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原文传递基于亚谐波共振的钢绞线张力识别方法研究

论文题名：	基于亚谐波共振的钢绞线张力识别方法研究
关键词：	桥梁钢绞线;张力变化;亚谐波共振;无损检测;剩余寿命
摘要：	钢绞线作为重要受力构件被广泛应用于缆索支撑体系桥梁以及预应力混凝土桥梁结构当中。随着桥梁服役时间增长，钢绞线在疲劳、腐蚀、混凝土收缩徐变等多种因素的影响下张力水平不断下降，严重时甚至出现吊杆断裂、预应力混凝土梁开裂下挠等结构病害，严重威胁到交通运输安全。开展钢绞线张力水平状态的无损检测及剩余寿命评估是桥梁管养中不可或缺的重要环节。　　亚谐波是一种产生于固体界面动力学接触过程中的非线性超声成分，因此对于接触界面间的力学变化较为敏感。而钢绞线轴向张力是导致钢丝间界面接触力学状态变化的直接原因，因此亚谐波共振响应具有识别钢绞线张力变化的潜力。本文主要开展了以下几个方面的研究：　　（1）通过分析钢绞线丝间界面间的动力学接触行为，建立钢绞线丝间接触理论模型研究界面接触亚谐波共振响应，得到了亚谐波共振响应阈值特性与钢绞线轴向张力的映射关系式。首先讨论Hertz接触与一维超声入射条件下钢绞线丝间接触界面法向力与界面相对位移的关系。接着在此基础上建立可模拟钢绞线丝间界面接触振动的单自由度非线性模型对亚谐波共振响应进行分析，得到了引起接触界面亚谐波共振响应需要达到的阈值条件。最后基于钢绞线轴向张力与丝间法向接触力的静力传递关系，建立了钢绞线张力与亚谐波共振响应阈值条件的映射关系式。　　（2）基于瞬态动力学原理针对钢绞线等波导体结构上的超声波传播进行了数值仿真模拟，得到了亚谐波共振响应的阈值特性及变化规律。首先在单根高强钢丝与接触双丝上的超声波传播模拟分析中，得出丝间界面接触是非线性谐波产生的直接原因。接着通过对比分析接触双丝在不同幅频组合激励作用下的非线性响应，证明了亚谐波共振响应阈值条件的存在。最后通过分析了不同张加载条件下与超声入射条件下钢绞线丝间模态振动及波场时频域变化规律，得到亚谐波共振响应随钢绞线张力变化的阈值曲线，从结果上验证了钢绞线张力与亚谐波共振响应阈值条件理论映射关系的准确性。　　（3）基于亚谐波阈值条件的钢绞线张力声测实验研究，对理论张力映射关系的准确性与数值仿真模拟结果的适用性进行评估。通过扫频激励实验选择适合钢绞线张拉力测控方案的超声频率，讨论分析了实际加载与超声测量系统中接收信号的时频特征，验证了亚谐波共振响应理论分析中的阈值条件假设，得到亚谐波共振响应阈值特性随张拉力变化的规律。实验结果表明，亚谐波共振响应阈值区域面积与区域频宽与钢绞线张力呈正相关，亚谐波共振响应最小激励电压与钢绞线张力呈负相关。有限仿真模拟与实验结果均证明了基于亚谐波共振响应钢绞线张力定性识别方法的有效性。
作者：	刘凡瑞
专业：	建筑与土木工程
导师：	钱骥
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022