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原文传递基于半解析有限元的多层圆柱体导波传播特性研究

论文题名：	基于半解析有限元的多层圆柱体导波传播特性研究
关键词：	桥梁结构;预应力钢筋;超声导波无损检测;导波传播特性;材料阻尼;初应力效应;半解析有限元法
摘要：	预应力钢筋混凝土结构由于其优良的力学性质，被广泛的运用于桥梁建设中。其中预应力钢筋作为核心构件之一，在长期运营的过程当中在所难免的会出现预应力下降和截面受损的情况，严重时将会导致桥梁整体出现不可逆的损伤。考虑到预应力钢筋在结构中所承担的关键作用，急需开展针对其剩余预应力和受损程度的无损检测研究。现阶段，在超声导波无损检测领域中有关此方面的研究成果都是基于实验来完成的，目前还缺乏关于复杂结构中的导波传播特性理论方法研究。　　本文以研究单层介质（裸钢）为切入点，随后将研究对象拓展至多层介质（灌浆钢筋）。采用理论分析和半解析有限元方法模拟，对单根钢筋和灌浆钢筋中导波基本波动特性进行了深入的研究，并考虑材料阻尼和初应力效应的影响，使模拟分析更加地靠近实际工程。主要研究内容和结论如下：　　（1）基于半解析有限元法对裸钢波动特性进行研究分析。采用笛卡尔坐标系半解析有限元法求解并绘制了裸钢中导波传播频散曲线，将结果与 Pochhammer-Chree方程解进行对比，两者具有良好的一致性。随后采用推导得到的柱坐标系半解析有限元法求解裸钢中纵波、弯曲波、扭转波的全波数-频域三维曲线，并着重对复波数域进行了分析，导波各模态的传播和衰减都能在复波数域得以体现。　　（2）改进半解析算法探究材料阻尼对裸钢中导波传播特性的影响。通过引入迟滞模型来对材料阻尼进行表征，对于含阻尼裸钢，波动特性将通过能量速度和衰减因子指标来进行表征。在截止频率之后的区域能量速度曲线与完全弹性裸钢群速度几乎重合。导波的振幅随传播距离的增加而逐渐减小的这一特性可以通过衰减因子进行表征，衰减因子曲线会随着频率的增高降低至一极小值，然后逐渐升高并最终收敛于某线性趋势。　　（3）改进半解析法探究初应力对裸钢波动特性的影响。由应变非线性理论和虚功方程推导出初应力作用下裸钢半解析有限元模型，并对其求解，对不同初应力下的能量速度曲线和衰减曲线做出分析，结果表明：同一模态中，初应力引起的能量速度改变量曲线是随能量速度曲线的变化而变化的，衰减因子改变量曲线和衰减曲线亦是如此；且初应力引起的能量速度改变量的绝对值与初应力呈正相关。　　（4）改进半解析法研究灌浆钢筋波动特性，同时分析材料阻尼和初应力影响。计算得到灌浆钢筋波动频散曲线，得到的结果与基于全局矩阵法的软件PCdisp得到的解相吻合。对比裸钢，随着频率的上升，模态数量成倍增加，且单一模态的变化也变得更为复杂。灌浆钢筋的全波数-频率曲线在整体来看与裸钢相似，但是也发生了些许的变化。考虑材料阻尼和初应力效应后，频散曲线的变化趋势与裸钢是大体相同的，但是在趋势变化相同的地方，由初应力引起的灌浆钢筋的能量速度变化量的绝对值大于单根螺纹钢的对应值。
作者：	罗悦琦
专业：	土木水利
导师：	郑罡;钱骥
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023