作為承重結構的關鍵元件，H型鋼可以通過監測其應力狀態以有效地檢測潛在的結構問題和異常情況。這對于確保結構的穩定性和安全性具有重要意義。然而，H型鋼結構經常暴露在高溫、潮濕、腐蝕性介質等復雜環境條件下，可能會對檢測設備和傳感器造成干擾，從而導致測量誤差。此外，在處理H型鋼中難以接近的復雜形狀和表面時，當前的測量技術和方法可能會面臨挑戰。之前的研究已經取得了一些進展;然而，尚未探索的領域仍然存在，特別是對斜支撐加固的H形鋼梁的結構健康監測。

據麥姆斯咨詢報道，近日，長江科學院、湖北工程學院、江西理工大學的研究人員組成的團隊在Scientific Reports期刊上發表了題為“Piezoelectric ceramic sensor-based structural health monitoring of diagonally braced H-shaped steel structures”的論文，提出了一種基于壓電陶瓷傳感器的健康監測方法，用于監測斜支撐H型鋼結構的應力狀態。研究人員對斜支撐H型鋼進行了不同工況下的荷載試驗。隨后，他們對這兩種工況下的壓電信號的幅值和能量進行了對比分析，并利用ABAQUS軟件進行有限元分析以驗證結果。實驗結果表明，隨著腹板高度或載荷的增加，H型鋼的時域波形能量指數增加。不同工況下，例如腹板高度為10 cm的斜支撐H型鋼構件，當壓力值小于10 N/mm2時，壓力每增加1 N/mm2，能量指數增加約15.98%。當壓力值大于10 N/mm2且小于15 N/mm2時，壓力每增加1 N/mm2，能量指數增加約1%。此外，腹板高度每增加1厘米，能量指數增加約8.4%。同時，有限元分析結果表明，壓電陶瓷傳感器感應位置的應力和應變隨著外界壓力的增加而增加。斜支撐H型鋼結構的結構健康監測研究對于確保結構的安全性和可靠性、實現預測性維護、評估結構性能和能源效率以及優化結構維護具有重要意義。

在本實驗中，壓電陶瓷材料使用了鋯鈦酸鉛(PZT)，如圖1所示。正如之前的研究所觀察到的，壓電陶瓷已被廣泛用作測量應變和應力波的傳感器。壓電陶瓷還可用作結構損傷檢測的換能器。

圖1 壓電陶瓷片

本實驗使用PZT傳感器來分析斜支撐H型鋼的受力情況。研究人員選用相同尺寸的斜支撐H型鋼，從頂部施加不同強度的載荷，將壓電陶瓷片粘貼在斜支撐H型鋼腹板上，并通過導線與信號接收器連接。當對斜支撐H型鋼施加不同強度的荷載時，信號接收器接收到不同的信號;PZT片分別連接到斜支撐H型鋼的上、中、下部位置。

通過壓電信號監測應力狀態的原理是利用壓電效應測量物體的應力和應變狀態。這是由于壓電材料具有上述效應，在受到力或應力時會產生電荷或信號。根據這一原理，壓電陶瓷材料可被用作傳感器，通過監測其壓電信號的變化來間接反映材料的應力狀態。在所提出的健康監測算法中，為了檢測測試波信號在斜支撐H型鋼和負載之間傳播的靈敏度，本研究采用了基于時間和信號值的變化的時域分析方法。隨著斜支撐H型鋼腹板高度和壓力的增加，信號接收器接收到的信號值也會發生變化;這種變化具有一定的規律性。

圖2 實驗設置

圖2是實驗設置圖;信號由INV306U信號采集儀記錄。PZT片通過導線與信號接收器相連，信號采集器的采樣頻率為7160 Hz，采樣時間為0.08 s，輸出通道精度為16位，分辨率為10 ns。PZT作為傳感器接收實時信號，并連接到斜支撐H型鋼。

研究人員對斜支撐H型鋼進行了兩種不同工況(A和B)下的荷載實驗，如圖3和圖4所示。

圖3 A工況的實驗設置示意圖(單位：mm)

圖4 B工況的實驗設置示意圖(單位：mm)

圖5和圖6分別顯示了A工況和B工況的時域信號響應結果。兩圖中的曲線是斜支撐H型鋼受壓時傳感器的信號響應。

圖5 A工況的信號響應

圖6 B工況的信號響應

壓電信號與應力的關系如圖7所示。如圖所示，應力的增加導致壓電信號的響應增強。頂部載荷與剪切遲滯特性之間的關系如圖8所示。結果表明，頂部載荷的增加會導致更明顯的剪切遲滯現象。

圖7 不同載荷的能量指數

圖8 頂部正應力的橫向分布

為了進一步研究載荷強度和腹板高度對斜支撐H鋼穩定性的影響，并驗證實驗的可靠性和有效性，研究人員利用ABAQUS進行了有限元分析和數值模擬。

綜上所述，本研究提出了一種通過分析壓電陶瓷傳感器能量信號響應實現實時監測的方法，文中研究了兩種工況：斜支撐H型鋼腹板高度相同、壓力不同;斜支撐H型鋼壓力相同但腹板高度不同。在A工況下，隨著斜支撐H型鋼腹板高度的增加，PZT傳感器接收到的信號幅值和能量指數也相應增加。同樣，在B工況下，信號幅值和能量指數隨著斜支撐H型梁壓力的增大而增大。隨著壓力和腹板高度的增加，斜支撐H型鋼產生的應變和PZT傳感器的機械變形也隨之增加;因此，傳感器接收到的信號幅值和能量指數也增加。實驗結果表明，斜支撐H型鋼的應力-應變幅值與腹板高度和施加荷載強度的增加呈正相關。本研究提出的健康監測方法有助于在實際工程應用中實時監測H型鋼結構的健康狀況，從而確保這些結構的安全性和穩定性。

審核編輯：湯梓紅