浅谈疲劳寿命计在大型结构监测中的应用..doc

浅谈疲劳寿命计在大型结构监测中的应用 石家庄市市政建设总公司 程文长 摘要：结构疲劳损伤状态的监测、评估是结构健康监测的重要课题。疲劳寿命计是结构累积损伤监测的理想传感元件，本文介绍了疲劳寿命计的响应特性以及疲劳寿命在大型结构疲劳损伤监测中的应用研究现状。 【关键词】 疲劳寿命丝 疲劳寿命计 结构损伤监测 课题研究的目的和意义 健康监测的主要目标体现在准确、可靠、经济、高效。损伤监测和寿命评估是其核心内容和任务之一。尽管传统的无损检测技术得到很大发展，可以认为是结构健康监测的一部分，如超声波、涡流、磁粉、X射线法等局部损伤检测技术及相干激光雷达、远红外等层面损伤检测技术。 大型工程结构健康诊断的主要内容应包括:结构损伤状态的识别和定位;有损结构的剩余寿命评估。这里首先要提出两个问题: (1)我们最关心的是长期动载作用下的累积损伤，它是与加载历史密切相关的，损伤监测数据必需能反映加载历史; (2)累积损伤具有“突然死亡”的特征，即一些重要部件裂纹形成寿命占据绝大部分，一旦出现微小的裂纹在未及时发现裂纹时，即可发生整个结构的毁坏。如1994年1月17日的美国加州大地震中，在主震过后没有任何外观损伤情况的Northbridge（若思大桥），却在稍后的余震中倒塌。所以结构的损伤监测系统除了包括结构分析、材料研究、计算方法、信号处理等外，最重要的是有一个能拾取累积损伤的传感元件。 2 国内外疲劳损伤监测发展现状 自二十世纪50年代以来，结构健康监测的重要性就逐渐被认识，但受到检测手段比较落后的限制，在应用上一直未能得到推广和重视。近年来随着科技的发展，这项技术成为国内外学术界、工程界的研究热点。 80年代中后期许多国家开始了有益的尝试，主要是在各种规模的桥梁上建立健康监测系统，例如美国佛罗里达州的Sunshine Skyway Bridge（彩虹大桥）桥上安装了500多个传感器，用来测量桥梁施工和成桥状态下温度、应变和位移，通过近距离和远程实时采集监测数据。通过数据分析可以得出结构及材料特性随时间变化的状况。 英国80年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查比较了多种长期监测系统的方案。例如在总长522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle（佛艾利）桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。该系统实现了实时监测、实时分析和数据网络共享，是较为完整的监测系统之一。 泰国的RAMAIX（罗魔艾克）桥安装了结构整体性和安全性在线报警系统，测量风、加速度和温度等，系统与5英里外的桥梁管理部门的计算机连接。计算机显示监测状态，当超过预置条件时，系统就会以声音或图像方式发出报警。 在我国国内的桥梁健康监测的起步较晚但发展速度较快，上海交通大学、中国科学院武汉岩石力学研究所、重庆大学光电工程学院、清华大学土木工程系等已对混凝土结构监测进行了理论的研究，并己应用到了大坝和公路立交桥上，取得了较好的效果。 3 疲劳寿命计 3.1 疲劳寿命丝 疲劳寿命丝(箔) 与电阻应变丝相似, 但合金成分和热处理工艺不同, 一般由43 %Cu（铜）、55 %Ni（镍）、2 %Mn（锰）及少量的C（碳）、S（硫）、Si（硅）经过特殊的热处理工艺而成。疲劳寿命丝(箔) 在交变的应力作用下,可以表达为如下的关系式: (ΔR/ R) = K(ε-ε0) N h 式中R 为电阻; ΔR 为电阻变化值;ε0 为电阻变化的应变阈值; K、h 为常数; N 为循环次数。实验表明:循环次数为结构寿命的一半时裂纹开始出现,每种结构材料都有出现疲劳裂纹对应的电阻变化值。这样, 只要得到电阻变化值, 即可对结构损伤及剩余寿命进行评估,其性能与电阻应变丝大致相当。疲劳寿命丝是寿命预测、损伤评估最理想的材料。 3.2 疲劳寿命计工作原理 疲劳寿命计的外形与普通应变片相似，其生产工艺也基本相同，但其敏感栅的合金成分和加工工艺、热处理规范、工作原理和检测方法等都不相同(见表1)。 表1疲劳寿命计与普通应变计的区别 疲劳寿命计 普通电阻应变计 工作机理 在交变应变幅值?r下，随着交变应变循环数N的增加，敏感栅电阻有累积功能(ΔR/ R) = K(ε-ε0) N h，卸载后电阻增加值ΔR保留。累积电阻变化值ΔR≈8～10Ω(R=100Ω) 在应变二作用下，敏感栅伸长或者缩短，电阻值变化，电阻变化量与应变关系为(ΔR/ R)=K?(k≈2)卸载后电阻变化消失。当?=2000μ? , R =120Ω,时ΔR =0.48Ω 元件性质 记忆元件 检测应变元件 敏感栅 具有记忆性能的康铜箔，有较多的Ni集聚体，在一定应变与循环次数下集聚体分解 一般康铜箔材，加载后材料性质不变 功用 检测材料的疲劳寿命