本發(fā)明涉及一種cfrp板加固鋼箱梁裂縫的監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料cfrp(carbonfiberreinforcedpolymer/plastic)板具有強(qiáng)度高、重量輕、免銹蝕和抗疲勞性能好等優(yōu)異性能，正因為cfrp板材有如此多的良好性能，所以如今將其運(yùn)用在鋼箱梁加固領(lǐng)域越來越普遍。但是，采用cfrp板材加固鋼箱梁也存在著諸多問題，如：由于cfrp板材不佳的粘接性能而產(chǎn)生的剝離破壞、cfrp板材因為錨固技術(shù)的不足而難以達(dá)到理想的加固效果以及cfrp板材的不透明性導(dǎo)致無法直接知曉板材粘貼處的結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展情況等問題。

而壓電陶瓷(pzt)因具有自然頻率高、頻響范圍寬、功耗低、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、易于測量和控制等，并且同時可以作為激勵器和傳感器以及具有較高的介電常數(shù)、壓電常數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。其中，最顯著的特性是：其作為傳感器時，因其工作頻率相當(dāng)高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過結(jié)構(gòu)的自然頻率并且質(zhì)量輕，從而對本體結(jié)構(gòu)影響很小，同時由于體積小可以粘貼在已有結(jié)構(gòu)的表面或埋入新建結(jié)構(gòu)的內(nèi)部對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。而其作為激勵器時，由于壓電陶瓷(pzt)極高的激勵頻率對微小的裂縫極其敏感，相比其他傳統(tǒng)監(jiān)測手段，它能夠極大地提高損傷監(jiān)測的精度。因此，在結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域中，壓電陶瓷越來越多的作為結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷探測和實時在線健康監(jiān)測的手段。

雖現(xiàn)有技術(shù)中基于壓電陶瓷(pzt)的健康監(jiān)測裝置已有相關(guān)研究，但都是針對混凝土梁的監(jiān)測，尚未對cfrp板加固鋼箱梁裂縫擴(kuò)展進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種cfrp板加固鋼箱梁裂縫的監(jiān)測系統(tǒng)及方法，即時監(jiān)測cfrp板材加固鋼箱梁裂縫的擴(kuò)展情況。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種cfrp板加固鋼箱梁裂縫的監(jiān)測系統(tǒng)，包括鋼箱梁構(gòu)件；所述鋼箱梁構(gòu)件表面固定有至少兩塊粘貼式壓電陶瓷片和覆蓋鋼箱梁裂縫的cfrp板材，且粘貼式壓電陶瓷片固定于所述cfrp板材外側(cè)的鋼箱梁構(gòu)件表面上；兩塊粘貼式壓電陶瓷片之間的連線與鋼箱梁裂縫成35°～70°的夾角；其中至少一塊粘貼式壓電陶瓷片用作信號激勵器，至少一塊粘貼式壓電陶瓷片用作傳感器；數(shù)據(jù)采集器驅(qū)動用作信號激勵器的粘貼式壓電陶瓷片發(fā)射正弦掃頻信號，并采集用作傳感器的粘貼式壓電陶瓷片接收到的正弦掃頻信號。

所述cfrp板材表面覆蓋有密封層。所述密封層采用瀝青防水卷材制成。所述密封層上涂有環(huán)氧面漆。

所述粘貼式壓電陶瓷片包括銅片，所述銅片上固定有壓電陶瓷片；所述壓電陶瓷片、銅片均與屏蔽線一端固定連接，所述屏蔽線另一端接bnc接頭。

本發(fā)明還提供了一種利用上述監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測cfrp板加固鋼箱梁裂縫的方法，包括以下步驟：

1)在監(jiān)測前，采集用作傳感器的粘貼式壓電陶瓷片接收到的正弦掃頻信號，對該正弦掃頻信號進(jìn)行遞歸量化分析，由此得到一組信號數(shù)據(jù)向量并將此信號數(shù)據(jù)向量作為初始數(shù)據(jù)；其中，n為數(shù)據(jù)向量中的信號數(shù)據(jù)數(shù)量；

2)在監(jiān)測期內(nèi)，采集用作傳感器的粘貼式壓電陶瓷片接收到的正弦掃頻信號，對該正弦掃頻信號進(jìn)行遞歸量化分析，得到一組信號數(shù)據(jù)向量

