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摘要：通過(guò)對(duì)壓電智能混凝土梁施加驅(qū)動(dòng)力，可以有效地實(shí)現(xiàn)智能混凝土梁的應(yīng)變、變形和裂縫的主動(dòng)控制，其中應(yīng)變恢復(fù)率達(dá)到30％左右，變形恢復(fù)百分比在21％～42％之間，裂縫寬度閉合程度大致在12％～l5％之間。另外，基于非線性有限元原理，編制壓電智能混凝土梁的分析程序，實(shí)現(xiàn)壓電智能混凝土梁主動(dòng)控制的全過(guò)程分析。...

壓電智能混凝土梁主動(dòng)控制試驗(yàn)研究與有限元分析

薛偉辰  李杰  楊楓

同濟(jì)大學(xué)  上海  200092

    20世紀(jì)70年代，人們將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的結(jié)構(gòu)具有人們期望的“智能功能”，這種具備智能功能的結(jié)構(gòu)就被稱之為智能結(jié)構(gòu)。

    壓電智能結(jié)構(gòu)是指在基體結(jié)構(gòu)中采用壓電材料作為傳感和驅(qū)動(dòng)元件的新型智能結(jié)構(gòu)，它不僅具有自感知、自適應(yīng)、自診斷和自修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有集傳感和驅(qū)動(dòng)一體化的優(yōu)越特性。壓電智能梁通常指以壓電材料作為驅(qū)動(dòng)元件的梁，它在土木工程領(lǐng)域有著比其他類型智能結(jié)構(gòu)更為廣闊的應(yīng)用前景。

    壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器通過(guò)分布排列或組合驅(qū)動(dòng)能夠獲得較大的驅(qū)動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)變形和振動(dòng)等主動(dòng)控制。目前，國(guó)外已開(kāi)展了針對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的智能梁控制試驗(yàn)研究，但主要限于航空航天領(lǐng)域，研究方向大多集中在振動(dòng)控制方面。國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究還處于起步階段，已開(kāi)展的研究工作也主要集中在航空航天領(lǐng)域的變形和振動(dòng)控制方面，對(duì)適用于土木工程的壓電智能結(jié)構(gòu)的研究則幾乎是空白，這大大影響了壓電智能結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域中的推廣和應(yīng)用。 

    鑒于此，本文在國(guó)內(nèi)外首次進(jìn)行基于壓電驅(qū)動(dòng)器的智能混凝土梁應(yīng)變、變形和裂縫的主動(dòng)控制試驗(yàn)研究與非線性有限元分析。

1、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    1.1試件設(shè)計(jì)

    共設(shè)計(jì)8根壓電智能混凝土梁，試件采用微粒混凝土制作，采用細(xì)直徑鋼絲作為配筋。微粒混凝土配合比為，R32．5水泥：石灰：細(xì)砂：水=1：1．20：3．80：0．78。8根梁的跨度與截面尺寸相同，編號(hào)分別為： ZN一1、ZN一2、ZN一3、ZN一4、ZN一5、ZN一6、ZN一7 和 ZN一8。梁試件設(shè)計(jì)參數(shù)：①縱向配筋率，分為0．16％、0．45％和0．82％；②梁的跨高比，分為8．5：1和7：1，相應(yīng)的梁跨度分別為510 mm和420 mm；③驅(qū)動(dòng)器埋設(shè)位置，壓電驅(qū)動(dòng)器均埋設(shè)在試件端部，距中和軸的偏心矩分別為10 mm和20 mm。8根壓電智能混凝土梁的配筋詳圖如圖l所示，試件設(shè)計(jì)參數(shù)及配筋詳見(jiàn)表l，梁試件材料的力學(xué)性能見(jiàn)表2和表3。

圖1梁試件配筋圖

表1試件明細(xì)表

 

表2鋼絲的力學(xué)性能(單位：MPa)

 

表3混凝土的力學(xué)性能(單位：MPa)

 

    1.2試驗(yàn)裝置

    試驗(yàn)加載方式采用砝碼掛載，砝碼的重量通過(guò)分配粱傳遞到梁的三分點(diǎn)加載處，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。梁端埋設(shè)壓電陶瓷疊合式驅(qū)動(dòng)器(圖3)，型號(hào)為PST  150/20/18 VS25，內(nèi)部為疊堆式陶瓷片，外部由不銹鋼封裝。陶瓷電容量11IxF，承受電壓范圍-30～150V。 

