基于压电陶瓷传感器的水塔定向爆破监测试验研究

钟冬望，李腾飞，熊 伟

(1.武汉科技大学理学院，武汉 430065；2.武汉科技大学湖北省智能爆破工程技术中心，武汉 430065)

压电陶瓷(PZT)技术在结构损伤监测方面有着重要的作用，混凝土早期强度监测[1-3]，混凝土结构裂缝监测[4]、结构碰撞监测[5]等方面均有大量的应用。目前，国内外学者对利用压电材料的土木工程结构健康监测及损伤诊断技术的相关研究可分为主动监测技术[6]和被动监测技术[7]两大类。基于压电陶瓷的被动监测技术和主动监测技术的主要区别是被动监测时激励是由外部作用引起而非以压电陶瓷做驱动器，压电陶瓷主要充当传感器。主要包括对冲击荷载监测、结构振动模态监测和基于声发射技术的被动监测。

国内外学者做了很多这方面的研究，Song等[8]将压电陶瓷埋入混凝土梁中，监测高速路桥受货车撞击的响应。试验结果表明，埋置于混凝土中的压电陶瓷能够正确反映结构在撞击下的响应情况，而且压电陶瓷的响应随撞击荷载的增大呈现线性增大的趋势。郑旭锋等[9]采用压电陶瓷对碾压机动态荷载作用下的环形钢筋混凝土桥模型的应变进行监测，以动态应变值为参数来描述桥梁的振动特性，评价桥梁结构的运行状态。杨晓明等[10-11]利用压电陶瓷传感器制成交通流量监测系统，进行了汽车流的监测试验。从传感器的响应信号来看，压电陶瓷传感器系统不仅能够准确地获得通过车辆的数量，还能够根据传感器响应的幅值来判断通过车辆的种类及车辆荷载，而且系统运行稳定。赵晓燕等[12]将PZT片粘贴于框架剪力墙柱根部，对结构在地震力作用下的响应进行了监测试验。试验结果表明，PZT信号能够较好反映所监测结构位置处的变形，其频率成分与响应监测位置处的加速度传感器输出信号的频率成分一致。

目前，在以压电陶瓷片为主要传感器元件的压电智能结构健康监测与损伤诊断技术中，压电陶瓷片与主体结构的结合方式主要有两种形式，即粘贴式和埋入式。在实际应用中采用哪一种结合方式，主要取决于主体结构的材料特点及所采用的损伤诊断方法等。埋入式的结合方式是将压电陶瓷片埋置在被监测结构内部，它的优点是可以在一定程度上削弱外界环境如温度、湿度等变化对压电陶瓷片的影响，而且主体结构又能起到保护压电陶瓷片的作用，从而大大延长压电片的使用寿命，保证健康监测过程的长期有效性。对于爆破过程的监测埋入式可以避免压电陶瓷片因冲击或者振动而损坏。压电陶瓷片的材料质地较脆，如果直接将其埋入结构中，在主体结构的施工过程中极易造成其损坏。为了解决这一问题，美国休斯顿大学卡伦工程学院智能材料与结构实验室的Song博士提出了“智能骨料”的概念。

1 工程概况

在某老旧小区的改造过程中一处废弃的水塔需要拆除爆破，该水塔始建于上世纪七十年代，是一座试验性质的水塔。整塔质量498 t，高28.5 m，上下筒体共分为3段，检修门洞宽0.6 m，高2 m，内部安装有连接水箱和地面的螺旋铁质楼梯。

该水塔由混凝土混合鹅卵石浇筑而成，塔壁混凝土强度等级为C30，水箱强度等级为C35。周围环境复杂，塔身最近处2.5 m有一民房，为砖混结构；水塔设计倾倒在一废弃篮球场，周围有绿化树木，树木背后有2栋6层居民楼，均为老旧的钢筋混凝土结构，在拆除爆破过程中飞石和触地振动将是防护的重点，待爆水塔如图1所示。

图1 待爆水塔

2 试验过程

2.1 PZT传感器封装埋入过程

压电陶瓷片作为一种脆性材料在试验过程中容易损坏，特别是在工程环境比较复杂的爆破施工预处理过程中容易受到振动、混凝土搅拌以及浸泡等物理损坏， Song提出的将PZT封装，形成“智能骨料”的形式，可以有效地解决PZT在试验过程中容易损坏无法适应现场环境等问题，也避免了PZT在埋入后与主体结构结合的问题。

