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原文传递基于压电材料的智能梁结构性能研究

论文题名：	基于压电材料的智能梁结构性能研究
关键词：	智能桥梁结构;压电材料;预应力梁;主动控制;受力特性;有限元分析;发电效率
摘要：	随着社会的发展，人们对能源和环境的保护意识逐渐增强，智能结构是土木工程绿色化的一种新兴形式，是能够实现结构健康监测与自我诊断，适应外界环境以及自我修复调节的结构体系，具有自感知、信息处理和驱动的功能。压电材料由于具有可将机械能与电能进行转化的特有性质，既可转化来自工程结构的机械能，又可在通电条件下对工程结构施加驱动力，越来越多地被用于为土木工程结构提供感知和驱动功能，而近年来以工程结构机械能为驱动的压电发电技术也成为了研究热点。　　本文基于压电材料能为工程结构提供驱动功能和发电功能的特点，构想了一种基于压电材料的智能桥梁结构，这种结构一方面基于压电材料的逆压电效应，在桥梁的受拉区布置压电促动器，通过改变电压来控制施加于桥梁的预应力，根据实际情况的需要进行对预应力大小进行调整，从而避免裂缝的产生，提高结构的耐久度和安全性，减少桥梁修补加固甚至重修;另一方面，基于压电材料的正压电效应，将桥梁环境的机械能转化为电能，为桥梁的照明和信号灯等用电设备提供电能。　　为了探究这一构想的可行性以及为这种智能桥梁结构的设计提供参考，本文进行了两方面的研究:第一方面是对基于压电材料的智能预应力梁进行了受力特性研究;第二方面是将压电发电技术引入桥面铺装，进行桥梁环境机械能转化和收集效能及其对作用于桥梁结构荷载影响的研究。　　对于压电智能预应力梁的受力特性的研究，首先建立叠合式压电促动器的驱动力-电压关系，为改变电压来控制施加给梁体的预应力提供参考，用叠合式压电促动器对试验梁施加不同大小的预应力，进一步验证驱动力-电压关系的正确性，然后比较其与未施加预应力的试验梁在静力荷载作用下的开裂荷载，发现开裂荷载提高。试验结果表明，压电促动器提供的预应力能有效延缓裂缝的开展。其次，利用有限元分析软件Ansys14.5建立了试验梁的有限元实体模型，模拟了整个试验过程，模拟出的最终开裂荷载和挠度与试验结果吻合良好。最后基于该有限元模型，探究配筋率、外界刚度和跨高比三种影响因素对智能预应力效果影响的显著程度进行了研究,试验结果表明三种因素影响显著程度为跨高比最大，外界刚度次之，配筋率最小。　　压电发电桥梁的研究借鉴了压电路面发电技术，设想将压电换能器引入桥面铺装。首先从压电振子的电能输出和动力特性入手，分析和讨论动载荷对压电振子电能输出与受力特性的规律和特点的影响，为估算压电换能器的电能输出效率提供必要的参考。然后进行合理的交通环境和压电换能器结构假定，利用所得压电振子的数据理论估计了总长为200m的桥梁铺装压电换能器的发电效率，发现其发电效率较低，有待改进。铺设更多的压电换能器必然能提高桥梁的发电量，但数量过多的压电换能器会增大对桥面板受力的影响，因此接下来利用有限元模拟的方法对压电换能器铺设对桥面铺装的受力特性影响进行探究，从而得以了解其对作用于桥面板的荷载的影响，计算结果表明，桥面铺装加入压电换能器后使得桥面板所受压力增大，而使得压电单元上部的桥面铺装竖向变形减小。　　本文对将压电材料应用于桥梁结构进行了创新性的构想和初步的探究，为压电智能梁结构的研究提供了基本数据和设计建议。
作者：	周均
专业：	交通运输工程
导师：	王新定
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文