    1.3加載方案

       試驗(yàn)加載主要分為兩個(gè)過(guò)程，即施加外荷載階段  司驅(qū)動(dòng)力作用的主動(dòng)控制階段：第一階段施加豎向荷載，以試件開(kāi)裂后的裂縫寬度作為控制參數(shù)，當(dāng)裂縫寬度達(dá)到控制寬度時(shí)，停止豎向加載并維持荷載不變；第二階段通過(guò)電源對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器輸入電壓，使驅(qū)動(dòng)器對(duì)梁的端部產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而調(diào)整梁的整體受力狀態(tài)。試件的加載過(guò)程參見(jiàn)圖4。

圖2加載裝置圖

圖3壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器

圖4主動(dòng)控制階段

    1.4量測(cè)內(nèi)容及方法

    主要量測(cè)內(nèi)容包括：①壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)在連接驅(qū)動(dòng)器的四根鋼拉桿粘貼應(yīng)變片的方法進(jìn)行測(cè)量；②梁的跨中變形，采用位移計(jì)測(cè)量；③混凝土和鋼絲的應(yīng)變，采用應(yīng)變片測(cè)量；④裂縫寬度和裂縫高度，采用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量。

2、主動(dòng)控制試驗(yàn)過(guò)程

    (1)首先在掛載裝置兩側(cè)懸掛砝碼，通過(guò)分配梁將荷載傳到梁的三分點(diǎn)處，對(duì)梁施加豎向荷載。梁的初裂裂縫出現(xiàn)在純彎段，裂縫很細(xì)，裂縫高度也較小。

    (2)控制最大裂縫寬度達(dá)到控制寬度(0.1 mm、0.16 mm和0.2 mm)時(shí)，停止加載，并維持其大小不變。此時(shí)，除了梁純彎段的裂縫以外，彎剪段也出現(xiàn)豎向裂縫和45°斜裂縫，裂縫逐漸向分配梁的兩個(gè)加載點(diǎn)延伸。

    (3)施加驅(qū)動(dòng)力的主動(dòng)控制階段，通過(guò)配套電源對(duì)疊合式驅(qū)動(dòng)器通電壓，使得壓電陶瓷片膨脹做功，在梁的端部施加一個(gè)偏心力，從而調(diào)整梁的整體受力狀態(tài)。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電壓值，可以對(duì)梁施加不同大小的偏心力作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能梁的應(yīng)力、變形和裂縫閉合狀態(tài)的主動(dòng)控制。

    (4)在主動(dòng)控制階段，驅(qū)動(dòng)器對(duì)梁施加控制力和控制彎距，可以觀察到梁的變形在恢復(fù)，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制梁的變形的效果。

    (5)在主動(dòng)控制階段，混凝土受壓區(qū)和受拉區(qū)的應(yīng)力均在逐漸減小，相比而言，受拉區(qū)混凝土應(yīng)力減小得更多，而受壓區(qū)應(yīng)力恢復(fù)相對(duì)較小。鋼絲的應(yīng)力變化也較為明顯，受拉區(qū)鋼絲的應(yīng)力值相比受壓區(qū)恢復(fù)得更多，變化幅度較大，受壓區(qū)鋼絲的應(yīng)力變化則不如受拉區(qū)明顯。

    (6)在主動(dòng)控制階段，梁的最大裂縫寬度都有不同程度的減小，裂縫有逐漸閉合的趨勢(shì)，同時(shí)裂縫高度也有所降低，可見(jiàn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)梁所施加的主動(dòng)控制力可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)梁裂縫的主動(dòng)控制和調(diào)整。

3、試驗(yàn)結(jié)果分析

    3.1跨中變形

    在豎向荷載及驅(qū)動(dòng)力作用下壓電智能混凝土梁的跨中變形在驅(qū)動(dòng)前和驅(qū)動(dòng)后的恢復(fù)情況，如表4，8根梁的跨中截面的荷載一變形控制曲線見(jiàn)圖5。

表4  梁跨中變形對(duì)比

 

 

圖9荷載一裂縫控制曲線

    從表7以及圖8、圖9可以得到以下規(guī)律：

    (1)8根智能梁的裂縫寬度和裂縫高度均表現(xiàn)一定的閉合特性。裂縫寬度閉合百分比大致在12％-15％之間，裂縫高度的恢復(fù)比例相對(duì)較小，大約在7％～l0％左右。

    (2)由于裂面效應(yīng)的影響，智能梁試件開(kāi)裂以后，在主動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的作用下，骨料問(wèn)傳遞剪力，梁的開(kāi)裂面之間重新受壓，裂縫寬度隨之逐漸減小，呈現(xiàn)出“裂縫閉合”的現(xiàn)象。