试验采用PZT传感器呈圆盘状，直径为2.4 cm，厚度为0.4 cm，将该传感器粘贴到角铁条的卡槽内，将角铁条缓慢插入灌注混凝土的径向孔中，并在插入过程中不断用细铁丝搅拌孔内混凝土，排出孔内的残余空气避免产生空洞影响信号在水塔壁中的传播和接收，压电陶瓷传感器埋入过程如图2所示。

图2 智能骨料(压电陶瓷传感器)埋入过程

试验共布置8处传感器压电陶瓷片，其埋置洞布置分上下3层(见图3)，每层垂直间距为0.5 m，水平间距为1.2 m，所有的孔均为水平径向布置。其中最下层(A层)智能骨料位于距水塔外壁5 cm处；中间层(B层)智能骨料于每个孔洞内靠近水塔内、外壁5 cm处各布置1个，共埋入6处智能骨料；最上层(C层)智能骨料位于距水塔内壁5 cm处。

图3 传感器分布

2.2 PZT传感器被动监测系统

在水塔拆除爆破的过程中，使用PZT传感器被动监测技术对水塔的混凝土塔壁进行监测，被动监测在此主要用于对炸药爆炸形成爆破切口后，在切口上部自重荷载的作用下产生的声发射信号的检测。该监测系统由埋入塔壁的传感器、多通道信号采集仪以及计算机构成，计算机主要起示波和读取数据的作用。

在多通道信号采集仪上加装一个能够感应电流信号变化的监测仪，在起爆的瞬间由起爆器发出的脉冲信号被检测仪检测到，自动激发设备进入信号采集状态，无需人工点击采集设备，可以有效避免在爆破环境下人员不能在试验现场很近的位置而设备又不能远离现场的情况，也可以有效把握采集的时间和长度。

2.3 爆破切口处理

根据拆除爆破设计说明书，在水塔倾倒方向设置一个圆心角216°的爆破切口，起爆后爆破切口形成，使得水塔在重力的作用下，切口上部的倾倒力矩大于切口余留部分的剩余抵抗力拒，爆破切口尺寸的设置在整个拆除过程中起关键性的作用。

水塔的倒塌方向为东北方向，水塔爆破切口以东北方向为轴两边各开108°，并在切口两边设置2个倒向窗保证水塔能够按照设计方向倾倒，切口距离地面0.3 m，切口高3 m，爆破切口的具体尺寸及位置如图4所示。

图4 爆破切口位置

3 数据处理及分析

3.1 小波包能量分析法

小波包能量分析是对信号进行分析和重构的重要方法[13-14]，利用小波包能量分析法对水塔的倒塌过程中的应力波信号能量监测，水塔壁爆破切口余留部分发生的拉伸及压缩破坏情况被实时监控。

通过对压电信号进行n次分解，得到2n个信号集{X1,X2,…，X2n}，Eij是分解信号的能量，其中i是某时刻，j是频带(j=1…2n)。在频带的信号Xj可以用式(1)表示[15]：

Xj=[X(j,1),X(j,2),…,X(j,m)]

(1)

式中：m为数据采样点，用式(2)定义分解信号的能量Eij为

(2)

将某时刻i的信号分解成矢量形式：

Ei=[Ei,1,Ei,2,…,Ei,2n]

(3)

能量矢量(Ei)是一个与时间相关的量，即在相对应时间的能量矢量和即为该时间段内接收到的信号总能量。

(4)

3.2 PZT传感器被动监测结果分析

起爆后，随着炸药爆炸切口区混凝土破碎而形成切口区，水塔切口以上部分由于支撑部位发生偏移，在重力作用下倾覆力矩使得水塔朝预定方向倾倒，完成水塔的整体拆除爆破过程。压电陶瓷片埋置于爆破切口的余留部分，水塔内壁的传感器受到压应力，外壁的传感器则受到拉应力，整个过程能量以应力波的形式向外释放。PZT传感器被动监测以声发射原理为基础，检测水塔倾倒过程中塔壁内的应力波信号，即实现对塔壁混凝土损伤破坏过程的实时监测。

3.2.1 试爆

试爆作为正式爆破前对需爆破的建(构)筑物进行的小规模试验性质的爆破，在拆除爆破中通常是对各类典型构件进行单一构件上少数炮孔的试爆，以推算大规模爆破适合的装药量。试爆并不会引起整体结构的破坏，局部的结构破坏产生的应力波，释放的应变能被传感器监测并记录，试爆的爆炸及混凝土的局部破坏都发生在较短的时间内，混凝土断裂破坏产生的弹性波在破坏完成以后即不再产生，并不会像正式起爆过程中混凝土在后续倾倒过程中会被拉裂和触地解体。

