应力波在混凝土中传播特性及结构特征参数监测研究

发布时间：2020-05-13 09:10

【摘要】：钢筋混凝土结构是目前最为广泛使用的建筑结构形式,由于混凝土具有耐久性,当其经历了一定的使用寿命后亟需对其进行安全性评估。随着结构健康监测手段的日益增多,以波动法为基础的无损检测方法因其便利性和可操作性而被广泛使用。其原理是通过应力波在介质中的传播特性可以反映材料内部性质的变化。本文以此为出发点,深入探讨了应力波在水泥基材料中的传播特性,并以压电智能骨料(SA)为主要传感器系统研究了混凝土中的孔隙率、渗水高度、裂缝状况、应力水平、温度等监测因素对应力波在混凝土中传播规律的影响,该研究为压电传感器在混凝土结构健康监测中的应用提供了理论基础。主要研究内容如下:揭示了应力波在均匀介质、非均匀介质中的传播特性。针对含有初始缺陷的混凝土多相材料,探讨了应力波在不同材质界面处的传播规律。建立了压电智能骨料和混凝土细观有限元模型,对应力波在混凝土中的传播进行了数值仿真。系统研究了粗骨料的弹性模量和面积率对应力波的传播影响。结果表明:应力波在两种介质的界面处会发生反射和折射,反射波和折射波的幅值与频率无关,仅取决于入射波的幅值、入射角以及材料的泊松比;随着骨料弹性模量的提高,应力波幅值单调降低而波速单调升高,且应力波幅值和波速均随着激励频率的升高而降低;随着骨料面积率的增加,应力波波速增加。开展了孔隙率对应力波传播的影响研究。浇筑了三种不同孔隙率的水泥净浆试块。利用建立一种压电传感器监测平台,对水泥浆体的孔隙率与应力波的关系进行了试验研究。同时,利用X射线计算机断层成像技术(CT扫描)得到了试件内部的实际孔隙结构和分布,建立了水泥浆体试件的三维模型,数值仿真了应力波在三种孔隙试件模型中的传播。利用建立的三维模型可以较真实地反映应力波在水泥基材料中的传播规律。同时也为水泥基材料孔隙率的测试提供了一种新思路。研究了混凝土内部湿度对应力波传播的影响。设计了埋有压电智能骨料的素混凝土短柱,通过将其处于不同的渗水环境中开展了渗水高度对应力波特征参数的影响研究。研究结果验证了将P波幅值以及等效P波波速作为反映混凝土渗水状态参数的可行性。应力波传播时间的确定方法对结果的精确性至关重要,在实际结构健康监测工程中选取应力波总传播时间的确定方法时,需要综合考虑工程现场的环境噪声情况和精度需求等方面进行合理选择。该研究为利用压电智能骨料进行混凝土结构的内部湿度监测提供了一种新思路。探讨了裂缝对应力波传播的影响规律。提出了一种混凝土结构损伤分布监测方法,通过对缩尺钢筋混凝土梁进行实验室监测验证了其有效性。结果表明,在有效的监测系统中,应力波传播时间差(TTD)和幅值比等应力波特征参数可以用来揭示混凝土结构的损伤分布。该方法对于已建成的实际桥梁结构的裂缝分布监测具有很大的工程应用前景。基于该监测系统,利用数字图像相关法(DIC)和线性可变差动变压器(LVDT)相结合的方法创新性地探索了裂缝宽度对应力波传播路径的影响。开展了考虑温度效应的荷载应力对应力波波谱特征的影响研究,探究了应力对压电智能骨料本身及埋置在混凝土内部后的监测系统的影响,进行了轴向应力对基于SA的监测系统对混凝土柱硬化和成熟全过程监测的影响,考虑温度效应的影响,对轴向应力对基于SA的监测系统对成熟期混凝土的监测的影响进行了研究。研究结果表明,在混凝土弹性范围内,应力波在混凝土中传播的波速随着应力的发展呈现出很好的线性规律。该研究为混凝土弹性范围内的结构轴向应力监测预示了一种新途径。当温度差异不大时,环境温度对应力波在混凝土中传播波速的影响可以忽略。
【图文】：

框图,框图,方案,波谱特性

图 1-1 研究内容框图与技术方案Fig.1-1 Research content and technical scheme（5）应力波在混凝土中传播后的波谱特性与混凝土的弹性模量，泊松比和密度等材料性质密切相关。由于混凝土的非均质性，当其处于应力状态下，

应力单元,无穷小,线性应力,基向量

图 2-1 无穷小应力单元Fig.2-1 Stressed infinitesimal element坦求和约定，以 xj和基向量 ij（j=1，2，，3）来性材料，运用胡克定律和线性应力-应变关系，程[96]：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU317

【参考文献】