基于压电陶瓷的钢管混凝土组合结构界面损伤监测研究

摘要

钢管混凝土组合结构以其承载力高、抗震性能优越、延性好等诸多优良的性能，在高层及超高层建筑结构、桥梁结构及工业厂房中被广泛地采用。在实际工程施工过程中，由于钢管内部横隔板、水化热、混凝土的收缩徐变等各方面的影响，都可能使钢管内壁与混凝土粘结界面出现界面剥离损伤，从而影响钢管与混凝土共同协作能力，进而降低钢管混凝土组合结构的承载力与变形能力等性能，对其粘结状况进行监测十分具有实际意义。然而，钢管混凝土组合结构界面剥离损伤不易察觉，传统无损检测手段无法有效适用，使得检测十分棘手。本文在前人对基于压电智能材料结构健康监测与研究的背景下，进一步研究基于波动分析法的钢管混凝土组合结构界面剥离损伤监测的方法，在实验室设计一组分离式界面剥离损伤构件，并对其损伤进行识别，最后将实验室比例模型试验研究成果的基础上，开展了工程应用。具体工作如下：
　　（1）详细地介绍了用于钢管混凝土构件界面剥离缺陷检测的压电功能元的制作与封装流程，对压电监测系统进行了动态和静态性能测试，并对压电功能元进行了标定。结果表明：该健康监测系统具有良好的动态与静态性能，标定后的压电功能元为后续的试验研究奠定了基础。
　　（2）在实验室设计并制作了一组分离式界面剥离损伤钢管混凝土组合结构，将嵌入式压电功能元与外贴式压电陶瓷片安装在设计位置，共同组成健康监测系统的换能器对，利用波动分析法对预设的不同厚度与不同大的界面剥离类型损伤进行了识别。对输出信号进行了基于正弦信号的频域幅值、基于稳态正弦扫频信号的小波包能量及其能量谱、基于脉冲信号的传递函数研究，并提出了基于特征参量的损伤指标。结果表明：所采用的方法可以有效地识别出两种类型的损伤，证明了基于压电陶瓷的波动分析法对钢管混凝土构件界面剥离损伤识别方法可行而且有效。
　　（3）基于稳态正弦扫频信号的小波包能量及其能量谱损伤判定方法，利用波动分析法对一实际超高层建筑进行了现场足尺比例的钢管混凝土框架柱界面性能监测。结果表明：该柱的小波包能量稳定，其能量离差系数在规定的范围内；其小波包能量谱差异值也较小，表明该钢管混凝土框架柱未出现明显的剥离损伤。

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第1章 绪论

1.1选题背景及其意义

1.2智能材料与结构

1.3结构健康监测在土木工程的应用

1.4基于压电陶瓷的结构健康监测技术

1.5钢管混凝土组合结构

1.6本文主要研究内容

第2章 压电传感器制作及性能测试

2.1压电材料

2.2压电换能器与主体结构的结合方式

2.3压电功能元的制作

2.4压电智能监测系统的性能测试

2.5压电功能元的标定

2.6本章小结

第3章 波动法中常见的信号及处理方法

3.1信号选取及预处理

3.2信号分析方法

3.3本章小结

第4章 基于波动测量的钢管混凝土试件界面剥离损伤监测研究

4.1前言

4.2试验目的

4.3试验准备

4.4界面剥离缺陷损伤识别

4.5本章小结

第5章 基于波动测量法的钢管混凝土组合结构评估方法的工程应用

5.1前言

5.2工程概述

5.3压电功能元及压电陶瓷片的布置与安装

5.4监测系统与监测工况

5.5监测结果分析

5.6本章小结

结论与展望

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）