基于尾波干涉的钢筋混凝土梁应力测试的初步实验研究

摘要

超声波无损检测技术在土木工程领域已经应用了数十年，传统声学的检测大多将直达波（首波）作为研究对象，而对于尾波的研究，仍然较少。尾波是波在介质中传播时发生衍射和散射产生的弹性波，是衍射波和多重散射波的相互叠加，这种叠加使得尾波在介质中传播的路径较长，到达的时间比直达波晚。正是因为尾波传播的累计路径较长，使得尾波蕴含的信息更加丰富。又由于尾波对于介质微弱变化具有的极高敏感性，可在混凝土结构发生微弱变化时做出反应，从而可以检测到直达波不能检测到的变化。
　　本文通过对外文文献进行调研，重点分析了几位国外学者在尾波方面的理论与实验研究，对尾波原理和尾波干涉技术进行了详细介绍。同时参考国外学者的实验装置和实验方法，设计了新的实验方案和实验装置。
　　通过在实验室进行钢筋混凝土梁的尾波应力测试实验，对实验过程中所遇到的问题进行描述与解答，运用MATLAB软件对数据进行处理，建立了一套时域数据的处理方法。对尾波实验数据进行两种方法的对比分析，分别为尾波干涉技术和幅值信息分析。第一种尾波干涉技术，它的核心是互相关系数，通过最大相关系数来计算对应的走时差为时间延迟（或提前），建立时间窗口，在时间窗口进行互相关分析得到时间延时，通过时间延时来推导速度变化率。另一种是通过幅值信息进行分析计算，其核心是标准差，通过不同波形的振幅作差，然后计算差值的标准差，得到结果。将这两类结果进行对比分析，可实现对测量结果的校核，并利于量化分析和减小测量中的不确定度，这也为获得进一步的研究成果提供了更有力的手段。通过运用多种处理手段分析尾波数据，能得到更有意义的研究成果，这对推动尾波的研究，获得新的成果十分有利，也为之后的研究人员提供了基础数据和实验参考方案。
　　本文以国家自然科学基金“基于尾波干涉的混凝土结构应力场非加卸载测量研究”为项目依托，研究的内容与项目相结合。文中采用不同的处理方法得到的结果十分相似，经过两种方法处理的实验结果均呈线性关系。其中用尾波干涉技术得到的波速变化率与国外学者量化出的混凝土结构应力变化下的波速变化率在同一量级，都是10-3/MPa。这说明了尾波数据处理技术的多样性，也证实了尾波对于介质微弱变化具有的极高敏感性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 国内外现状及研究意义

1．3 问题的提出

1．4 研究内容

1．5 本文特色

1．6 本章小结

第二章 本文的理论基础

2．1 尾波干涉技术

2．2 弹性波的理论基础

2．2．1 声弹性理论

2．2．2 各向同性弹性体的本构关系

2．2．3 应力边界条件

2．3 泰勒展开

2．4 本章小结

3．1 尾波实验仪器

3．2 实验材料的制备及实验装置

3．1．1 实验材料的制备

3．1．2 实验装置

3．3 钢筋混凝土梁尾波测试实验方案

3．3．1 尾波监测钢筋混凝土梁的加卸载变化

3．3．2 尾波监测4层荷载下的应力变化

3．3．3 尾波监测12层荷载下(试块)的应力变化

3．3．4 尾波监测12层荷载下(钢板)的应力变化

3．4 本章小结

第四章 实验数据处理及结果分析

4．1 尾波监测钢筋混凝土梁的加卸载变化数据分析

4．2 尾波监测4层荷载下的应力变化数据分析

4．3 尾波监测12层荷载下(试块)的应力变化数据分析

4．3．1 尾波干涉技术的延时变化分析

4．3．2 幅值变化分析

4．4 尾波监测12层荷载下(钢板)的应力变化数据分析

4．4．1 尾波干涉技术的延时变化分析

4．4．2 幅值变化分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

附录