基于电阻应变片的结构健康监测实例

蒋洪伟

(绥化市长城建筑设计院，黑龙江绥化152000)

0 引言

结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的先进传感器或驱动元件，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，并结合信号信息处理方法和材料结构力学建模方法，提取结构损伤特征参数，识别结构的状态，并对结构的不安全因素，在其早期就加以控制以消除安全隐患或控制安全隐患进一步发展，从而实现结构健康自诊断、自修复，保证结构安全和降低维修费用［1］。

结构健康监测技术最早从于航天领域提出，随着该技术的不断发展和完善，结构健康监测技术的应用从最早的航天领域扩展到土木工程领域、船舶领域及特种装备领域，包括大型化工设备、储油设备、大型核电设备和海洋钻井平台等，其安全运行直接关系到国民经济建设和人民的生命财产安全。

船舶上使用的结构头其他工程结构一样，也有其提高安全性的需求。本文以某船厂船舶制造过程中艏楼吊装为例，通过计算机模拟优化对艏楼的关键部位进行实时的安全监测，采集监测数据，及时分析结果，保证艏楼安全稳定的吊装，并对比模拟和实测结果，验证模拟结果的准确性。

1 电阻应变片

电阻应变片是最早应用在结构健康监测中的应变传感器。工作原理是根据电阻丝的“应变电阻效应”，即金属丝的电阻值和材料的性质，电阻丝的长度和截面积的线性关系。其关系式为:

式中:KS为灵敏度系数，表示电阻丝产生单位应变时的电阻对应的变化率，灵敏度越大，电阻丝反映的信号越大。ε为测点处应变，常用称作微应变的无量纲的符号表示。由此可知，由于灵敏度系数可视为常数，将金属丝粘贴到构件上，当构件受力变形时，通过电阻丝电阻的变化值就可以得到电阻丝的应变值，同时也就知道了构件的应变值。这就是电阻应变片测量构件应变的理论基础。

电阻应变片具有技术成熟，结构简单，价格便宜，频响特性好，精度高，测量范围广，安装方便，易于补偿等优点。同时具有现场安装不便，耐久性差，误差大，抗电磁干扰能力差等缺点。综合上述优缺点，电阻应变片多用于环境电磁干扰小的短暂荷载增量下的构件应变监测［2－4］。

2 工程实例

2.1 工程概况

需进行应变监测的船舶是一艘有短艏楼的半潜式自航工程船，全船由艏段、尾段及艏楼上建总段三部分组成，各建造总段整体设计，分别进行船台合拢。其中艏段(主甲板以下)设两套可伸缩式全回转推进器，艏楼上建总段内布置机舱和其它机械处所，五层上建和铝合金飞机平台位于艏楼上部。艏艏楼上建总段与艏部总段(主甲板以下部分)并行建造，都以船台地面为建造基准进行各自的搭载。各自搭载完成后，为了实现两个总段的合拢，需要把艏楼上建总段提升一定的高度，再把艏部总段水平拉移至艏楼上建总段的正下方，进行艏楼上建总段的安装。

提升箱形梁即吊梁，共8只，左右舷各4只，采用箱形结构，既要满足安装公司提升装置的配合尺寸，又要满足与艏楼安装的对位要求。为了配合提升钢绞线下锚盘，箱形梁端部采用1.4m(W)×2m(H)高的矩形截面;为了与艏楼主结构强肋位对位，箱形梁与艏楼外板结合端采用变截面，箱形梁的上面板与艏楼8甲板对位，箱形梁的底板与艏楼7甲板对位，箱形梁的前后两个侧面板分别与艏楼的相邻两个强肋位对位，对位结合口处的尺寸为2.4m(W)×3.5m(H)。

艏楼上建总段与艏部总段(主甲板以下部分)并行建造，都以船台地面为建造基准进行各自的搭载。各自搭载完成后，再实现两个总段的合拢。

过程:首先，将提升艏楼上建总段的荷载稳定增加至3 600 t，整体结构受力稳定后再继续增加荷载，达到4 200 t时整体结构开始脱离地面，然后缓慢提升到预定高度。

2.2 监测点选择

在确定监测位置之前，我们先用ANSYS数值模拟软件对艏楼完全吊装起后，吊梁的受力情况进行了模拟，通过模拟我们可以知道整个吊装过程吊梁的最大应力点，从而确定监测点的布置位置和数量。计算机模拟吊梁的应力结果如图2和图3所示。

图1 艏楼吊梁布置图

图2 计算机模拟吊梁上面受力情况示意图

图3 计算机模拟吊梁受力情况模型图

根据计算机模拟的数值结果，优化后的选择1#、4#、5#、8 #吊梁布置监测点。每个吊梁上对称选取4个测点，测点编号分别为P 1，P 2，P3和P4见表1。

表1 应力测点编号与描述

图4 吊梁测点布置图

图5 吊梁测点布置图

3 监测结果

艏楼上建总段提升的应力监测分为两个阶段完成:

第一阶段:相关清拆工作完成后，稳定增加提升荷载至3 600 t后，保持状态待结构受力稳定，此过程中整体结构不离开地面;

第二阶段:提升荷载由3 600 t稳定增加到4 200 t后，整体结构离开地面并提升到预定高度。

在整体结构起吊的过程中，由于可能存在的各种因素(机械提升吊梁的不同步性、地基沉降、缆风绳的不稳定性等)影响，各吊梁受力状况在提升过程中可能会出现一些上下波动。艏楼吊装提升是在夜间进行，艏楼上无其他施工进行，总提升时间为6 h左右。各监测点在提升过程中的3种荷载状态下的应力(主应力)值如表2、表3、表4、表5所示。

5 结论

根据上述监测结果，在整体提升过程各吊梁最大应力点:1#LP4max=89.2MPa;4#LP2max=122.05MPa;5#RP2max= 124.22MPa;8#LP4max=115.41MPa;根据监测的数据可知各吊梁的最不利位置是P2、P4位置点。依据设计单位提供的最大允许应力180MPa，可知吊梁本身在提升过程中是安全的。

根据实测数据和数值模拟的结果对比可以看出，整体结构在提升过程中存在一定的不同步性，4#、5#吊梁的一些实测数据比模拟值稍大;1#、8#一些实测数据比模拟值稍小。分析原因是吊梁尺寸的差异，应变片安装位置的差异，以及吊升过程的8个吊梁提升的不同步的原因造成的。

电阻应变片在工程应用的抗干扰能力较差和安装不便的缺点在本次监测中有明显的体现，建议在现场施工应变监测中尽量采用安装方便、抗电磁干扰能力相对较强的传感器。

［1］袁慎芳.结构健康监控［M］.北京:国防工业出版社，2007.

［2］陶宝祺，熊克，袁慎芳，等.智能材料结构［M］.北京:国防工业出版社，1997.

［3］袁慎芳，陶宝祺.强度型损伤自诊断自适应智能结构［J］.实验力学，1996，11(1):30－37.

［4］王恰亲.2010上海世博会英国馆结构健康监测研究［D］.杭州:浙江大学，2011.

表2 1#测点应力监测结果 MPa

表3 4#监测点应力监测结果 MPa

表4 5#监测点应力监测结果 MPa

表5 8#监测点应力监测结果 MPa