温度和荷载作用对混凝土结构压电骨料监测系统的影响研究

发布时间：2020-02-12 19:09

【摘要】：混凝土结构是当今社会主要的建筑结构形式之一,建立并完善其健康监测系统对生命财产安全有重大意义。PZT材料正逆压电效应好、灵敏度高、重复性好和成本低廉,适合混凝土结构长期实时监测。目前实验室内试验研究发现压电智能骨料(Smart Aggregate,简称SA)传感器可用于结构损伤裂缝监测、钢管混凝土脱粘、结构冲击荷载监测等方面,然而现场实际工程往往处于复杂的温度和荷载作用下,压电智能监测系统的现场推广应用需综合考虑温度和荷载作用对SA本身性能及其监测系统影响。本文通过搭建压电监测平台,系统研究了SA驱动器和传感器本身在温度和荷载作用下的性能表现,然后进一步探讨了温度历程和不同荷载工况对基于SA的混凝土结构健康监测系统的影响,具体包括:为了明确环境温度变化对压电智能骨料监测系统的影响,首先设计试验研究了SA传感单元本身驱动与传感性能的温度相关性。在此基础上,将SA传感单元埋置于混凝土构件内部形成结构监测单元,试验研究了温度历程对混凝土中应力波传播以及内部缺陷发展的影响。研究结果表明:温度对SA传感、驱动性能和监测系统有明显影响,并且对监测系统的影响要明显强于对SA本身工作性能的影响。总体而言,应力波频率越低,温度敏感性越强,较高频率与较低频率幅值随温度的变化呈相反趋势。为了探究荷载状态变化对压电智能监测系统的影响,设计试验研究了SA传感器单独受压以及SA传感和驱动器同时受压情况下监测信号随荷载作用的变化情况,明确了荷载作用对SA工作性能的影响;在此基础上,将SA成对埋置于混凝土内部形成监测单元,研究了单周期荷载、等幅循环荷载和递增循环荷载对混凝土短柱试件中应力波传播信号的影响,并对比分析了垂直和平行应力方向信号对荷载的监测效果。研究表明:所使用SA能在小于65 MPa的应力环境中正常工作;与压应力平行方向布置的SA对混凝土荷载监测的灵敏度更高;即使在弹性范围内的持续压力和循环荷载下,混凝土内部也会有微裂缝缺陷的生成或者扩展;应力波传播变化较好反映了混凝土内部细观结构的发展阶段、混凝土应力记忆效应和损伤累积效应。基于Comsol Multiphysics有限元软件,建立了SA和混凝土三维模型,仿真研究了温度和荷载作用对SA本身工作性能和监测系统的影响。结果表明:SA的振型以及内部应力受温度影响明显,当激励信号不变时,SA表面中心点的振动幅值大小随温度升高先缓慢后快速升高,但随压力增加无明显变化,与实验结果吻合。另外,应力波幅值衰减程度和波速与介质弹性模量和信号频率都均成正相关关系。
【图文】：

大理石,压电,骨料,智能

由大理石和环氧树脂组成的封装材料能保证其中的 PZT 不受损坏。SA 详细组成如图2-1 所示。大理石杨氏模量 51.5 GPa、抗压强度大于 100 MPa，环氧树脂胶杨氏模量 2.5 GPa、抗压强度大于 70 MPa。图 2-1 大理石封装的压电智能骨料本套监测系统由信号发生器、功率放大器、示波器以及恒温箱组成，，如图 2-2 所示。首先信号发生器发射特定频率和电压的正弦电信号，通过传输线传到功率放大器，调整功率放大器的放大倍数，信号经过放大后传入驱动器 SA。驱动器 SA 中的 PZT 在逆压电效应下将电信号转换为振动信号，以应力波的形式传播至与之贴合的传感器 SA 中的 PZT 片，正压电效应下应力波转化成电信号传输至示波器中显示并存储，在信号监测过程中，SA 置于特定温度的恒温箱中。图 2-2 压电监测系统实验图

压电,监测系统

压电监测系统实验图
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU37;TU317

【参考文献】