基于反共振频率和压电阻抗的结构损伤检测

论文摘要

近年来,随着世界经济和现代科学技术的迅速发展以及人们安全意识和安全需求的逐渐提高,那些关系国计民生的重要工程结构的损伤识别和健康监测问题逐渐被人们所重视,工程结构的损伤识别和健康监测也成为了当前结构工程学科十分活跃的研究领域。本文在国家自然科学基金（No.50378041）、教育部博士点基金（No.20030487016）以及华中科技大学优秀博士论文基金（No.2004-23）的资助下进行了基于反共振频率和压电阻抗的结构损伤检测数值与试验研究。本文所开展的主要研究工作和取得的主要成果为:（1）提出了一类基于反共振频率信息的损伤识别方法,即基于反共振频率曲线、反共振频率曲线斜率以及反共振频率曲线曲率的裂纹损伤检测方法。该方法的基本思想是:通过获取结构各驱动点阻抗（或导纳）响应和第一阶反共振频率曲线、反共振频率曲线斜率以及反共振频率曲线曲率,并观察曲线的弯折和突变情况来识别损伤的发生并对损伤定位;在裂纹位置确定之后,结合结构固有频率和裂纹梁频率方程识别裂纹损伤大小。（2）介绍了两种模拟梁裂纹的弯曲弹簧模型,并通过数值计算和试验验证了这两种模型的有效性。利用上述裂纹模型对裂纹混凝土梁进行了动力特性分析,分析结果表明:裂纹的产生会引起梁固有频率减小,但低阶固有频率对梁裂纹损伤并不敏感,而且简支梁对称位置的裂纹会引起相同的固有频率变化,因此单纯利用低阶固有频率对结构进行损伤识别是不可靠的。（3）推导了单裂纹简支梁、双裂纹简支梁的频率方程;利用基于反共振频率信息的损伤识别技术对单裂纹梁、双裂纹梁和多裂纹梁进行了振动分析和损伤识别数值研究。数值研究结果表明:利用梁结构的第一阶反共振频率曲线,不仅可以判断损伤的发生、准确识别中等深度以上梁裂纹的位置,而且能定性识别裂纹损伤程度;利用第一阶反共振频率曲线斜率和曲率可以对小裂纹损伤进行准确定位;结合裂纹梁频率方程和固有频率,对单裂纹梁和双裂纹梁裂纹尺寸进行了定量识别,识别误差较小。（4）基于反共振频率曲线的损伤识别技术对单裂纹梁、双裂纹梁和多裂纹梁进行了损伤识别试验研究。研究结果发现:反共振频率测量值与计算值是基本吻合的;基于测量得到的第一阶反共振频率曲线可以较好地识别出中等深度以上裂纹的位置;随着梁裂纹个数的增多,反共振频率曲线上的弯折或不连续现象变得不明显。（5）对表面粘贴有单压电片的钢梁进行了阻抗分析,在此基础上对单压电片智能钢梁的压电阻抗进行了数值计算和实验验证,二者结果基本吻合。利用压电阻抗技术,通过测量单压电片的电导纳变化成功识别了钢梁裂纹损伤;将三个压电片分布在钢梁的不同部位,通过监测各个压电片的电导纳变化,并结合各压电片处的反共振频率成功识别了梁裂纹损伤位置。（6）利用压电阻抗技术对钢框架结构进行了健康监测试验研究。通过监测粘贴在框架节点处的各压电片的电导纳变化发现,在不同损伤工况下,直接与螺栓连接的连接板上的压电片的电导纳变化最大,与连接板相连的下斜撑上的压电片的电导纳也有变化,而与连接板不直接相连的上斜撑上压电片的电导纳几乎没有变化。由此表明,利用压电阻抗技术能识别钢框架结构损伤;压电阻抗技术具有局部检测能力。分别建立了基于压电导纳实部和虚部的损伤程度识别指标RMSDR和RMSDI,研究结果发现,利用RMSDR指标能较好地对钢框架螺栓松动损伤程度进行定性识别,而利用RMSDI指标对螺栓松动损伤程度识别则不可靠。（7）利用压电阻抗技术对混凝土立方块固化过程进行了监测。监测结果发现,随着混凝土龄期的增加,粘贴在试块表面的压电片的电导纳曲线峰值频率逐渐增大,并且在混凝土龄期3-6天增幅较大,在随后的龄期增幅较小。由压电片的机电耦合特性可知,压电导纳曲线峰值频率与混凝土的固有频率具有对应关系,由此可间接预测龄期内混凝土刚度变化规律。（8）基于多压电片分布传感和压电阻抗技术,对裂纹混凝土梁进行了损伤定位试验研究。试验结果发现,靠近裂纹的压电传感器对梁裂纹损伤较为敏感,而远离裂纹的压电传感器则几乎不受裂纹损伤的影响,这进一步证实了压电传感器的局部检测能力和损伤定位能力;结合损伤程度识别指标RMSDR,实现了对不同损伤工况下混凝土梁裂纹的损伤定位。（9）利用压电阻抗技术对钢筋混凝土梁加载过程进行了监测实验。利用分配梁对钢筋混凝土梁进行两点加载,将压电片分布粘贴在梁的下表面来监测由于外加荷载所导致的结构开裂以及刚度损失。实验结果表明利用压电阻抗技术可以判断钢筋混凝土结构开裂荷载,能较直观地反映梁裂纹扩展过程及其刚度损失状态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 基于振动响应与动力特性的结构损伤识别研究现状
• 1.3 基于反共振频率的结构模型修正和损伤识别技术研究现状
• 1.4 基于压电阻抗的结构损伤识别与健康监测技术研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 2 基于反共振频率信息的梁结构裂纹识别基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 结构机械阻抗
• 2.3 反共振频率
• 2.4 基于反共振频率信息的梁结构裂纹损伤识别方法
• 2.5 本章小结
• 3 基于反共振频率的裂纹梁损伤识别数值与试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 裂纹模型及其验证
• 3.3 基于弯曲弹簧模型的裂纹混凝土梁动力特性分析
• 3.4 基于反共振频率的单裂纹梁损伤识别数值研究
• 3.5 基于反共振频率的双裂纹梁损伤识别数值研究
• 3.6 基于反共振频率的多裂纹梁损伤识别数值研究
• 3.7 基于反共振频率的裂纹梁损伤识别试验研究
• 3.8 本章小结
• 4 基于压电阻抗的结构损伤识别与健康监测基本理论
• 4.1 引言
• 4.2 压电效应和压电方程
• 4.3 压电阻抗模型
• 4.4 基于压电阻抗的结构健康监测技术基本原理及其特点
• 4.5 本章小结
• 5 基于压电阻抗的钢结构损伤识别数值与试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验设备和压电自传感驱动器
• 5.3 压电陶瓷驱动力作用下钢梁的阻抗分析
• 5.4 基于压电阻抗的钢梁损伤检测试验研究
• 5.5 基于压电阻抗的钢框架螺栓松动检测试验研究
• 5.6 本章小结
• 6 基于压电阻抗的混凝土结构性能监测与损伤识别试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 基于压电阻抗的混凝土块固化过程监测
• 6.3 基于压电阻抗技术的混凝土梁裂纹识别试验研究
• 6.4 基于压电阻抗技术的钢筋混凝土梁加载过程监测
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读学位期间参加的科研项目目录
• 附录3 附表