    (3)比較8根智能梁，隨著配筋率的增加，試件裂縫寬度和高度的恢復(fù)程度大致呈逐漸提高的趨勢(shì)。在主動(dòng)控制階段，配筋率的增大有利于提高試件裂縫的閉合特性，裂縫的發(fā)展高度恢復(fù)程度也更好。

    (4)比較跨高比同為8.5：1的2根智能梁ZN-5與ZN-6，可以發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器偏心矩較大的梁zN-5的裂縫寬度和裂縫高度恢復(fù)百分比要比ZN一6高2．5～3．1個(gè)百分點(diǎn)，試件zN-7比試件zN-8也具有更好的裂縫閉合能力，反映了驅(qū)動(dòng)器偏心矩的增大能夠有效地改善智能梁的裂縫閉合特性。

4、壓電智能混凝土梁非線性有限元分析

    為了對(duì)壓電智能混凝土梁的主動(dòng)控制過(guò)程進(jìn)行更深入的研究，詳細(xì)地了解壓電智能混凝土梁的基本受力特點(diǎn)、變形恢復(fù)情況、裂縫閉合性能以及各種參數(shù)對(duì)其受力性能的影響，本文編制了壓電智能混凝土梁基于本構(gòu)關(guān)系的非線性分析程序。程序?qū)崿F(xiàn)了壓電智能混凝土梁的主動(dòng)控制全過(guò)程分析和統(tǒng)一計(jì)算。采用 LDLT法求解增量區(qū)間內(nèi)的線性方程，該方法具有分解和回代簡(jiǎn)單、節(jié)約內(nèi)存、計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。

    應(yīng)用本文編制的壓電智能混凝土梁非線性分析程序，對(duì)8根壓電智能混凝土梁在外荷載和驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)作用下的全過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算。圖l0給出2根具有代表性的智能梁ZN-3和ZN-7的變形恢復(fù)曲線的分析結(jié)果，其中智能梁ZN-3的主要參數(shù)為跨高比7：1，驅(qū)動(dòng)器埋設(shè)偏心距為20 mm，縱筋率0．45％；智能梁ZN-7的主要參數(shù)為跨高比7：1，偏心距20 mm，縱筋率0．82％。

    從圖l0典型壓電智能梁荷載一變形曲線的有限元計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可見(jiàn)，二者吻合良好，誤差在10％以內(nèi)。本文編制的非線性有限元分析程序?qū)崿F(xiàn)了壓電智能混凝土梁的主動(dòng)控制全過(guò)程模擬分析，為壓電智能混凝土梁的主動(dòng)控制研究提供了有效的分析途徑。

圖10荷載位移控制曲線的程序值與試驗(yàn)值對(duì)比

5、結(jié)論

    對(duì)8根壓電智能混凝土梁進(jìn)行了主動(dòng)控制試驗(yàn)和有限元分析研究，主要結(jié)論如下：

    (1)驅(qū)動(dòng)前后的梁跨中變形對(duì)比表明，在主動(dòng)控制階段變形恢復(fù)百分比在21％～42％之間，梁試件呈現(xiàn)出較為明顯的“反拱”。

    (2)在施加驅(qū)動(dòng)力的主動(dòng)控制階段，混凝土應(yīng)變和鋼絲應(yīng)變均呈現(xiàn)逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象。混凝土應(yīng)變恢復(fù)程度在31％～45％之間，鋼絲應(yīng)變恢復(fù)百分比范圍是

22％-42％。

    (3)智能梁的最大裂縫寬度有不同程度的減小，裂縫有逐漸閉合的趨勢(shì)，裂縫寬度閉合百分比大致在12％～l5％之間；同時(shí)裂縫高度也有所降低，恢復(fù)比例大致在7％～l0％左右，可見(jiàn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)梁所施加的控制力和控制彎距可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能梁裂縫的主動(dòng)控制。 

    (4)隨著配筋率的增加，試件裂縫寬度和高度的恢復(fù)程度大致呈逐漸提高的趨勢(shì)。

    (5)增大驅(qū)動(dòng)器的偏心矩可以提高梁的變形恢復(fù)情況，提高幅度在5％左右；驅(qū)動(dòng)器偏心矩的增大也有利于提高試件裂縫的閉合特性，裂縫寬度和高度的恢復(fù)程度提高了約2.5％～3.1％。

    (6)編制了基于材料本構(gòu)關(guān)系的壓電智能混凝土梁主動(dòng)控制的全過(guò)程模擬分析程序，程序計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

參考文獻(xiàn)

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)     文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 編輯  文徑 審核) 

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