据保存到电脑中。
步骤四、将采集的信号进行递归量化分析，由此得到一组信号数据向量并将此信号数据向量作为初始数据。
步骤五、在待加固钢箱梁的表面上按设计要求进行放线定位，以确定CFRP板粘贴位置。再将钢箱梁底板表面打磨平整，喷洒乙醇以除去表层油漆,油污等杂质，直至完全暴露出钢箱梁结构面层。
步骤六、按相关工艺规定配制底层树脂与找平材料，再使用刷子将底层树脂均匀涂刷在钢箱梁的底板表面，待底层树脂表面干燥后在钢箱梁底板表面有凹陷区域利用找平材料将其填平且不出现棱角。
步骤七、按设计要求裁剪碳纤维板并配制浸渍胶，将浸渍胶均匀涂抹于钢箱梁上的设计粘贴部位。然后将碳纤维板粘贴在设计位置上，再选用专业滚筒将碳纤维板中的气泡挤压出来，并同时将碳纤维板的两端采取夹板螺栓锚使其锚固在结构上。
步骤八、待粘连性能达到设计值后，在碳维板的表面均匀涂抹浸渍胶，并在其表面上粘贴一层沥青防水卷材进行密封，再将其表面采用一层环氧面漆涂装，颜色同原油漆。
步骤九、在该构件监测期间内按步骤三的方法采集信号，并通过递归量化分析得出此时刻的信号数据向量然后将此信号数据向量与步骤四中的初始数据向量这两组数据进行无阀值递归矩阵分析，其表达式如下：
但对于判定结构损伤裂缝尺寸而言，细微的差别都可能造成对损伤判定的不精准。因此，本发明将奇异熵引入到递归图算法中，以递归矩阵的奇异熵作为损伤指标，从而使指标对结构细微变化更加敏感及精确。
按下列具体过程进行构造：
(1)计算无阙值递归矩阵D，见上式；
(2)对无阙值递归矩阵D进行奇异值分解：
其中，υi和vi分别为左奇异值向量和右奇异值向量，σi为矩阵D的奇异值，且数值按递减排列σ1>σ2>…>σn。由于含噪信号中，大的奇异值反映信号分量，小的奇异值反映噪声，所以可以根据ΔEi+1-ΔEi<<ΔEi-ΔEi-1选定K阶递减排列的奇异值对角阵Λ，且将大于K阶的较小的奇异值置零，即可得到新的去除噪声影响的奇异值对角阵：
Λ＝diag(σ1，σ2，…，σk，0，…，σn＝0)
(3)根据奇异值对角阵求得奇异熵：
其中ΔEi表示奇异熵在i阶处的增量，且可通过下式得到：
由此得到的递归矩阵奇异熵对测试信号因结构损伤产生的变化十分敏感，因此，本发明将其作为损伤指标值。当损伤指标值在监测期间内发生改变时，发出预警。
步骤三中，采用的递归量化分析技术是基于离散二进小波变换的相空间重构理论，引入该技术能够有效对采集的信号进行质量评估以及结构损伤识别，同时也能克服杂波信号的影响。因此，本发明将该技术引入信号分析中。
本发明中，设初始终递归矩阵的奇异熵值E0中的递归矩阵Dij的为0。
本发明采用交叉递归图，通过信号间的比较来分析两个不同信号的相互关系。若两个信号相似，则其在相空间中的位置相差不多，递归点出现的概率比较大；反之，递归点出现概率较少。这种特性非常适合结构损伤识别，从概率的角度判定结构有无损伤以及损伤裂缝尺寸。
本发明中作为损伤指标值的递归矩阵奇异熵，其值反映信号的变化随着奇异谱的阶次增加的规律。并且对于未损伤结构或裂缝不再扩展的损伤结构，采集到的信号在较低阶的奇异谱处便能达到信息量饱和，即奇异熵随着阶次增加而数值仍稳定于某一固定值；反之，信号中的信息量随着阶次的增加而加大，即奇异熵随着阶次增加而数值将发生改变。因此，若奇异熵值发生了改变则说明结构发生了破坏，故而以奇异熵值是否发生改变作为预警指标。
