混凝土损伤的超声、声发射和光纤传感器试验研究

摘要

混凝土是一种非均质、多相材料，其损伤过程是一个由原生裂隙到微裂缝扩展，出现宏观裂缝，裂缝进一步发展，丧失承载力即破坏的连续过程。从混凝土损伤力学的角度讨论，损伤是作为一个劣化因子来表示混凝土受到损伤的程度，即引入了损伤变量－损伤因子这一参数，来描述材料的损伤过程。在理论分析的基础上，本文结合混凝土强度与结构设计的基本原理，以超声检测为手段，并利用推导的门槛损伤因子和临界损伤因子，对所建模型进行了应用试验，并分析、讨论了混凝土早期受损对后期强度的影响，得到了早期不同受损程度的混凝土后期强度的不同发展状况。根据混凝土材料在损伤过程中不同阶段的声发射特征，推导了AE参数与损伤参量D之间的关系，证明了声发射与混凝土力学过程之间有密切的关系。并通过实验验证了用声发射参数与损伤参量D之间关系的正确性。同时，将混凝土受力损伤过程分为三个阶段，计算了这三个阶段损伤参量的范围，描述了混凝土损伤的状况。声发射是材料内部破坏引起的，了解材料的声发射特性，就能了解材料的损伤过程。对混凝土断裂损伤性能影响的因素很多，其中切口相对深度和材料的种类对混凝土试件的损伤断裂特性和脆性程度具有明显影响。笔者采用声发射的方法并以上述声发射模型为基础，通过研究混凝土试件受力过程中的声发射特征以及其力学特性，分析并讨论了这些因素的影响程度。对于声发射来说，混凝土每一种破坏机制引发的声发射信号是不同的。可以观察所发生的声发射信号的幅度变化范围、持续时间、上升时间、振铃数以及能量来区分。本文根据不同声发射信号特性间的差异探讨了砂浆试件、素混凝土试件和纤维混凝土在三点弯曲负荷下损伤断裂全过程中的破坏机制。混凝土材料在受力过程中的变形和应变状况非常重要。本文基于马赫－曾德尔干涉原理，将一种新型全光纤传感系统应用于混凝土梁的三点弯曲实验中，分析了加载过程中，混凝土的应力－应变与损伤破坏情况，讨论了混凝土不同切口深度对应力－应变和损伤状况的影响。同时,本章还介绍了这一新型光纤传感系统对上海卢浦大桥健康检测的实验情况。关键词 混凝土， 损伤， 超声， 声发射, 光纤传感器

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第一章 绪论

1.1混凝土损伤检测主要技术的历史与发展

1.1.1超声检测技术的应用与发展

1.1.2声发射技术的应用与发展

1.1.3光纤传感器在土木工程中的应用

1.2混凝土损伤的理论概述

1.2.1断裂力学在混凝士损伤中的研究历史与现状

1.2.2损伤力学在混凝土损伤中的研究历史与现状

1.3课题提出及其主要内容

1.3.1超声检测对混凝土损伤的研究

1.3.2声发射技术对混凝土损伤的研究

1.3.3光纤传感器对混凝土损伤的研究

1.4小结

第二章 混凝土损伤的超声检测

2.1混凝土损伤的检测原理

2.2混凝土损伤的超声学模型

2.2.1损伤因子D的演化推导

2.2.2损伤门槛因子与损伤临界因子的推导

2.3混凝土损伤模型的超声试验研究

2.3.1原材料与试件制备

2.3.2试验系统

2.3.3试验方法与结果

2.3.4结果分析与结论

2.4混凝土早期受损后期强度的神经网络分析

2.5本章小结

第三章 声发射技术对混凝土损伤的研究

3.1声发射技术的理论基础

3.2混凝土损伤的声发射模型

3.3混凝土损伤的声发射应用试验研究

3.3.1原材料与试件制备

3.3.2试验系统

3.3.3试验方法与结果分析

3.4本章小结

第四章 声发射技术对混凝土损伤的应用试验

4.1概述

4.2不同切口深度与不同材料种类的混凝土声发射特征

4.2.1原材料与试件制备

4.2.2试验系统与方法

4.2.3试验结果与分析

4.2.4结论

4.3不同最大集料尺寸混凝土的声发射特征

4.3.1原材料与试件制备

4.3.2试验系统与方法

4.3.3试验结果与分析

4.3.4结论

4.4混凝土不同破坏机理的试验研究

4.4.1原材料与试件制备

4.4.2试验系统与方法

4.4.3试验结果与分析

4.5混凝土材料的破坏机制分析

4.6本章小结

第五章 光纤传感器对混凝土损伤的试验研究

5.1概述

5.2光纤应变传感器系统的测试原理

5.3原材料与试件制备

5.4试验系统

5.5试验方法

5.6试验结果与分析

5.6.1混凝土试件的应力与损伤过程分析

5.6.2混凝土试件的应变与损伤参量的关系分析

5.7结论

5.8光纤传感器系统在卢浦大桥健康监测中的实验应用

5.9本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献