一种钢桁架桥梁关键构件高强螺栓健康状态监测方法与流程

本发明涉及土木工程结构健康监测技术领域，特别是一种钢桁架桥梁关键构件高强螺栓健康状态的监测方法。

背景技术：

由于对大跨度、短施工周期的要求，钢桁架桥梁的运用越来越广泛；同时在钢构件的连接中，高强度螺栓因为其高强度、施工简单、更换方便等优点被大量运用。但在服役过程中，往往由于循环疲劳荷载、汽车颠簸、振动冲击、环境腐蚀等作用，使高强螺栓在服役期间出现不同程度的松动、腐蚀、剪切等损伤破坏，并且螺栓的健康状态情况往往难以直接判断，或者容易被忽视，高强螺栓的连接作用一旦出现问题往往会影响整体结构的工作性能和安全性能，严重时可导致毁灭性的后果。因此，监测螺栓的工作状态，研究实时高效的螺栓损伤监测技术具有十分重大的意义。

钢桁架结构广泛运用于交通运输业、建筑业和工业，同时高强度螺栓大量运用于钢桁架结构的连接中，但高强螺栓松动损伤隐患会严重威胁人们的人身安全和经济财产，导致不可挽回的事故。因此，国内外学者对于高强度螺栓健康监测问题进行了大量研究，并得到一些检测方法，主要有：敲击回声法、电阻应变片法、声发射检测法、超声波检测法、压电阻抗技术检测法。敲击回声法简单快捷，但检测结果受主观因素影响大，对工人的工作态度和经验水平要求很高，检测结果精度不稳定。电阻应变片法是直接测量螺杆的应变，通过应变片测量所得的螺杆应变值，根据螺栓应变与螺栓预紧力的关系，进一步转化为螺栓的紧固力，因此可以保证检测结果的精度，但由于螺栓的安装方式和所在的位置，严重影响了该方法的适用性，仅能在周围操作环境良好的情况下使用，适用范围太窄。声发射检测技术是一种被动检测技术，当结构出现某种损伤或者结构材料断裂、变形、错位等引起应变能而释放出应力波，后由传感器接收应力波并进行分析以判定材料的完整性和结构健康程度。但该方法易受环境噪音和结构振动的影响，尤其在结构工作状态时，测量精度无法保证。超声波检测法，是根据螺栓所受应力与超声波在其中传播时间大致呈线性关系。因此，超声波检测法利用测得的时间，进而推算出螺栓所受应力大小。但螺栓所受应力与超声波传播时间的关系是在假设螺栓受力主要为轴力的前提下推导的，而高强度螺栓的受力主要靠预紧力产生的极大摩擦力，所以该方法所得结果误差较大，所以这种方案的实际实用性不高。当待测结构的自身状态发生改变，其机械阻抗随之产生变化，压电阻抗技术正是利用压电陶瓷良好的电阻抗特性，利用粘结于待测结构上的PZT片的电阻抗变化来反映结构的机械阻抗变化，进而判断结构的状态是否发生改变。已有较多的研究表明，压电阻抗技术对裂纹、松动等细微的变化较为敏感，但压电阻抗技术的分析计算复杂、相关设备价格昂贵、技术要求高，限制了该方法的进一步推广。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种钢桁架桥梁关键构件高强螺栓健康状态监测方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种钢桁架桥梁关键构件高强螺栓健康状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将一组压电陶瓷裸片的负极引出，然后将压电陶瓷裸片和连着压电陶瓷裸片负极的铜箔分别焊接屏蔽线，在所述屏蔽线远离所述压电陶瓷裸片的一端连接BNC接头，制得压电陶瓷驱动器；将另一组压电陶瓷裸片的负极引出，然后将压电陶瓷裸片和连着压电陶瓷裸片负极的铜箔分别焊接屏蔽线，在所述屏蔽线远离所述压电陶瓷裸片的一端连接BNC接头，制得压电陶瓷传感器；

2)在螺栓连接的待测结构上，在每个螺栓连接节点的中心位置粘贴一片压电陶瓷驱动器，在节点周围每个弦杆上粘贴一片压电陶瓷传感器；

3)驱动压电陶瓷驱动器，向待测结构发射正弦扫频信号；

4)压电陶瓷传感器接收传递过来的正弦扫频信号，即响应信号；

5)测量待测结构在最初螺栓完全连接紧密且无任何损伤状态下的健康信号值，并通过小波包能量分析方法分析所得数据，以其对应的小波包能量值作为基准值，基准值即待测结构在完全健康状态下压电陶瓷传感器接收到的能量；

