基于声发射传感器的混凝土结构健康监测研究

摘要

目前，混凝土仍是土木工程领域用量最大的基础建筑材料，年用量高达50亿立方米。大型混凝土结构（如大坝、地基、高层建筑、桥梁等）投资大、服役时间长，经常在外部耦合因素的作用下，不可避免地会产生结构损伤，极端情况下可能引发灾难性事件的发生，带来严重的安全隐患。对现役的混凝土结构进行有效地监测，是业内同行公认解决问题的技术途径。本文研究了接收型声发射传感器，解决了现有监测传感器工作频率、声学性能等与混凝土材料不相容的问题；并研究了混凝土结构损伤破坏时声发射的特征参数，实现了混凝土结构实时在线监测。本论文的具体研究内容如下所示：
　　本文通过传感元件的切割处理使厚度机电耦合系数增加，增加了其工作带宽，拟合了谐振频率与传感元件厚度的关系，为制备谐振式的声发射传感器提供了理论依据。
　　通过水泥与氮化硅材料的复合及压制成型的方法制备出了声发射传感器的匹配层，制备的匹配层其声阻抗为11.3MRayl，充分满足了传感器用于混凝土结构监测时的声阻抗要求。
　　通过传感元件与匹配层相粘结方式，提高了耦合效果，通过匹配电荷放大器有效的提高了传感器的灵敏度，传感器的工作频率由原来的20-400kHz拓宽到了20-1000kHz，传感器的带宽得到了明显的拓宽，并具有较好的一致性；制备的传感器具有较高的精确度，通过断铅实验模拟缺陷源时，测得传感器线性定位的精确度在95％以上，可以对缺陷源进行准确定位。
　　确定了声发射技术监测混凝土时的参数设置，其中确定声发射监测混凝土时峰值鉴别时间确定为150us；波形鉴别时间确定为300us；波形闭锁时间确定为450us；声速确定为4250m/s；以及确定了声波在C30混凝土材料中的衰减曲线。
　　研究了外贴式与植入式传感器对混凝土损伤源的定位，发现声发射技术能够对损伤源进行线性定位以及三维定位，定位结果与实际情况十分吻合。
　　经过实验发现，声发射幅值、撞击数和能量变化，材料受力初期，幅值、撞击数和能量的变化率较大，急剧变化后表现出一个稳定期，最终产生破坏，表明混凝土材料的损伤一个不断累积的过程。
　　混凝土结构受力产生破坏时，声发射的参数存在明显的内在联系，声发射能量增大，撞击数增多。混凝土结构在损伤过程中，其声发射信号的优势频率是不断变化的，并且随着的力的加载的进行，信号的主频变大，混凝土材料断裂时，有两个明显的主频分别为9.4kHz和32.9kHz。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 声发射技术

1.3 传感器技术

1.4 国内外研究现状

1.5 主要研究内容

第二章 声发射传感器的制备及其性能研究

2.1 实验设备

2.2 实验原材料

2.3 传感元件的选择

2.4 匹配层的选择

2.5 背衬层的选择

2.6 传感器制备与标定

2.7 小结

第三章 素混凝土声发射损伤定位研究

3.1 实验设备

3.2 试样制备

3.3 声发射检测参数的确定

3.4 传感器外贴式定位测试

3.5 植入式传感器损伤源定位研究

3.6 小结

第四章 素混凝土声发射特征研究

4.1 实验设备

4.2 实验原材料

4.3 试件制备

4.4 试件加载

4.5 声发射特征参数分析

4.6 预制裂缝混凝土特征参数分析

4.7 小结

第五章 工程应用

5.1 工程概况

5.2 桥梁受力分析

5.3 桥梁的应力分析

5.4 桥梁的挠度分析

5.5 结果分析

5.6 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

附录