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原文传递基于压电波动法的混凝土梁裂缝无损检测技术研究

论文题名：	基于压电波动法的混凝土梁裂缝无损检测技术研究
关键词：	压电波动法;混凝土梁裂缝;无损检测技术
摘要：	改革开放以来，各类大型基础设施不断涌现，工程事故又不可避免地发生，威胁着人们的生命财产安全。因此，公众对结构安全性评估愈加重视。近年来，鉴于混凝土结构的传统检测方法复杂、投入成本高、无法实时监测，专家学者们着手研究基于智能传感器的健康监测技术，结构智能监测能对结构物理性能进行实时监测，在结构损伤初期阶段就能发现损伤状态与位置，弥补了传统无损检测技术的不足。本文基于压电波动法的混凝土监测理论，采用数值模拟与实验方法对压电智能骨料性能、混凝土强度等级、裂缝缺陷进行研究，具体研究工作如下：　　（1）基于压电波动法的混凝土监测理论研究：研究压电陶瓷（PZT）主要性能参数，以确定后续模拟与实验所用压电陶瓷种类，进而选取PZT47制成压电智能骨料；研究应力波监测混凝土强度与裂缝的理论，以确定影响PZT驱动接收效果的因素，如混凝土强度、混凝土结构不同状态（健康、裂缝损伤）。　　（2）建立压电陶瓷-混凝土梁多物理场耦合有限元模型，研究影响PZT驱动接收效果的因素：采用MATLAB生成外部激励信号，运用ABAQUS建立有限元模型研究激励信号频率、PZT外形与尺寸、混凝土裂缝深度与位置对PZT驱动接收效果的影响。研究表明存在最优激励频率，使得输出信号峰值最大；面积一定时，圆形PZT片输出幅值略佳，厚度越厚，其输出幅值也会越大，F1B2C类压电片传输性能最佳；接收信号振幅随着裂缝深度增加逐渐减小；贯穿裂缝与发射传感器距离愈近，接收传感器接收到的信号愈强烈，反之衰减程度增大。　　（3）制备埋入式压电智能骨料，研究其封装前后电学特性：选择埋入式压电智能骨料进行研究，测试封装前后压电智能骨料电容、电阻变化。变化原因为将压电陶瓷埋入水泥砂浆后，由于水泥水化反应，内部压电陶瓷受力挤压，厚度减少，因而封装后的压电智能骨料的电容值增大。　　（4）基于压电波动法进行混凝土梁预设裂缝静态监测试验：研究不同养护龄期、裂缝位置、裂缝深度对PZT驱动接收效果的影响。研究表明随着混凝土养护龄期增加抗压强度逐渐增大，谐波响应幅值不断降低；接收传感器的谐波响应幅值第一周内迅速下降，压电幅值变化幅度较大，一周后随着水泥水化进程放缓，信号振幅也缓慢下降，压电幅值变化幅度较小。混凝土梁在健康状态下输出信号振幅最高，随着裂缝深度增加，信号衰减程度也越来越大，损伤指数也随之越大，小波包能量也随裂缝深度增加而逐渐降低。贯穿裂缝距发射传感器愈近，接收传感器接收到的信号愈强烈。　　（5）外荷载作用下混凝土梁裂缝动态扩展试验：借助50T自平衡结构竖向加载反力系统，对钢筋混凝土梁采用四点弯曲加载方式，在2个不同加载点（由中间向两边扩展）进行施压；对混凝土梁采用三点弯曲加载方式，在梁正中间加载，研究裂缝在不同损伤程度下的压电信号变化。研究表明初始裂缝出现前，主频对应振幅随加载等级增加呈逐渐减小趋势；初始裂缝出现时，主频对应振幅降低至最小；继续加载，初始裂缝继续扩展时，主频对应幅值突然增加；而随着加载等级再次增加，主频振幅变化已不明显。
作者：	熊飞
专业：	建筑与土木工程
导师：	苏波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021