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基于红外热像的碳纤维混凝土损伤分析与研究

黄莉  
【摘要】:本论文的研究课题来源于国家自然科学基金重点项目——机敏混凝土及其 结构(项目编号:50238040)。 大型水坝、桥梁、核电站安全壳等重大混凝土工程的安全可靠性、耐久性 问题是涉及国家经济发展与国家安全的重大问题。而已有的混凝土大型结构和 基础设施的损伤积累和灾变行为日趋突出。因此,对重大混凝土工程结构进行 损伤监测与分析已成为土木工程领域中的重要研究课题之一。 本文提出了利用碳纤维混凝土的功能特性,对混凝土中的损伤进行红外检 测的方法,并从实验、理论、数值计算等多方面对检测机理、影响因素等进行 了分析。同时对将此方法应用于实时监测时所产生的力、电、热耦合问题进行 了一定的分析与研究。主要成果与创新之处如下: 1、利用碳纤维混凝土的功能特性,提出并设计了基于电热的碳纤维混凝土 红外热像检测方法,并通过实验研究证实了方法的可行性,检测结果显示只需 通低压电源就能使远离缺陷的正常部位温度升高1~2℃,而在缺陷附近的表面 处温度大幅度上升,因此比一般红外检测方法更利于缺陷的检出。同时,检测 结果也显示了检测与时间、材料组分、缺陷形态的相关性。 2、建立了碳纤维混凝土红外热像方法的瞬态热传导温度分析模型,研究分 析了材料组分及外部环境因素从材料电、热性能参数方面对检测的影响机理, 以及检测的主导机制:宏观缺陷的存在和缺陷局部微观特性导致的非均匀内热 源效应,并采用等效电阻串、并联模型对其进行了解释。 3、建立了基于碳纤维混凝土红外热像方法的碳纤维混凝土缺陷体电-热耦 合有限元分析模型,利用大型有限元软件Marc及自编用户子程序进行了数值计 算,将所得结果与实验结果进行模拟与比较,进一步验证了检测方法的可行性 和有限元数值模拟的有效性。同时,大量的数值结果分析显示了此种红外检测 方法的敏感因素,为具体检测方案的选择和优化提供了依据。 4、研究了利用格林函数法求解缺陷体电、热耦合问题温度场的方法。在分 析了不同缺陷情况下电场分布的基础上,利用瞬态热传导格林函数法求解得到 二维缺陷体温度场的近似理论解,编程计算的结果显示了所求温度分布与实测


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