基于无线智能骨料的混凝土裂缝监测系统

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1、基于无线智能骨料的混凝土裂缝监测系统摘要：基于压电陶瓷的混凝土结构健康监测技术已经日趋成熟。然而，该项技术目前还没能广泛地应用于实际工程中，主要原因是在完成大型结构健康监测任务时，需要大量地布置线缆。这样不仅耗费大量的材料费和人工费。本文基于Zigbee802.15.4协议的无线传感器网络，以压电智能骨料的主动健康监测技术为理论基础，完成了对无线智能骨料混凝土裂缝监测系统的测试。由此表明，该系统运行稳定可靠，可实时在线地完成混凝土梁裂缝在的监测任务。关键词：无线智能骨料；混凝土裂缝监测一、引言基于压电智能骨料的混凝土结构健康监测技术已经取得了丰硕的成果，李宏男、孙威、阎石等［1-2

2、］在该领域开展了相应的研究。但在完成桥梁健康监测任务时需要大量地布置线缆。这样不仅耗费大量的材料费和人工费，而且在出现故障时，对于健康监测系统的维护工作也比较繁重。在此背景下无线健康监测技术受到越来越多学着的关注［3］,由于其成本低、灵活性高、安装维护容易等特点，正在逐步取代传统的有线数据传输技术。二、无线智能骨料监测节点无线智能骨料健康监测节点主要由压电智能骨料和信号收发模块两部分构成。压电智能骨料实现信号采集功能，信号收发模块实现信号传输功能。将两者焊接、封装，即为无线智能骨料健康监测节点，如图1所示。基于IEEE802.15.4的Zigbee技术，由于具有无线网络的自组织、自

3、愈能力强，通信可靠，功耗低，成本低，网络容量大，数据安全等特点，已经逐渐成为无线通信技术的首选方案。本裂缝监测系统，需要以较高的采样率把各个无线智能骨料节点数据，传输到终端进行处理和分析。因此，Zigbee技术适合作为本系统的无线网络技术。图1无线智能骨料健康监测节点三、裂缝损伤监测方法本系统采用压电陶瓷的波动法主动监测技术，从监测信号中提取敏感因子，选定信号幅值作为损伤特征参量。而对损伤的判定还需要对特征参量进行量化，从而确定损伤特征指数，这样才能更加直观便捷的对损伤进行判定。故本文提出以信号能量作为表征结构损伤的特征指数。所谓能量值，即将信号幅值的离散化后对其绝对值的平方进行积

4、分。设Ei为某一时刻的能量值，取Eh为健康状态时的能量值，那么结构的相对健康程度可以表示为通过此式不难看出，当结构处于健康状态时，Hi=l,当结构完全失效时，Hi=Oo而实际健康监测中，常常当结构严重损伤时损伤指数越大，故本文采用DI值作为损伤指数。四、试验验证本次试验选用的是结构中的常用构件钢筋混凝土梁单元作为监测对象。其尺寸采用1：3的缩尺模型。压电智能骨料（SA）在浇筑前预埋在构件中，具体布置形式如图2所示。通过人工加载方式模拟裂缝损伤产生的过程，加载设备选用的是10KN的液压千斤顶。试验构件的不同损伤状态如图2所示。图2试件尺寸及传感器布置试验中利用本系统对梁构件进行实时在

5、线监测，信号的发射与采集间隔10s扫描一次，为了排除噪声等外界因素的干扰造成局部数据不稳定，本次试验对每一状态连续扫描100次。图3四种状态下的损伤指数曲线从计算后的整个实验过程中的损伤指数历史曲线。从该图中明显可以看出，当结构处于没有裂缝的健康状态时，损伤指数DI值一直处于0轴上下波动。当结构出现第一次裂缝（轻微损伤）时，损伤指数会增长到40%左右；随着裂缝的增多，进入本文定义的中度损伤状态，损伤指数的波动范围处于60%-70%之间；最后，致构件破坏失效，损伤指数则跳到80%左右。因此，当结构处于不同的状态时，本系统可根据监测结果准确的反映出了结构所处的损伤状态。五、结语本文开发

6、了一套基于无线智能骨料的混凝土裂缝监测系统，该系统可以有效地对混凝土结构裂缝进行现场监测。由于系统的开发利用无线传感器网络技术，在完成监测任务时，大大减小了材料与人工费用，减少了因为布置线缆所需的维护工作。因而，将其应用于结构健康监测领域中具有广阔的应用前景。参考文献：[1]李宏男，赵晓燕.压电智能传感结构在土木工程中的研究和应用[J].地震工程与工程振动，2004,24(6)：165-172.[2]孙威，阎石，张莺.基于压电陶瓷传感器的混凝土结构健康监测技术的数值模拟研究[J]・混凝土，2008,220(2)：34-38.[3]孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络[M].北京：清

7、华大学出版社，2005：3-23.作者简介：马浩銭(1989-),男，辽宁营口人，沈阳建筑大学土木工程学院2012级硕士研究生，结构工程专业,研究方向为结构健康监测。