基于加速度传感器的混凝土结构健康监测研究

发布时间：2017-10-02 02:10

  本文关键词：基于加速度传感器的混凝土结构健康监测研究

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【摘要】：近年来,随着社会经济的高、快速发展和施工技术的进步,兴建了诸如水利大坝、高层建筑、道路桥梁等一系列单体工程或具有综合使用功能的大型土木工程结构,大大推动了人类社会进步和发展。然而这些大型土木工程结构在其服役期间,由于忽略了对这些结构的周期性的损伤检测或实时、在线的健康监测,导致部分土木工程结构因其自身的损伤累积和抵抗力的衰减而发生破坏,从而引发突发性灾难事故。因此,采用基于智能传感器系统和数据采集分析系统对土木工程结构进行实时的长期在线健康监测/检测,在灾害降临前预警显得越发重要。压电陶瓷作为一种具有正逆压电效应的功能陶瓷,其具有快速响应的传感特性和激励功率小的驱动特性,同时线性度好、能耗与成本低、组合灵活以及易于加工设计的诸多优点在土木工程领域得到了广泛的研究和应用。依据压电敏感元件的传感特性所制备的压电式加速度传感器是土木工程领域结构损伤监/检测领域中的及其重要一环,其自1840年出现至今在混凝土结构健康监测/检测领域发挥着无可替代的作用。基于以上背景本文针对现有压电加速度传感器金属封装与混凝土耦合性差、防水性及耐久性差等问题,以PZT-5压电陶瓷、水泥/聚合物、钨质量块等为原材料制备了一种整体结构稳定适用于植入混凝土结构内部同时不改变混凝土局部承力特性的植入式压电加速度传感器,具体研究工作如下所示:(1)基于本实验室已有理论对植入式压电加速度计的结构进行设计,同时针对混凝土结构低频振动特点,以PZT-5型压电陶瓷为传感元件,钨块作为附加质量块,水泥/聚合物的混合物作为基座和封装材料制备了一种植入式压电加速度传感器。探讨了加速度传感器组装部件中压电陶瓷和钨质量块厚度对传感器灵敏度和频率响应性能影响规律。结果表明,随着压电陶瓷PZT-5的厚度增大或随着钨质量块厚度增大,传感器的灵敏度S均逐渐增大,频响范围则均呈现降低的趋势。表明了加速度传感器灵敏度S和频响范围是两个互相对立的性能参数,通过将压电陶瓷、质量块厚度协调处理可以确定适用于混凝土结构低频振动测试所需传感器的性能参数。(2)采用试验验证方式对传感器的频率独立性、重复性以及复杂振动下的输出响应进行了测定,同时基于自制植入式加速度传感器对标准振动台系统模态参数进行了测试。试验结果表明:随机抽取的多个自制植入式加速度计在不同频率加载下,其输出幅值稳定不变不随加载频率的改变而出现波动,说明在测试范围内其具有很好的频率独立性;在正反安装下传感器的输出响应一致,拟合后线性度高,其良好的线性关系表明加速度传感器在不同工况下重复性高;在线性扫频、对数扫频和随机频率振动多种测试下,加速度传感器能够准确反映结构实际振动状况;振动台系统模态参数试验表明加速度传感器能够准确反映简支钢梁的模态参数信息和附加质量块下结构损伤的变化规律,对TJ-1等强度梁基于有限元理论与试验模态测试结果进行比对,其结果表明自制加速度传感器所采集结构模态信息与理论测试结果一阶固有频率偏差0.13Hz,这就进一步验证了结果的准确性,该加速度计在振动测试中能够满足需求性能指标。(3)基于植入式压电加速度传感器对钢筋混凝土简支梁模态参数损伤识别。基于固有频率损伤识别的研究结果表明,无论附加质量法、切割裂纹法还是三点弯曲法,随着损伤程度的增加,反映在结构的自身刚度降低以及质量增大,钢筋混凝土简支梁在固有频率上表现出:结构前三阶固有频率均向左侧偏移,偏移的程度随着损伤增大而增大,频率降低显著。相对于附加质量法和切割裂纹法,三点弯曲法能更真实的模拟钢筋混凝土简支梁在服役期间的损伤变化状况。采用有限元模拟在0-30kN不同力载下混凝土简支梁的模态参数(固有频率和振型)损伤变化规律,对本次试验结果的准确度进行了验证;同时本文采用损伤指标振型的相对变化量RD对钢筋混凝土简支梁的损伤位置进行了测定,损伤指标在所划分的节点处突然增大,增大处能直观的反映出结构损伤位置,呈现出良好的对应。(4)为了验证植入式加速度计在实际工程中的应用状况,以工程实例钢筋混凝土简支梁——南水北调范庄公路桥为例,其单跨长16.5m,桥面全宽7+0.75×2m的,采用了基于行车振动和自然脉动两种方法实现其模态参数固有频率的测试,同时对桥梁的阻尼比和冲击系数进行了测定;与基于有限元模拟分析桥梁的受振状况进行比对,验证了加速度传感器拾取振动信号的准确性以及该方法在土木工程结构健康监测/检测领域中的实用性。
【关键词】：压电陶瓷 植入式压电加速度传感器 简支梁 固有频率 有限元分析 健康监测
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU37;TU317
【目录】：