本发明中无阙递归矩阵Dij的奇异熵代表了单纯的损伤结构的响应信号与未损伤结构响应信号之间的相关性，前几阶较大的奇异值所代表的奇异熵的增量ΔEi对应着结构自身响应的相关性，而后几阶较小的奇异值对应着噪声等其他条件对递归矩阵Dij影响，因此将后几阶较小的奇异值排除在外。而对于奇异熵增量ΔEi的变化情况，其最主要的增量在奇异熵阶数较低的区域增量，并且这区域增量与裂缝横向尺寸存在着反比例关系，即裂缝横向尺寸越大，奇异熵越小。但对于结构刚度损伤，奇异熵与结构刚度损伤成正比例关系，即刚度损伤越大，奇异熵也越大。因此，可以通过比较监测期间内奇异熵的数值变化关系即E0/En的比值(E0，En分别为初次监测的奇异熵与第n次监测的奇异熵)，由此得出裂缝横向尺寸相对于初始值扩展的大小以及结构刚度的损伤比率，进而判定裂缝的横向尺寸与结构刚度损伤程度。
Claims (7)
1.一种CFRP板加固钢箱梁裂缝的监测系统，其特征在于，包括钢箱梁构件(4)；所述钢箱梁构件(4)表面固定有至少两块粘贴式压电陶瓷片(5)和覆盖钢箱梁裂缝的CFRP板材(6)，且粘贴式压电陶瓷片(5)固定于所述CFRP板材(6)外侧的钢箱梁构件(4)表面上；两块粘贴式压电陶瓷片(5)之间的连线与钢箱梁裂缝成35°～70°的夹角；其中至少一块粘贴式压电陶瓷片(5)用作信号激励器，至少一块粘贴式压电陶瓷片(5)用作传感器；数据采集器(8)驱动用作信号激励器的粘贴式压电陶瓷片(5)发射正弦扫频信号，并采集用作传感器的粘贴式压电陶瓷片(5)接收到的正弦扫频信号。
2.根据权利要求1所述的CFRP板加固钢箱梁裂缝的监测系统，其特征在于，所述CFRP板材(6)表面覆盖有密封层。
3.根据权利要求2所述的CFRP板加固钢箱梁裂缝的监测系统，其特征在于，所述密封层采用沥青防水卷材制成。
4.根据权利要求2所述的CFRP板加固钢箱梁裂缝的监测系统，其特征在于，所述密封层上涂有环氧面漆。
5.根据权利要求1所述的CFRP板加固钢箱梁裂缝的监测系统，其特征在于，所述粘贴式压电陶瓷片(5)包括铜片(2)，所述铜片(2)上固定有压电陶瓷片(1)；所述压电陶瓷片(1)、铜片(2)均与屏蔽线(3)一端固定连接，所述屏蔽线(3)另一端接BNC接头。
6.一种利用权利要求1～5之一所述的监测系统监测CFRP板加固钢箱梁裂缝的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在监测前，采集用作传感器的粘贴式压电陶瓷片(5)接收到的正弦扫频信号，对该正弦扫频信号进行递归量化分析，由此得到一组信号数据向量并将此信号数据向量作为初始数据；其中，N为数据向量中的信号数据数量；
2)在监测期内，采集用作传感器的粘贴式压电陶瓷片(5)接收到的正弦扫频信号，对该正弦扫频信号进行递归量化分析，得到一组信号数据向量
3)利用数据向量和得到无阀值递归矩阵
4)求取上述无阀值递归矩阵Dij的奇异值对角矩阵，并利用所述奇异值对角矩阵求得奇异熵；
5)将所述奇异熵作为损伤指标值，若所述损伤指标值在监测期间内发生变化时，发出预警。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，奇异熵En的计算公式为：
其中，ΔEt表示奇异熵在t阶处的增量， σt，σk为无阀值递归矩阵Dij的奇异值。
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