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压电混凝土基础设施健康安全主动监测技术的基础研究

郑拯宇  
【摘要】: 随着国民经济的飞速发展和西部大开发的进行,基础设施的建设取得了巨大成就。道路桥梁在西部的不断拓展,出现了大型复杂边坡以及形式与功能的日趋复杂化的大跨度桥梁设计。边坡、桥梁监测这项技术更成为国内外学术界、工程界的研究焦点。但是由于目前监测手段的不足,重大事故还是频频发生。 本硕士学位论文来源于重庆市“十五”攻关项目《压电式基础设施健康安全主动监测技术》,这是一种具有实时、在线、无损、分布式特性的监测技术,其目的在于为基础设施工程结构监测提供一种崭新的,而又切实可行、可靠的工程方法和仪器系统。我们在进行该项课题研究过程中,根据压电陶瓷片在混凝土中实际工况,结合实验提出了本学位论文的研究题目、内容及思路,是面向应用的基础理论与实验相结合的课题。 论文涉及了力学、声学、压电传感技术等多种专业学科的知识,通过前期理论探讨,以求证压电无损检测技术在混凝土基础设施中应用的可行性。 在压电陶瓷无损监测技术研究中,压电陶瓷传感器振动行为分析是关键环节之一。本文着重研究了在混凝土约束条件下压电陶瓷片的样本模型,在此基础上通过理论探讨和实验现象分析,认为埋置于混凝土中的压电陶瓷片是符合弹性力学中克希霍夫有关薄板理论的假设,是属于薄板振动问题,并确定了其边界约束条件。而后采用一种简单的附加荷载法,即认为压电陶瓷层对薄圆板的激励可以视为一均布周期激振力作用于周边固定的薄铜片上,迫使其作周期性振动,较好地解决了此类压电陶瓷片的压电耦合问题。同时,通过对大型通用有限元软件ANSYS6.1的研究,找到了其单元库中可以处理压电场与结构场三维空间耦合的SOLIDE5单元,并试图利用大型通用有限元分析软件ANSYS对简化了的在混凝土约束条件下压电陶瓷的压电耦合变形进行模拟分析,为今后进一步研究压电陶瓷在混凝土的声发射和声接收技术以及混凝土基础设施状态监测方面打下基础。 在定性方面,根据混凝土中声波传输的能耗以及混凝土中裂缝对振幅和相位影响,本文提出了一种相位振幅分析法。试图利用这种方法,对埋置于混凝土中的压电陶瓷片的声发射和声接收波谱进行分析,定性地确定混凝土内裂缝发展情况,以初步实现压电混凝土基础设施健康安全主动监测。并阐述了与压电陶瓷监测技术相关的两个问题(即声耦合问题和采用何种声场问题)。


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