基于压电陶瓷的钢管混凝土剖柱的损伤监测研究

摘要

钢管混凝土结构凭借其力学性能优越、施工速度快，耗材少等优点在超高层及大跨度桥梁结构中应用日益广泛。钢管与其核心混凝土界面的有效约束是构件发挥其力学性能优势的关键，钢管内壁与核心混凝土的界面剥离将消弱约束效应进而对构件的承载力和延性等力学性能带来负面的影响。因此，对钢管内壁与核心混凝土的界面粘结状况进行损伤监测和评估显得尤为重要。但是，由于界面剥离损伤的不可见性，我国目前超声波检测混凝土质量缺陷规程中没有针对界面剥离提出相应的检测方法。
　　为排除应力波的直接沿着钢管外壁传播的干扰，本文设计了钢管混凝土剖柱，并提出了一种基于压电陶瓷波动分析法的钢管混凝土剖柱的界面剥离损伤监测方法，并且将该方法应用于钢管混凝土圆柱构件的性能检测。其具体工作包括以下几个方面:
　　(1)针对压电陶瓷的特性详细介绍了压电功能元的制作工艺，并对其进行静态和动态性能的试验研究及标定试验。结果表明该试验系统具有良好的静态和动态响应特性，动态线性度好。
　　(2)设计了一根带界面剥离损伤的钢管凝土剖柱的构件模型，在模型中埋入嵌入式压电功能元作为驱动器和传感器。分析主动不同激励信号下的测量信号，针对正弦信号、扫频信号下的小波包能量等特征参量定义了相应的损伤指标。结果表明，提出基于压电测量信号的损伤指标有效地识别了钢管混凝土剖柱构件的界面剥离损伤。
　　(3)提出了基于波动法的频响函数损伤判定方法，通过力锤激励产生脉冲信号，外贴的压电功能元作为传感器。通过对压电陶瓷监测的波动信号在合适的频段上的频响函数分析实现了钢管混凝土剖柱构件的界面剥离损伤监测。
　　(4)在小波包分析和频响函数分析的界面剥离损伤判定方法的基础之上，利用波动法对带自然界面剥离缺陷和人工模拟界面剥离的钢管混凝土圆柱进行监测，进一步验证了基于压电材料测量的钢管混凝土结构界面剥离损伤的可行性和敏感性。

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第1章 绪论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 智能材料

1.3 压电材料

1.4 结构健康监测与损伤识别

1.5 基于压电陶瓷的结构健康监测

1.6 应力波在固体媒介中的衰减

1.7 钢管混凝土结构及其应用

1.8 主要研究内容

第2章 压电功能元的制作与主动监测系统性能测试

2.1 引言

2.2 压电功能元的制作

2.3 压电功能元的性能测试及标定

2.4 本章小结

第3章 基于压电驱动的钢管混凝土剖柱损伤监测

3.1 引言

3.2 试验目的

3.3 试件设计

3.4 钢管混凝土剖柱损伤监测试验

3.5 本章小结

第4章 基于力锤激励的钢管混凝土剖柱频响函数分析

4.1 引言

4.2 基于脉冲信号的频响函数分析理论

4.3 基于钢管混凝土剖柱的频响函数的损伤监测

4.4 本章小结

第5章 基于外贴压电材料的钢管混凝土界面缺陷监测

5.1 引言

5.2 试验目的

5.3 钢管混凝土柱

5.4 基于小波包分析的人工模拟界面缺陷损伤监测

5.5 基于频响函数分析的测量结果

5.6 结论

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）