试爆位置处于传感器B1、B2的径向对称位置，单孔装药400 g，共有4个孔参与试爆，总装药量为1.6 kg，采集仪采样频率设置为100 kHz，采样长度为1 M，采用单次外部触发模式，试爆传感器各点压电信号如图5所示。

图5 试爆各传感器压电信号

在爆破过程中多通道信号采集仪在电流脉冲检测仪的触发下自动采集信号，采集初始时间与起爆时间保持同步。炸药在起爆的瞬间产生爆轰波并向药包四周扩散，在接触到混凝土固体介质以后激起强烈的冲击波，该冲击波在混凝土中以应力波的形式传播，最终该应力波到达各传感器的埋置点，被被动监测系统采集到压电信号。由图5可知，应力波在混凝土中的传播是一个不断衰减的过程，作用时间较短，波峰的应力值较大。

对监测到的声发射信号进行小波包能量分析，采用db9小波基对信号分解[16]，根据式(4)，将信号时长等分，并对相同时长的8组信号分别计算能量，并依次累加，试爆各传感器信号分段能量指数如表1所示。

根据表1对各传感器信号分段能量指数的统计发现，靠近内壁4处传感器B1、B3、B5、C1的能量指数平均值是外侧传感器A1、B2、B4、B6接收能量指数的60.37%，布置在水塔内侧和外侧传感器附近的混凝土在试爆后并没有出现明显的破坏和变形，试爆区域在水塔倾倒方向爆破切口中间位置，该区域混凝土破坏产生的应力波在水塔壁内传播，环形壁传播到径向位置会在内壁和外壁自由面上不断地反射，最终引起传感器中压电片的振动并转化为相应电信号，试爆区域孔洞的形成导致水塔内部应力再平衡，在平衡过程中各处释放的应变能有差异，通过PZT传感器被动监测结果小波包能量分析，在环形壁上出现孔洞后径向对称区域外侧释放的应变能大于内侧释放的应变能，即外侧受到的损伤也将大于内侧。

在对信号的分析过程中，PZT传感器B5和B6并无明显的波形和峰值出现，该2点平均能量指数是同层剩余点的64.91%。根据水塔拆除爆破设计要求，爆破切口边缘要设计2个对称的定向窗，B5和B6水平距离定向窗0.2 m，定向窗相当于在传感器附近存在一个较大的裂缝，阻碍和切断了应力波的传播，传感器不能监测到应力波的信号，导致B5和B6在监测过程中没有出现明显的压电信号，这从另一方面来说是对压电陶瓷监测损伤有效的佐证，当被监测物质出现较大的裂缝和损伤以后，压电陶瓷被动监测信号变弱，裂缝越大信号就越弱。

3.2.2 正式起爆

正式起爆采用爆破切口72孔同时起爆，炮孔布置分上中下3层，单孔药量依次为150、200、400 g，共使用乳化炸药19 kg。通过接入多通道信号采集仪的电流监测仪与起爆器实现联通，保证被动监测系统开启监测时间与起爆时间同步，采集仪采样频率及采样长度等设置与试爆过程保持一致，正式起爆传感器各点压电信号如图6所示。

图6 正式起爆各传感器压电信号

在正式爆破时PZT传感器B6在水塔倒塌过程中数据传输线被拉断，未监测到有效信号。

正式爆破与试爆区别在于炸药爆炸破碎周围混凝土以后正式爆破还存在后续倒塌过程，水塔倒塌过程中爆破切口余留部分背部受拉区和腹部受压区混凝土发生拉裂和压碎，产生应力波，最终还存在触地破碎产生的触地信号，正式爆破时程长于试爆，峰值压力及能量指数也远大于试爆过程。在炸药爆炸后的短时间内，爆破切口处的混凝土在炸药能量急剧释放下完全破碎，该处混凝土破碎产生的应力波峰值相应较大，在爆破切口完全形成后塔壁剩余混凝土的破坏形式为在重力作用下切口余留承载部分经受压缩和拉伸变形，背部拉伸区混凝土在经历弹性阶段、塑性阶段、开裂阶段以及破坏阶段后最终被完全拉伸破坏，不再以应力波的形式释放能量；在塔壁的承压区，根据拆除爆破设计为防止切口上部混凝土将爆破切口余留承压部分压溃而产生后坐，承压部分在整个拆除爆破过程中混凝土只会发生局部变形而不会产生较大范围的破坏。整个水塔拆除倒塌过程是一个不断释放能量的状态，基于声发射原理的压电陶瓷传感器可以实时监测水塔壁中发生的能量变化，正式起爆各传感器采集点能量指数变化如图7所示。

