基于嵌入式压电陶瓷的钢筋混凝土框架边节点损伤监测研究

摘要

节点作为梁、柱连接的枢纽，是钢筋混凝土框架结构种至关重要的部分。在地震荷载作用下，节点核心区域所承受的水平及竖向荷载往往大于与其相连的梁、柱构件。保证梁、柱构件能够充分发挥各自的材料强度是节点应具有的功能。随着城市建设的蓬勃发展，工程上对高强混凝土的需求也越来越大，高强混凝土的使用使结构构件的截面尺寸减小，从而导致节点成为比与梁、柱构件更薄弱的区域。上世纪六十年代以来，世界各地的地震调查表明，节点的失效是引起结构破坏及加剧震害的主要因素之一。所以，在结构防灾减灾中，如何了解节点在使用过程中的损伤状态是值得关注的重要问题。
　　 本文进行了7个钢筋混凝土框架边节点的往复荷载试验，并对其损伤演化过程进行监测研究，主要包括以下内容:
　　 (1)基于压电陶瓷材料的特性以及国内外研究者有关“智能骨料”的研究成果，对一种新型传感器“压电功能元”进行了详细介绍。压电功能元既保留了压电陶瓷材料的特性，又较好地解决了压电陶瓷片在与结构或结构构件相结合时所出现的各种应用问题。
　　 (2)进行了不同破坏模式下7个钢筋混凝土边节点构件的往复荷载试验，对构件在不同加载级、不同加载循环下的损伤发展情况进行了监测。结果表明:基于压电功能元的健康监测技术可对钢筋混凝土结构的损伤进行有效识别。
　　 (3)正弦简谐信号及扫频信号作为激励信号，对构件进行内部主动激励。分别通过信号在波幅和能量上的变化对边节点的损伤情况进行评价。结果表明:信号幅值和能量对损伤具有敏感性，损伤的出现使响应信号的幅值和能量均出现衰减现象，且衰减幅度随损伤的发展而增大;根据压电功能元位置的合理布置识别出了构件不同部位损伤程度的差异。
　　 (4)通过外部激励的方式给予钢筋混凝土边节点构件脉冲信号激励，通过频响函数的信号分析方法并引进均方根指标作为特性参数对损伤进行识别。结果表明:损伤的出现使频响函数峰值发生改变，峰值对应频率发生偏移，且偏移量随损伤的加深而呈增大趋势;均方根指标的变化可以反映构件在加载过程中损伤的发展及演化情况。
　　 (5)将损伤监测结果与裂缝损伤情况进行了对比，对比结果表明:监测结果与构件损伤实际情况相符，所采用的方法能够有效反映损伤的发展情况，可用于钢筋混凝土结构的健康监测。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 结构健康监测

1．3 智能材料

1．3．1 智能材料的分类

1．3．2 智能混凝土结构

1．4 压电智能材料

1．4．1 压电材料

1．4．2 压电效应

1．4．3 压电方程

1．4．4 压电材料主要性能参数

1．5 基于压电陶瓷的健康监测

1．5．1 主动健康监测

1．5．2 被动健康监测

1．6 本文主要研究内容

第2章 基于波动分析的损伤监测原理及试验设计

2．1 引言

2．2 基于波动分析的损伤监测原理

2．3 基于波动分析的损伤监测方法

2．3．1 时差分析法

2．3．2 时域分析法

2．3．3 频域分析法

2．4 实验准备

2．4．1 压电陶瓷片的选取

2．4．2 压电功能元的制作及安装

2．5 试验设计

2．5．1 试验目的

2．5．2 试件配筋情况

2．5．3 试验监测方案及监测系统

2．6 钢筋混凝土边节点试验加载装置及加载方案

2．6．1 试验加载装置及设备

2．6．2 试验加载方案

2．7 试验滞回曲线概况

2．8 本章小结

第3章 嵌入式压电功能元激励的损伤监测

3．1 引言

3．2 基于能量的波动分析

3．3 小波包能量理论

3．3．1 小波分析及小波包分析

3．3．2 小波包能量

3．4 激励信号选择及滤波

3．4．1 激励信号选择

3．4．2 激励信号频率选择

3．4．3 信号滤波处理

3．5 简谐信号激励下的损伤分析

3．5．1 裂缝产生的识别

3．5．2 不同部位损伤程度差异的监测

3．5．3 同一荷载等级不同加载循环损伤程度差异的监测

3．5．4 不同荷载等级下损伤发展的监测

3．6 扫频信号激励下的损伤分析

3．7 本章小结

第4章 基于频响函数的损伤监测

4．1 引言

4．2 频响函数

4．2．1 瞬态激励下的频响函数

4．2．2 单点激励的频响函数

4．2．3 单次冲击激励的频响函数

4．3 基于频响函数的损伤监测结果

4．3．1 节点斜拉破坏下的损伤监测

4．3．2 梁端弯曲破坏下的损伤监测

4．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