基于智能材料的混凝土结构健康监测实验及数值模拟研究

摘要

钢筋混凝土梁的裂缝是造成许多工程事故的主要原因，裂缝的产生原因多是梁体在高强度外荷载、疲劳荷载和次应力等种种因素下产生。裂缝的会使空气和水分进入钢筋混凝土内部，腐蚀钢筋，使之发生锈胀从而破坏梁体受力性，服役的钢筋混凝土桥梁的疲劳耐久性会大打折扣，造成坍塌事故的几率增大。所以对于混凝土梁的裂缝监测显得十分重要。目前一种由纤维制成的复合材料，也被称为FRP，可以成为钢筋混凝土结构的替代材料。由于玻璃钢材料具有无磁性和抗腐蚀性，因此使用玻璃钢可以避免电磁干扰和腐蚀问题。FRP材料的抗拉强度高、质量轻、耐腐蚀、抗疲劳、抗磁性、电绝缘性、徐变小、低弹性模量等性质，使得FRP筋混凝土结构正在被越来越多地应用到土木工程中。 (1)本文首先研究了以FRP材料为主筋的混凝土梁在荷载作用下抗弯段生成裂缝位置、深度的特点，并以压电陶瓷智能骨料作为监测工具对其进行实时裂缝监测，研究该裂缝监测方法的可行性。以FRP筋为主筋的混凝土梁和普通钢筋为主筋的混凝土梁为研究对象，在梁的设计抗弯段两端埋入基于压电陶瓷材料制作而成智能骨料。利用压电材料同时具有压电和逆压电效应的特点，两对智能骨料，一对作为驱动器，另一对作为传感器，分别埋置不同深度，施加外加静力荷载，在不同工况下给予驱动器一个扫频激励信号，从传感器采集接受信号。分析接受信号的小波包能量和损伤指标，对比试验中观察到的各个混凝土梁的裂缝出现位置和深度，结果表明:在裂缝出现时，接收到的小波包能量会大幅小将，且损伤指标上升。说明基于压电陶瓷的混凝土梁裂缝监测方法可以有效的监测裂缝的出现。 (2)为了更加深入的研究基于压电陶瓷的混凝土梁裂缝监测，本文利用ABAQUS有限元软件对裂缝监测实验进行了数值模拟分析，以探索混凝土梁抗弯段出现裂缝时，裂缝的宽度、深度（深度）、数量的变化对预先埋置的传感器接受到的信号的能量和损伤指标的影响。通过设计各种条件变量来达到控制单一裂缝变量对信号的影响。通过计算结果可以看出，裂缝的深度和数量是影响信号能量较大的两个因素，而在确定深度和数量时，裂缝的宽度影响较小。且模拟试验中发现传感器埋置的高度可以有效的监测裂缝深度。该数值模拟实验给基于压电陶瓷的混凝土梁裂缝监测方法提供了较好理论基础。 (3)最后，本文研究了基于压电陶瓷的预应力波纹管压浆密实性监测的方法。预应力波纹管压浆技术作为预应力混凝土桥梁施工过程中的关键工序之一，由于孔道堵塞、压浆方法不当、水泥浆膨胀率和稠度指标控制不好、以及压浆浆体流动度和泌水率未达到设计要求等问题，不可避免造成预应力孔道压浆不密实，甚至出现孔洞等现象。本文设计波纹管灌浆模拟实验，在设计混凝土灌浆实验中的波纹管上下外侧分别埋置压电陶瓷片作为接收器，波纹管中央固定智能骨料作为驱动器作为驱动器，通过观察灌浆程度为0％、50％、90％、100％时两个传感器信号幅值强度差异来评估波纹管灌浆状态。进而使用ANSYS有限元分析软件建立该实验的二维仿真模型，来研究波纹管不同灌浆程度下应力波的传播路径。在灌浆为0％、50％及90％灌浆状态下，波纹管上部的压电陶瓷传感器接受的信号远小于下部驱动器接收的信号幅值，灌浆为100％时两个传感器接受信号幅值相吻合，通过观察二维有限元模型的的位移云图，可以发现，在波纹管未完全灌浆时，有智能骨料发出的应力波并不能完全传播到波纹管上部，且在关键节点的唯一信号随着应力波传播的路径及距离改变，位移幅值随之变化。结果证明该方法能有效监测预应力波纹管的密实性。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1文章的研究背景及意义

1．1．1混凝土构件裂缝监测

1．1．2预应力孔道波纹管压浆密实性监测

1．2基于压电陶瓷的健康监测技术

1．3基于压电陶瓷的健康监测信号分析处理技术

1．4健康监测数值模拟的意义

1．5本文研究内容

第二章基于压电陶瓷的FRP筋混凝土梁开裂监测试验

2．1引言

2．2埋入式压电陶瓷智能骨料传感器

2．3基于能量的波动法监测

2．4基于压电智能骨料的混凝土梁裂缝监测

2．4．1实验试件设计

2．4．2试件的制作

2．4．3基于压电智能骨料的混凝土梁裂缝监测

2．5试件极限抗弯承载力结果

2．6实验采集时域信号分析

2．7实验小波包能量和损伤指标分析

2．8本章小结

第三章基于压电陶瓷的混凝土梁裂缝监测数值模拟研究

3．1引言

3．2数值模拟计算过程

3．2．1混凝土梁裂缝监测模型

3．2．2应力波在混凝土中的波动方程

3．3基于压电陶瓷的混凝土裂缝监测有限元模型

3．3．1试件模型的建立

3．3．2模型参数的设定

3．4数值模拟方案设计

3．5数值模拟结果分析

3．5．1时域信号结果分析

3．5．2小波包能量和损伤指标结果

3．6裂缝对应力波传播影响理论研究

3．6．1裂缝宽度的影响

3．6．2裂缝长度的影响

3．6．2裂缝数量的影响

3．7本章小结

第四章基于压电陶瓷的波纹管压浆密实性监测的数值分析

4．1引言

4．2研究背景

4．3有限元模型

4．4试验验证

4．5试验结果

4．6数值模拟分析的深入研究

4．7本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录