Page 45 - 无损检测2025年第四期

土木工程中的无损检测技术应用
土木工程中的无损检测技术应用

DOI：10.11973/wsjc240299

基于压电阻抗技术的工字形钢梁局部

损伤识别方法

张 茹 1,2,3 ，汤凡凡 ，付传清 ，隋晓东 ，管超东 2
1,2
2,3
1
（1. 浙江工业大学 土木工程学院，杭州 310014；2. 浙大城市学院 工程学院，杭州 310015；

3. 浙江大学 建筑工程学院，杭州 310058）
摘 要：采用压电阻抗技术对工字形钢梁进行检测时，压电阻抗信号会受到损伤位置和损伤程
度的耦合影响，针对此问题提出了一种基于有效特征频段选取的结构损伤定位和定量解耦分析方
法。以工字形钢梁为研究对象，开展了基于多物理场有限元仿真的工字形钢梁局部裂缝识别，并进
行了试验验证。结果表明，所提出的方法对于裂缝的定位和定量误差分别小于3%和5%。
关键词：压电阻抗技术；损伤定位与定量；有效特征频段；工字形钢梁
中图分类号：TU511.3；TG115.28 文献标志码：A 文章编号：1000-6656(2025)04-0015-07

Local damage detection method of I-shaped steel beams based on

piezoelectric impedance technique

ZHANG Ru 1,2,3 , TANG Fanfan , FU Chuanqing , SUI Xiaodong , GUAN Chaodong 2
1
1,2
2,3
（1. College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；
2. Department of Civil Engineering，Hangzhou City University，Hangzhou 310015，China；
3. College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）
Abstract: The piezoelectric impedance signals are influenced by the coupling effects of damage locations and local
damage severities. This study presented an effective frequency range-based decoupling analysis method for damage
localization and local damage severity estimation. Multi-physics finite element simulations and experimental validations
were conducted on an I-shaped steel beam for crack detection. The damage localization and local damage severity estimation
errors were less than 3% and 5%, respectively.
Key words: piezoelectric impedance technology; damage localization and severity estimation; effective frequency
range; I-shaped steel beam

工字形钢梁广泛应用于钢桥、大跨空间结构等 局部损伤对保障钢结构运营安全具有重要意义。
基础设施中。服役过程中，在荷载与环境因素的耦 随着智能传感和健康监测技术的发展，研究人
合作用下，其翼缘等部位易出现局部损伤，进而降低 员提出了多种钢结构构件局部损伤检测方法，如超
钢结构的整体强度和承载能力。国内外已公开报道 声类无损检测法、电磁类无损检测法、压电阻抗法
多起工字形钢梁局部损伤而引发的钢结构破坏事故，
等。对于超声类无损检测法，声波在工字形钢梁翼
故采用有效的健康监测手段及时识别工字形钢梁的
缘和腹板处多次发生反射和散射，增加了超声检测
信号的复杂性，且耦合剂受限于表面状态 。对于
[1]
收稿日期：2024-07-03
基金项目：国家自然科学基金（U24A20169，U1709216）；浙江省 电磁类无损检测法，工字形钢梁的不规则几何形状
自然科学基金公益技术研究计划项目（LGG21E080004）
会导致内部电磁场分布不均，影响检测精度，同时边
作者简介：张 茹（1986—），女，博士，副教授，主要研究方向为
[2]
缘效应增加了激励线圈缠绕的难度 。压电阻抗法
结构健康监测与状态评估、智能材料与结构
通信作者：付传清，chqfu@zjut.edu.cn 利用压电陶瓷片（PZT）的压电效应实现信号的收
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2025 年 第 47 卷 第 4 期
无损检测