基于瞬态冲击的钢管混凝土拱桥钢管脱空检测技术研究

摘要

近年来，钢管混凝土大量应用于我国的基础设施建设，尤其是采用钢管混凝土修建的拱桥更是遍布全国各地，跨度已达到三四百米。但是，受到混凝土材料自身特性和泵送施工工艺等影响，钢管混凝土内部常出现空洞、混凝土与钢管界面脱空等缺陷，在施工时难凭肉眼发现，且将直接影响到钢管混凝土的质量，严重时威胁到结构的使用安全。由于钢管混凝土结构的特殊性，目前针对该类脱空缺陷的各种检测方法还存在不足。因此，对钢管混凝土脱空检测方法的研究，具有重要的现实意义。
　　本文根据瞬态冲击原理，主要采用了模型试验研究，探讨了针对钢管混凝土脱空的检测方法，对于新方向展开了一定的尝试。
　　①.课题调研，了解钢管混凝土脱空的机理及危害，并对现有脱空检测技术进行了分析，总结各种方法的优缺点。对瞬态冲击原理进行了介绍，并将其引入圆柱壳的振动;
　　②.通过有限元仿真和大量实验室模态试验，很好地得出圆柱形薄壳结构较为完备的前10阶模态振型（三维）。归纳总结之后，尝试提出了利用力锤激振作用下，对圆柱形薄壳结构进行模态试验的一般性方法;
　　③.开展了直钢管混凝土和钢管混凝土拱脱空模型试验研究，基于大量的模型试验结果，研究了脱空检测的测试分析系统。同时，根据瞬态冲击原理，提出了一种基于加速度谱能量的钢管混凝土结构脱空识别的分析方法和判断准则;
　　④.将声振原理和瞬态冲击相结合，探讨了基于声振原理的钢管混凝土脱空识别方法，并围绕该思路进行了大量的实验室模型试验，以模型试验结果验证了理论的可行性;

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 钢管混凝土拱桥既有结构脱空现象调查

1．2 钢管混凝土拱桥钢管脱空原因与机理分析

1．2．1 钢管混凝土的工作原理

1．2．2 钢管混凝土拱肋的脱空机理分析

1．2．3 钢管混凝土拱肋的脱空现象分类

1．2．4 脱空的危害

1．3 现有钢管混凝土拱桥病害检测技术

1．3．1 直接钻孔取芯法

1．3．2 超声波法

1．3．3 光纤传感监测

1．3．4 冲击回波法

1．3．5 其他检测方法

1．4 本论文的主要工作

第二章 瞬态冲击法及结构振动理论

2．1 瞬态冲击的原理

2．2 圆柱壳的振动理论

2．2．1 圆柱壳振动的基本方程

2．2．2 壳体振型的正交性

2．3 拱的振动原理

2．3．1 拱的平面振动原理

2．3．2 拱的空间振动理论

2．4 本章小结

第三章 空心钢管的振动特性研究

3．1 模态参数识别

3．1．1 模态识别方法概述

3．1．2 模态识别方法分类

3．1．3 模态分析在工程中的应用

3．2 空心钢管有限元分析理论基础

3．2．1 有限元法概述

3．2．2 实体单元与壳体单元

3．3 空心钢管的动力特性仿真分析

3．3．1 空心直钢管有限元分析

3．3．2 空心钢管拱有限元分析

3．3．3 对有限元分析中模拟薄壳结构的建议

3．4 空心直钢管的模态试验研究

3．4．1 空心钢管模型

3．4．2 固定敲击点，移动拾振点法

3．4．3 固定拾振点，移动敲击点法

3．4．4 针对薄壳圆柱形结构，建议改进的测试方法

3．4．5 模态试验结果分析

3．5 本章小结

第四章 钢管混凝土模型试验研究

4．1 模型试验测试系统简介

4．2 直钢管混凝土模型试验研究

4．2．1 预设脱空模型制作

4．2．2 模型试验测试过程

4．2．3 模型试验结果及分析

4．3 钢管混凝土拱模型试验研究

4．3．1 钢管混凝土拱模型制作

4．3．2 钢管混凝土拱测试流程

4．3．3 钢管混凝土拱测试结果及分析

4．4 本章小结

第五章 基于加速度谱能量的钢管混凝土脱空识别方法研究

5．1 加速度谱能量法原理

5．2 主要步骤概述

5．3 直钢管混凝土的脱空识别

5．3．1 测试过程

5．3．2 分析过程简述

5．3．3 识别结果

5．4．1 测试过程

5．4．2 分析过程简述

5．4．3 识别结果

5．5 本章小结

第六章 基于声振原理的钢管混凝土脱空模型试验研究

6．1 试验原理

6．2 模型试验过程

6．2．1 直钢管混凝土模型试验

6．2．2 钢管混凝土拱模型试验

6．3 直钢管混凝土模型试验结果及分析

6．4 钢管混凝土拱模型试验结果及分析

6．5 本章小结

第七章 结论和展望

7．1 主要结论

7．2 进一步研究工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间参加的科研项目及发表的论文