基于压电陶瓷的钢管混凝土柱界面剥离损伤监测的实验研究

论文摘要

钢管混凝土柱由于高承载能力、良好的塑性变形能力和延性、施工方便、经济高效等优点近年来被广泛运用在大型工业厂房、高层和超高层建筑、桥梁和公共建筑中。钢管混凝土利用钢管的约束作用使钢管内混凝土处于三向受压的应力状态,以提高其抗压承载力,并借助内填混凝土的支撑作用增强钢管壁的稳定性。多种因素可能造成剥离的产生,而剥离的发生将严重影响钢管对混凝土的约束作用,进而对柱的承载力、延性构成较大影响,造成安全隐患。但钢管混凝土界面剥离的不可见性又使得损伤难以直接观测,因此钢管混凝土柱界面性能成为在钢管混凝土应用中越来越受到重视的问题之一。现有的无损检测方法有人工敲击法、超声波检测法和光纤光栅检测法,但人工敲击法和超声波检测法往往需要操作人员进入到现场,其检测设备笨重,且损伤信息的获取往往依赖人工经验判断。本文提出基于压电陶瓷的钢管混凝土柱界面剥离损伤的监测方法并通过实验室构件实验加以验证。本论文的研究内容包括如下:1.介绍了本研究的背景、意义,然后说明压电陶瓷这一智能材料在土木工程监测中的应用现状。2.提出了基于压电陶瓷的钢管混凝土柱的界面性能主动监测方案,设计制作了一根钢管混凝土柱界面剥离损伤的构件模型,试件中埋入基于压电陶瓷的智能骨料并在钢管混凝土柱外壁上安装了嵌入式压电陶瓷传感器,实现了基于波动法压电陶瓷监测钢管混凝土柱界面损伤监测。3.提出基于压电陶瓷波动法测量数据幅值、频谱特性以及小波包能量的界面损伤识别方法。分别基于时域、频域和小波包分析对剥离损伤区域内压电陶瓷信号和界面完好区域的压电陶瓷测量信号进行分析,通过比较发现以小波包能量分析为基础的损伤指标对钢管混凝土柱的界面剥离损伤最为敏感。4.运用机电耦合阻抗识别测量,对钢管混凝土柱的界面损伤进行了监测,利用阻抗分析仪对粘贴在钢管混凝土柱外壁的压电陶瓷片进行了阻抗测量,通过对比界面损伤区域压电陶瓷的电阻抗和完好界面压电陶瓷的电阻抗判断损伤的存在,验证了基于压电陶瓷阻抗法对钢管混凝土柱的界面剥离损伤的有效性。以上研究表明基于压电陶瓷的钢管混凝土柱界面剥离损伤监测是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 结构健康监测
• 1.3 钢管混凝土简介
• 1.3.1 钢管混凝土及其优点
• 1.3.2 钢管混凝土柱在实际工程中的运用
• 1.3.3 钢管混凝土的脱空问题及其危害
• 1.3.4 针对钢管混凝土界面损伤的检测技术
• 1.4 主要研究内容及意义
• 第2章 压电陶瓷技术在结构监测中的应用
• 2.1 智能材料与智能结构
• 2.1.1 智能材料
• 2.1.2 智能结构
• 2.2 压电陶瓷材料
• 2.2.1 压电陶瓷的压电效应
• 2.2.2 压电方程
• 2.2.3 压电材料的主要性能参数
• 2.3 基于压电陶瓷的结构健康监测研究
• 2.3.1 基于压电陶瓷的被动监测
• 2.3.2 基于压电陶瓷的主动监测
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于波动法的钢管混凝土界面监测
• 3.1 基于波动法监测钢管混凝土界面剥离的基本原理
• 3.2 实验目的
• 3.3 实验准备
• 3.3.1 压电陶瓷的选取
• 3.3.2 智能骨料的制作
• 3.3.3 压电陶瓷传感器的安装
• 3.3.4 钢管混凝土试件简介
• 3.3.5 智能骨料定位
• 3.3.6 实验监测系统
• 3.4 实验结果分析
• 3.4.1 时域信号分析
• 3.4.2 频域信号分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于小波包能量分析的损伤识别
• 4.1 小波分析
• 4.1.1 小波
• 4.1.2 连续小波变换
• 4.1.3 多分辨分析
• 4.2 小波包分析
• 4.3 小波包与小波比较
• 4.4 小波包能量
• 4.5 基于小波包能量的分析指标
• 4.5.1 基于小波包能量的健康指标 EEI
• 4.5.2 基于小波包能量损伤指标 DI
• 4.6 各类指数敏感度分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于阻抗法的监测试验
• 5.1 压电阻抗原理
• 5.2 试验目的
• 5.3 试验方案
• 5.3.1 试验步骤
• 5.3.2 试验设备
• 5.3.3 阻抗分析仪的连接
• 5.3.4 试验设置
• 5.4 试验结果分析与讨论
• 5.4.1 实验结果
• 5.4.2 损伤指标
• 5.5 本章小结
• 结论
• 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