图7 正式起爆各传感器采集点能量指数变化

通过对水塔倾倒过程时间分段的能量矢量求和，根据图7中各采集点能量指数的变化，水塔的倾倒过程能量指数衰减比较缓慢，该过程中信号最大幅值为0.4 V，与起爆阶段信号最大幅值7.51 V相比下降了94.67%，起爆阶段炸药对水塔混凝土毁伤释放的应力波能量远大于在重力矩作用下混凝土拉裂和压碎产生的应力波，PZT传感器被动监测系统是对裂纹和损伤的监测，而炸药爆炸所产生的“裂缝”就是爆破切口，是一个十分巨大的裂缝，该过程释放的能量也就远超爆破切口余留部分拉裂产生的应力波能量。水塔倾倒过程中，基于声发射原理的PZT传感器接收到的压电信号幅值比较稳定，分段时间内平均最大幅值为0.31 V，该阶段内的能量指数也无明显波动，爆破切口余留部分的背部受拉区域和腹部受压区域的损伤和破坏是一个持续的过程，PZT传感器对水塔倾倒混凝土破坏过程可以起到连续被动监测的效果。从图6滤波后的信号波形中可以看出，在起爆后5 s左右的时间收到触地信号，但其信号电压幅值为0.65 V，起爆时的幅值为7.51 V，触地时水塔整个塔体发生了解体，破碎的体积和范围也超过起爆时破碎的爆破切口的体积，但触地的压电信号最大幅值只有起爆时的8.66%，通过对信号进行小波包能量变换，根据式(4)计算各个时间段内的能量指数，计算结果表明在水塔倾倒触地时间段内的能量指数是起爆时间段内的23.31%，出现该情况的原因在于传感器埋置于爆破切口余留部分，距离爆破切口较近，水塔触地解体时发生破裂和破碎的位置较多，大部分都处于水塔腰部及头部，与传感器所在的根部距离较远，较远处产生的应力波在传播的过程中会被近处先产生的裂缝阻断，无法被传感器监测到。

3.3 功率谱分析

利用FFT将信号的时域信息和频域信息联系起来[17]，根据文献[12]PZT信号频率特征与加速度信号频率响应一致，可以将PZT信号频域信息对爆破振动的相关信息结合起来。利用MATLAB程序对PZT传感器信号做快速傅里叶变换，对PZT传感器A1的信号FFT之后的频谱如图8所示。

图8 A1信号频谱

通过对压电陶瓷传感器各点信号频率功率谱分析，发现其信号功率绝大部分都集中在100 Hz以内，由各传感器采集信号在100 Hz以内的功率谱(见图9)可以看出，在100 Hz以内的频率大小分布中，其功率从低频向高频呈不断衰减趋势，在40 Hz以后整体呈平滑状，且在0～20 Hz功率幅值整体水平显著高于20～40 Hz，即该水塔在倾倒至触地解体过程中产生的振动频率主要集中在0～20 Hz。

图9 各传感器信号功率谱

从图9中可以看出，在A1处接收到的信号主振频率为4 Hz，主振周期为0.250 s，该频率接近周围建筑物的一般自振频率，即水塔的倒塌过程会对周围建筑物会造成一定的影响。对于其他各传感器测得的信号做FFT，频谱分析结果如表2所示。

表2 频谱分析结果

根据国家《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010中的相关规范，住宅和公寓固有频率不宜低于5 Hz，国内不同高度一般建筑物的自振频率如表3所示[18]。水塔处于老旧小区的内部，周围均是6～9层的钢筋混凝土结构住宅，而拆除过程中的振动频率也主要集中在该频率范围之内，说明在水塔的拆除爆破过程中减振措施和设置警戒范围是十分有必要的，埋入式压电陶瓷传感器对拆除爆破建筑物倒塌过程的监测效果良好。

表3 国内不同高度一般建筑物自振频率

4 结论

1)对于筒形建筑，试爆会对结构产生损伤，导向窗径向对称位置腹部的平均能量指数是背部能量指数的60.37%，腹部产生的损伤小于背部的损伤。

2)对于28.5 m高水塔的拆除爆破过程中，起爆至水塔触地共5 s的时间，该过程与传感器信号分析结果一致，埋入式压电陶瓷传感器能够对拆除爆破过程做到有效监测和记录。

3)拆除爆破产生的振动主频率主要集中在4～11 Hz，信号功率主要在0～20 Hz的频段内，与周围建筑物的自振频率相近，有发生共振的风险，在待拆建(构)筑物与周围住宅之间做防振减振处理是有必要的。