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基于PZT阻抗技术的结构损伤识别研究

余璟  
【摘要】:地震、水灾、风灾、火灾等自然灾害的频发使土木工程结构不可避免地产生损伤。若结构关键部位的早期损伤未能及时发现而继续发展并积累到一定程度,可能会导致整个结构的突发性失效,给人民的生命和财产造成灾难。因此,实时监测结构的健康状况,准确识别初始微小损伤具有重要的理论和应用价值。 本文在国家杰出青年科学基金项目(No.50925828)《结构健康监测与振动控制》和国家自然科学基金面上项目(No.50778077)《基于PZT监测信号的混凝土微小损伤识别及其损伤演化研究》的资助下,基于压电陶瓷PZT的耦合机电阻抗对微小裂纹敏感的特点,运用自制表面粘贴PZT传感器和植入式PZT传感器,针对土木工程的几种常见材料的锈蚀、疲劳微裂纹、保护层脱落等损伤进行损伤检测研究,综合应用理论分析、数值模拟、试验验证等手段在以下几方面展开工作并取得了一定成果: 1.探寻了温度因素对基于PZT传感器的损伤检测的影响,并采用合适的温度补偿方法减小了因温度变化带来的不利影响。分别对PZT-钢梁体系和PZT-水泥基体系在不同温度工况下的测量导纳信号进行了对比分析,找出两种体系受温度影响的信号变化规律。针对它们受温度影响显现出的不同的信号变化规律,选用了两种温度补偿方法进行温度补偿,显著抑制了测量导纳信号因温度变化导致的曲线偏移,能有效避免对结构健康状态的误判,达到了温度补偿的目的。 2.探索了PZT传感器对于钢梁锈蚀损伤的敏感性和监测锈蚀发展的适用性。采用人工模拟海洋环境加速局部锈蚀的方法,运用3个自制表面粘贴PZT传感器对钢梁的局部锈蚀状态进行为期五个半月的锈蚀发展过程监测试验。分析测量导纳信号,发现导纳曲线随锈蚀天数的增加规律性左移。通过定义谐振频率偏移率指标SRMSD,分析了PZT传感器的SRMSD与锈蚀时间的关系。结果表明表面粘贴PZT传感器对钢梁锈蚀损伤敏感,能够识别和监测锈蚀发展过程,可以用于钢构件的锈蚀监测。 3.对比研究了表面粘贴PZT传感器与植入式PZT传感器对钢筋混凝土梁的损伤检测效果。首先,运用有限元分析软件对植入单个PZT传感器的混凝土梁在无损和发生不同程度损伤的各种工况下的损伤识别过程进行模拟;用分布式多个植入式PZT传感器对混凝土梁中的裂纹定位过程进行模拟;运用损伤指标对表面粘贴PZT传感器与植入式PZT传感器的损伤检测效果进行对比。其次,制作了防水防外力破坏的植入式PZT传感器,对其稳定性进行了检验。最后,运用自制植入式PZT传感器与表面粘贴PZT传感器,展开了钢筋混凝土梁在低频冲击下产生疲劳损伤与保护层不同程度脱落的损伤检测试验,验证和比较了两种PZT传感器的损伤检测效果,进一步分析了损伤指标与损伤程度的关系和损伤指标与损伤到传感器的距离的关系。结果表明表面粘贴和植入式PZT传感器均能有效识别不同程度的钢筋混凝土梁疲劳损伤和保护层脱落损伤,均对近场损伤敏感,对远场损伤不敏感。但是,对同等程度损伤,表面粘贴PZT传感器比植入式PZT传感器敏感,但植入式PZT传感器比表面粘贴PZT传感器的性能更为稳定。


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