基于压电陶瓷的应力测量和混凝土构件的损伤识别研究

论文摘要

伴随着我国经济的飞速发展,我国正进行着大规模的基础设施建设,各种大型复杂结构不断出现,但由于工程结构材料的老化、使用环境等因素的影响、缺乏正常的维护,大量的民用和工业建筑以及各种基础工程设施在其生命周期内不可避免地存在着损伤的累积和性能退化,在地震和强台风等极端荷载作用下可能失效进而引发突发性灾难。因此,对土木工程结构的强动力荷载作用后的性能进行监测和评估成为土木工程领域的研究热点之一。此外,土木工程结构在不同的荷载作用下的应力的测量一直是土木工程领域所关心的重要问题之一,可靠的应力测量手段的研究和开发对土木工程研究以及结构性能评估均具有重要意义。压电陶瓷(Lead Zirconate Titanate,PZT)材料由于其具有响应速度快、频响范围宽、线性关系好、容易剪裁加工成型且价格低廉,以及所特有的可以同时作为传感和作动特性的优点,成为一种智能材料在土木工程领域有着良好的应用前景。本文基于压电陶瓷开发了动力和准静力荷载作用下混凝土结构应力测量技术以及混凝土构件的损伤监测方法。本文的主要内容如下：1.在简要论述土木工程结构健康监测的目的和意义的基础上回顾了健康监测中的损伤诊断方法,详细地介绍了智能材料和结构系统,并重点论述了基于压电陶瓷的健康监测研究的进展。2.在介绍压电材料的基本特性和本构理论的基础上,阐述了基于压电陶瓷应力传感器的构造方法、测量原理、测量电路以及测量设备,为传感器的制作与标定试验做准备。3.开发了适用于混凝土结构的基于压电陶瓷的应力传感器,详细介绍了其制作方法。为了对传感器用于动力荷载作用下的应力测量性能进行研究,设计制作了一台小型落锤冲击试验机,对压电陶瓷应力传感器的灵敏度进行了标定。同时,尝试使用机械式千斤顶对自制压电陶瓷应力传感器用于准静应力测量进行了标定,表明自制的压电应力传感器用于动应力以及准静力应力测量的可行性。4.开展了基于小波包能量分析的在钢筋混凝土柱和剪力墙构件损伤主动识别研究。在介绍小波包分析法的相关理论的基础上,运用自制的基于压电陶瓷的智能骨料,对钢筋混凝土柱和剪力墙构件中进行了基于波动法的主动监测,结果表明基于压电陶瓷的智能骨料可以对混凝土结构的损伤进行有效监测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本研究的学术背景和意义
• 1.2 土木工程结构的健康监测
• 1.3 结构的损伤诊断
• 1.3.1 局部损伤识别方法
• 1.3.2 整体损伤识别方法
• 1.4 智能材料和结构系统
• 1.4.1 智能材料
• 1.4.2 智能结构系统
• 1.5 压电材料
• 1.5.1 压电材料的发现及发展历程
• 1.5.2 压电材料的分类
• 1.5.3 压电材料的优点
• 1.5.4 压电陶瓷的应用
• 1.6 基于压电陶瓷的土木工程结构健康监测及损伤诊断
• 1.6.1 基于压电陶瓷材料的被动监测
• 1.6.2 基于压电陶瓷材料的主动监测
• 1.7 本文的主要研究内容和工作
• 第2章 基于压电陶瓷应力传感器的基本原理
• 2.1 压电材料的基本理论
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电材料的主要性能参数
• 2.1.3 压电方程
• 2.2 压电传感器
• 2.2.1 压电陶瓷的压电特性
• 2.2.2 压电传感器的测量原理
• 2.3 本章小结
• 第3章 压电陶瓷应力传感器的制作与标定
• 3.1 基于压电陶瓷的传感器的封装制作
• 3.1.1 基于压电陶瓷传感器的几种封装制作形式
• 3.1.2 压电陶瓷材料的选择
• 3.1.3 基于压电陶瓷的传感器制作封装流程
• 3.2 压电陶瓷应力传感器的标定试验
• 3.2.1 小型落锤试验机的设计与制作
• 3.2.2 传感器标定试验设备及数据采集系统
• 3.2.3 传感器的灵敏度测试
• 3.2.4 传感器的准静态测试
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于压电陶瓷智能骨料的钢筋混凝土构件损伤识别研究
• 4.1 引言
• 4.2 小波变换
• 4.2.1 连续小波变换
• 4.2.2 离散栅格下的小波变换
• 4.3 多分辨率分析和Mallat算法
• 4.3.1 多分辨率分析的思想
• 4.3.2 Mallat算法
• 4.4 小波包分析方法
• 4.4.1 小波包分析法的思想
• 4.4.2 小波包分析法的定义和性质
• 4.5 基于小波包分析的钢筋混凝土构件损伤识别
• 4.5.1 损伤识别原理及损伤指标
• 4.5.2 钢筋混凝土柱和剪力墙试件的制备及试验装置
• 4.5.3 钢筋混凝土柱和剪力墙试件快速加载试验损伤监测结果
• 4.6 本章小结
• 结语
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录