基于尾波干涉技术的混凝土应力测量方法研究

摘要

混凝土结构的应力是反映结构状况重要的指标之一。目前，由于缺乏直接的应力检测技术，在工程中一般通过测量应变后通过一定的本构关系，如胡克定律，来换算应力。其结果往往与混凝土结构中真实应力有一定的偏差。因此，可靠的应力测量手段的研究和开发对结构性能准确评估具有重要意义。尾波干涉技术是一种全新的技术，能够检测小扰动引起的尾波波速变化。由于混凝土是一种复杂的多相介质，超声波在混凝土中传播的尾波发育比在其他介质中更加明显，将超声尾波干涉技术应用到混凝土领域具有很广阔的前景。本文基于尾波干涉技术，进行混凝土结构应力测量方法的研究。本文的主要工作包括以下内容:
　　(1)分析了影响混凝土内超声波传播的机理及主要影响因素，认为在应力作用下，基体保持弹性，导致超声尾波波速的变化的主要因素是微裂纹的闭合和扩展。将混凝土视为包含随机分布、具有相同形状的微裂纹的各向同性体，建立未加载时的波速模型。
　　(2)考虑裂纹的存在对波速的影响，建立了一组平行微裂纹对混凝土内波速影响的模型。在此基础上，将原生微裂纹的闭合体积变形引起的声速改变与水平裂纹引起的声速改变相等效;而将微裂纹扩展体积变形引起的声速改变与垂直裂纹引起的声速改变相等效，从而建立了超声尾波波速与应力之间关系的理论模型。
　　(3)通过试验研究了超声尾波在混凝土中的传播规律，并在分级加载的条件下，对尾波干涉分析方法计算的波速与应力的关系进行标定。结果表明，声源频率越高，尾波越发育，波形持续时间越长;当接收探头布置在侧面时，从顶面发射信号的尾波比在对侧面发射更发育。运用最小二乘法拟合出了理论模型中的相关参数，得到了超声尾波波速与应力之间关系的具体表达式。结果表明，建立的理论模型能够很好地解释超声尾波波速随着应力的变化规律。在裂纹闭合阶段，轴向波速明显增大，而横向波速变化微弱;在裂纹扩展阶段，轴向波速减小幅度微弱，而横向波速剧烈下降。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 混凝土应力检测方法

1．2．2 基于弹性波理论的混凝土无损检测技术

1．2．3 混凝土声-应力相关性研究现状

1．2．4 尾波干涉研究现状

1．2．5 研究现状总结

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 尾波干涉的原理及分析方法

2．1 混凝土中的超声尾波

2．1．1 混凝土中的多重散射现象

2．1．2 尾波的形成机理

2．2 尾波干涉原理

2．3 尾波干涉分析方法

2．3．1 移动窗法

2．3．2 波形伸缩法

2．3．3 两种分析方法的总结

3 混凝土内声波波速与应力相关性研究

3．1 混凝土材料声波传播速度的影响因素

3．1．1 孔隙度和孔隙形状对混凝土中声波波速的影响

3．1．2 粗骨料对混凝土中声波波速的影响

3．1．3 温度和湿度对混凝土中声波波速的影响

3．1．4 水灰比及水泥用量对混凝土中声波波速的影响

3．2 混凝土中微裂纹对声波传播的影响

3．2．1 混凝土中的微裂纹

3．2．2 微裂纹对声波波速的影响

3．3 混凝土内声波波速与应力相关性模型

3．3．1 未加载时声波在含微裂纹的混凝土内的波速

3．3．2 单轴应力作用下的变形分析

3．3．3 单轴加载条件下混凝土的声学特性

3．3．4 声-应力相关性理论模型的简化

4 混凝土尾波干涉测应力试验研究

4．1 影响尾波测试速度灵敏度的因素

4．2 试验设备及参数

4．3 试验准备

4．3．1 试件制作

4．3．2 耦合剂的选择及传感器的固定

4．3．3 信噪比

4．3．4 相关参数的设定

4．4 尾波发育规律

4．4．1 不同频率的声信号的尾波的发育规律

4．4．2 探头处于不同位置时尾波发育规律

4．5 应力标定的尾波干涉测试

4．5．1 试件强度的确定

4．5．2 分级加载条件下的尾波测试

4．5．3 试验数据处理及分析

4．6 应力与超声尾波速度相关性理论模型的参数拟合

4．6．1 参数拟合

4．6．2 拟合效果评价

4．7 实际工程应用技术方法

5 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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