3)利用數(shù)據(jù)向量和得到無閥值遞歸矩陣

4)求取上述無閥值遞歸矩陣dij的奇異值對角矩陣，并利用所述奇異值對角矩陣求得奇異熵；

5)將所述奇異熵作為損傷指標(biāo)值，若所述損傷指標(biāo)值在監(jiān)測期間內(nèi)發(fā)生變化時，發(fā)出預(yù)警。

奇異熵en的計算公式為：

其中，δet表示奇異熵在t階處的增量，σt，σk為無閥值遞歸矩陣dij的奇異值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能即時監(jiān)測cfrp板材加固鋼箱梁裂縫的擴(kuò)展情況，加固后裂縫在加固材料內(nèi)部，把奇異熵引入，不但能夠判斷損傷的情況，還能夠精確判斷裂縫的橫向尺寸。

附圖說明

圖1為基于壓電陶瓷監(jiān)測cfrp板加固鋼箱梁裂縫擴(kuò)展的監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖；

圖2為步驟一中的粘貼式壓電陶瓷(pzt)片示意圖；

圖3為鋼箱梁裂縫監(jiān)測系統(tǒng)示意圖；

圖4為鋼箱梁裂縫監(jiān)測系統(tǒng)局部詳圖；

圖5為本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)建立流程圖。

1：壓電陶瓷(pzt)片；2：銅片；3：屏蔽線；4：鋼箱梁構(gòu)件；5：粘貼式pzt片；6：cfrp板材；7：鋼箱梁裂縫；8：ni6363多功能數(shù)據(jù)采集器；9：電腦；10：壓電效應(yīng)。

具體實施方式

本發(fā)明實現(xiàn)過程如下：

步驟一、首先采用打磨機(jī)或砂紙對鋼箱梁表面上的設(shè)計貼片位置進(jìn)行打磨平整，用酒精或丙酮除去打磨掉的雜質(zhì)，然后用環(huán)氧樹脂膠或502膠水將壓電陶瓷片粘貼在預(yù)定位置，晾干后即制作成了用于監(jiān)測的粘貼式壓電陶瓷片。但需注意：粘貼時要保證膠水涂抹均勻、與壓電陶瓷片充分接觸，使壓電陶瓷片均勻受力。

步驟二、將壓電陶瓷片焊接上屏蔽線，該屏蔽線另外一頭與bnc接頭連接，其中一部分作為信號激勵器，一部分作為信號傳感器。

步驟三、待壓電陶瓷片安裝完畢以及完成數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備工作后，通過電腦控制ni6363驅(qū)動壓電陶瓷片發(fā)射100hz-150khz的正弦掃頻信號，其信號的幅值為10v。同時由ni6363采集作為傳感器的壓電陶瓷片所接收到的信號，并將采集到的數(shù)據(jù)保存到電腦中。

步驟四、將采集的信號進(jìn)行遞歸量化分析，由此得到一組信號數(shù)據(jù)向量并將此信號數(shù)據(jù)向量作為初始數(shù)據(jù)。

步驟五、在待加固鋼箱梁的表面上按設(shè)計要求進(jìn)行放線定位，以確定cfrp板粘貼位置。再將鋼箱梁底板表面打磨平整，噴灑乙醇以除去表層油漆,油污等雜質(zhì)，直至完全暴露出鋼箱梁結(jié)構(gòu)面層。

步驟六、按相關(guān)工藝規(guī)定配制底層樹脂與找平材料，再使用刷子將底層樹脂均勻涂刷在鋼箱梁的底板表面，待底層樹脂表面干燥后在鋼箱梁底板表面有凹陷區(qū)域利用找平材料將其填平且不出現(xiàn)棱角。

步驟七、按設(shè)計要求裁剪碳纖維板并配制浸漬膠，將浸漬膠均勻涂抹于鋼箱梁上的設(shè)計粘貼部位。然后將碳纖維板粘貼在設(shè)計位置上，再選用專業(yè)滾筒將碳纖維板中的氣泡擠壓出來，并同時將碳纖維板的兩端采取夾板螺栓錨使其錨固在結(jié)構(gòu)上。

步驟八、待粘連性能達(dá)到設(shè)計值后，在碳維板的表面均勻涂抹浸漬膠，并在其表面上粘貼一層瀝青防水卷材進(jìn)行密封，再將其表面采用一層環(huán)氧面漆涂裝，顏色同原油漆。

步驟九、在該構(gòu)件監(jiān)測期間內(nèi)按步驟三的方法采集信號，并通過遞歸量化分析得出此時刻的信號數(shù)據(jù)向量然后將此信號數(shù)據(jù)向量與步驟四中的初始數(shù)據(jù)向量這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行無閥值遞歸矩陣分析，其表達(dá)式如下：

