利用压电导波的钢管混凝土构件界面损伤识别试验研究

• 作 者: 林姣昀
• 出 处: 沈阳建筑大学
• 发表日期: 2020年05期
• 关键词: 压电陶瓷 超声导波 钢管混凝土 时间反转法

近几年,钢管混凝土结构被广泛地应用在土木工程结构中。将混凝土灌注在钢管中提高了整个结构构件的承载能力、施工便捷并且降低了造价,在全世界的建筑和基础设施中发展起到了至关重要的作用。然而,由于施工管理不当以及钢管和混凝土材料自身的缺陷,钢管混凝土构件经常会出现裂缝、脱空、剥离等缺陷,导致整个建筑结构性能下降。当结构构件无法满足承载力要求时,会给人们的生活带来很大的安全隐患,不仅会带来巨大的财产损失,而且会造成人员伤亡。因此,对钢管混凝土构件进行结构健康监测是必不可少的。压电超声导波技术是结构健康监测领域的主要技术手段之一,该技术属于无损检测。压电陶瓷(如锆钛酸铅)是一种典型的智能材料,具有质量轻、造价低廉、灵敏度高、易粘附在结构表面等特点,此外,在结构健康监测中,既可以做作动器又可以作传感器,提高了工作效率。压电超声导波技术在结构健康监测中已有广泛的应用。本文采用理论分析、有限元模拟以及试验验证相结合的方法,提出一种基于压电超声导波对钢管混凝土结构剥离损伤进行识别的方法,包括数值模拟分析和试验验证两部分内容。首先,对超声导波在钢管混凝土界面传播特点进行了理论上的研究。由于导波具有频散特性以及多模态性,在传播的过程中,导波会发生叠加进而给信号分析造成一定的困难。因此,根据频散曲线,选择合适的激励频率对于试验结果起着至关重要的作用。其次,利用有限元软件ABAQUS对健康构件以及带有界面损伤的钢管混凝土构件分别进行了数值模拟。为了探究数值模拟对损伤程度和损伤位置识别的可行性,通过改变剥离损伤的大小和位置,可以从提取信号中得到幅值的改变量以及传播时间。然后,对利用压电超声导波的钢管混凝土构件的损伤识别进行了试验验证。激励信号选择用Hanning窗口调制好的5周期正弦叠加信号,建立一套试验操作平台,在激发端,利用压电陶瓷元件激励检测信号,在接收端,利用压电陶瓷元件采集信号。本研究采用了能量法和时间反转法对结构剥离损伤进行识别,分析了这两种方法的可行性并且比较了不同方法的适用性。最后,给出了研究的主要结论、创新点摘要与未来需要进一步开展的工作。