• 摘要7-9
• abstract9-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景与意义12-14
• 1.2 压电式加速度传感器简介14-16
• 1.2.1 压电式加速度传感器工作原理14
• 1.2.2 压电加速度传感器的类型14-15
• 1.2.3 压电加速度传感器的性能指标15-16
• 1.2.4 压电加速度传感器的应用领域16
• 1.3 压电加速度传感器的国内外研究现状16-18
• 1.4 基于振动模态法的结构损伤监测/检测技术研究现状18-19
• 1.4.1 损伤识别步骤方法18
• 1.4.2 损伤识别方法的特点与现状18-19
• 1.5 研究内容19-22
• 第二章 植入式压电加速度传感器的制备22-36
• 2.1 引言22
• 2.2 实验设备及原料22-23
• 2.2.1 实验设备22-23
• 2.2.2 实验原材料23
• 2.3 压电陶瓷材料的选取23-24
• 2.4 植入式压电加速度传感器的制备24-28
• 2.4.1 植入式压电加速度传感器的结构设计24-25
• 2.4.2 植入式压电加速度传感器的制备流程25-28
• 2.5 植入式压电加速度感器的屏蔽处理28-29
• 2.6 电荷放大器29-31
• 2.7 压电加速度感器性能测试方法31-33
• 2.7.1 传感器灵敏度性能的测试方法31
• 2.7.2 传感器频响范围性能的测试方法31-32
• 2.7.3 传感器对模态参数固有频率的测定32
• 2.7.4 传感器对模态参数振型测定32-33
• 2.8 本章小结33-36
• 第三章 植入式压电加速度传感器的性能研究36-52
• 3.1 引言36
• 3.2 压电陶瓷厚度对传感器性能影响36-39
• 3.2.1 压电陶瓷厚度对传感器灵敏度性能影响36-38
• 3.2.2 压电陶瓷厚度对传感器频率响应性能影响38-39
• 3.3 质量块厚度对传感器性能影响39-41
• 3.3.1 质量块厚度对传感器灵敏度性能影响39-40
• 3.3.2 质量块厚度对传感器频率响应性能影响40-41
• 3.4 传感器频率独立性测试41-42
• 3.5 传感器重复性测试42-43
• 3.6 复杂振动下传感器输出测试43-46
• 3.6.1 线性扫频和对数扫频下传感器输出测试43-45
• 3.6.2 随机振动下传感器输出测试45-46
• 3.7 植入式传感器对振动台系统模态参数的测试46-49
• 3.8 本章小结49-52
• 第四章 基于振动模态的钢筋混凝土简支梁的损伤识别52-68
• 4.1 引言52
• 4.2 实验方案52-55
• 4.2.1 钢筋混凝土梁的制备52-53
• 4.2.2 植入式传感器的布设和激励方法的选择53-54
• 4.2.3 损伤状态构建54-55
• 4.3 试验结果与分析55-61
• 4.3.1 附加质量法构建损伤下钢筋混凝土梁固有频率损伤监测研究55-57
• 4.3.2 切割裂纹法构建损伤下钢筋混凝土梁固有频率损伤监测研究57-58
• 4.3.3 三点弯曲法构建损伤下钢筋混凝土梁固有频率损伤监测研究58-61
• 4.4 基于振型的损伤识别61-63
• 4.5 有限元模拟损伤识别63-65
• 4.6 本章小结65-68
• 第五章 植入式加速度传感器在实际工程中的应用研究68-76
• 5.1 工程概况68
• 5.2 试验方案68-70
• 5.2.1 测试设备和方法68-69
• 5.2.2 内力计算和测点布置69-70
• 5.3 动载试验数据采集处理和分析70-73
• 5.3.1 自振频率及振型的测定70-72
• 5.3.2 阻尼比的测定72-73
• 5.3.3 冲击系数73
• 5.4 有限元模拟分析73-74
• 5.5 本章小结74-76
• 第六章 结论与展望76-80
• 参考文献80-86
• 致谢86-88
• 附录88

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