但對于判定結(jié)構(gòu)損傷裂縫尺寸而言，細(xì)微的差別都可能造成對損傷判定的不精準(zhǔn)。因此，本發(fā)明將奇異熵引入到遞歸圖算法中，以遞歸矩陣的奇異熵作為損傷指標(biāo)，從而使指標(biāo)對結(jié)構(gòu)細(xì)微變化更加敏感及精確。

按下列具體過程進(jìn)行構(gòu)造：

(1)計算無闕值遞歸矩陣d，見上式；

(2)對無闕值遞歸矩陣d進(jìn)行奇異值分解：

其中，υi和vi分別為左奇異值向量和右奇異值向量，σi為矩陣d的奇異值，且數(shù)值按遞減排列σ1>σ2>…>σn。由于含噪信號中，大的奇異值反映信號分量，小的奇異值反映噪聲，所以可以根據(jù)δei+1-δei<<δei-δei-1選定k階遞減排列的奇異值對角陣λ，且將大于k階的較小的奇異值置零，即可得到新的去除噪聲影響的奇異值對角陣：

λ＝diag(σ1，σ2，…，σk，0，…，σn＝0)

(3)根據(jù)奇異值對角陣求得奇異熵：

其中δei表示奇異熵在i階處的增量，且可通過下式得到：

由此得到的遞歸矩陣奇異熵對測試信號因結(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生的變化十分敏感，因此，本發(fā)明將其作為損傷指標(biāo)值。當(dāng)損傷指標(biāo)值在監(jiān)測期間內(nèi)發(fā)生改變時，發(fā)出預(yù)警。

步驟三中，采用的遞歸量化分析技術(shù)是基于離散二進(jìn)小波變換的相空間重構(gòu)理論，引入該技術(shù)能夠有效對采集的信號進(jìn)行質(zhì)量評估以及結(jié)構(gòu)損傷識別，同時也能克服雜波信號的影響。因此，本發(fā)明將該技術(shù)引入信號分析中。

本發(fā)明中，設(shè)初始終遞歸矩陣的奇異熵值e0中的遞歸矩陣dij的為0。

本發(fā)明采用交叉遞歸圖，通過信號間的比較來分析兩個不同信號的相互關(guān)系。若兩個信號相似，則其在相空間中的位置相差不多，遞歸點(diǎn)出現(xiàn)的概率比較大；反之，遞歸點(diǎn)出現(xiàn)概率較少。這種特性非常適合結(jié)構(gòu)損傷識別，從概率的角度判定結(jié)構(gòu)有無損傷以及損傷裂縫尺寸。

本發(fā)明中作為損傷指標(biāo)值的遞歸矩陣奇異熵，其值反映信號的變化隨著奇異譜的階次增加的規(guī)律。并且對于未損傷結(jié)構(gòu)或裂縫不再擴(kuò)展的損傷結(jié)構(gòu)，采集到的信號在較低階的奇異譜處便能達(dá)到信息量飽和，即奇異熵隨著階次增加而數(shù)值仍穩(wěn)定于某一固定值；反之，信號中的信息量隨著階次的增加而加大，即奇異熵隨著階次增加而數(shù)值將發(fā)生改變。因此，若奇異熵值發(fā)生了改變則說明結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，故而以奇異熵值是否發(fā)生改變作為預(yù)警指標(biāo)。

本發(fā)明中無闕遞歸矩陣dij的奇異熵代表了單純的損傷結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號與未損傷結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號之間的相關(guān)性，前幾階較大的奇異值所代表的奇異熵的增量δei對應(yīng)著結(jié)構(gòu)自身響應(yīng)的相關(guān)性，而后幾階較小的奇異值對應(yīng)著噪聲等其他條件對遞歸矩陣dij影響，因此將后幾階較小的奇異值排除在外。而對于奇異熵增量δei的變化情況，其最主要的增量在奇異熵階數(shù)較低的區(qū)域增量，并且這區(qū)域增量與裂縫橫向尺寸存在著反比例關(guān)系，即裂縫橫向尺寸越大，奇異熵越小。但對于結(jié)構(gòu)剛度損傷，奇異熵與結(jié)構(gòu)剛度損傷成正比例關(guān)系，即剛度損傷越大，奇異熵也越大。因此，可以通過比較監(jiān)測期間內(nèi)奇異熵的數(shù)值變化關(guān)系即e0/en的比值(e0，en分別為初次監(jiān)測的奇異熵與第n次監(jiān)測的奇異熵)，由此得出裂縫橫向尺寸相對于初始值擴(kuò)展的大小以及結(jié)構(gòu)剛度的損傷比率，進(jìn)而判定裂縫的橫向尺寸與結(jié)構(gòu)剛度損傷程度。