6)根据测得的待测结构初始健康状态下的小波包能量值，以及各个状态下的能量，计算待测结构待测部位螺栓的损伤指标值DI，对螺栓损伤情况做进一步的判断，损伤指标值DI具体计算公式如下：

其中，E_h,j为待测结构在完全健康状态下压电陶瓷传感器接收到的能量，E_i,j是结构损伤状态下在某一工况i时压电陶瓷传感器接收到的能量；当待测结构的损伤值DI大于0时，认为待测结构的螺栓出现损伤；当损伤值DI等于1时，认为待测结构的螺栓完全损坏；n为小波包分解的级数。

步骤1)中，压电陶瓷裸片的尺寸为15mm×15mm×0.3mm；铜箔尺寸为15mm×30mm，厚度为0.1mm。

步骤3)中，正弦扫频信号的频率为100HZ～300000HZ，幅值为10V。

所述压电陶瓷驱动器和压电陶瓷传感器表面均涂有环氧树脂胶。

所述环氧树脂胶厚度为0.2～0.3mm。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明成本低廉，操作简单，准确率高、耐久性好，能够很好地完成钢桁架桥梁的螺栓健康状态的监测工作。

附图说明

图1为本发明一实施例监测系统结构图；

图2为本发明一实施例监测原理图。

具体实施方式

利用压电陶瓷的压电二向性的特征，同时制作压电陶瓷驱动器和压电陶瓷传感器，通过响应信号的幅值变化，以及对信号的小波包能量分析，对螺栓健康损伤的程度进行初步判别；同时，基于响应信号的小波包能量定义了一个判断标准-损伤指标，以对螺栓健康损伤的情况进行同一数量级的损伤判断。本发明具有成本低廉，操作简单，准确率高、耐久性好等显著特点，能够出色完成钢桁架桥梁的螺栓健康问题的监测工作。

本发明具体实施过程如下：

步骤一、选取性能良好的压电陶瓷裸片，利用铜箔、导电胶将PZT裸片的负极引出，然后在PZT片和连着PZT片负极的铜箔上分别焊接屏蔽线，在该屏蔽线另外一段连接BNC接头，制得压电陶瓷驱动器和压电陶瓷传感器。

步骤二、在螺栓连接的待测结构上，在每个螺栓连接节点的中心位置粘贴一片压电陶瓷驱动器，在节点周围每个弦杆上粘贴一片压电陶瓷传感器。

步骤三、将PZT驱动器、传感器焊接上屏蔽线，该屏蔽线另外一头与BNC接头连接。

步骤四、将压电陶瓷驱动器、传感器的BNC接头分别与多功能信号发射/接收仪器—NI6363连接，再将多功能信号发射/接收仪器—NI6363与搭载有相关软件的笔记本电脑相连，建立了一个“单发多收”的螺栓健康状态监测系统，如图1所示。

步骤五、通过电脑控制NI6363驱动压电陶瓷驱动器，向待测结构发射频率范围为100Hz-300KHz的正弦扫频信号，其信号的幅值为10V。

步骤六、由多功能信号发射/接收仪器—NI6363，通过结构另一端的压电陶瓷传感器接收传递过来的响应信号，并将测得的数据保存在笔记本电脑中。

步骤七、测取结构在最初螺栓完全健康状态的信号值，并通过Matlab的小波包能量分析程序分析所得数据，以其对应的小波包能量值作为基准值。

步骤八、根据监测方案，在预定的监测日期，按照步骤五到步骤七的方法测取结构对应状态的响应信号，并通过Matlab程序分析具体状态下，结构响应信号的小波包能量值，与结构初始健康状态下的能量值进行对比，以判断螺栓的损伤情况。

步骤九、根据测得的结构最初健康状态下的小波包能量，以及各个状态下的能量，计算结构待测部位螺栓的损伤指标值DI，对螺栓的损伤情况做进一步的判断。其具体计算公式如下：

式中，E_h,j为结构在完全健康状态下PZT传感器接收到的能量，E_i,j是结构损伤状态下在某一工况i时PZT传感器接收到的能量。

当待测构件的损伤指标大于0时，认为结构的螺栓出现损伤；当损伤指标值约等于1时，认为结构的螺栓完全损坏。