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原文传递基于超声反射的钢绞线锚固界面接触刚度特性研究

论文题名：	基于超声反射的钢绞线锚固界面接触刚度特性研究
关键词：	预应力桥梁;钢绞线锚固界面;接触刚度;超声反射
摘要：	钢绞线作为预应力桥梁的关键构件，其服役阶段的应力监测尤为重要。接触声非线性理论非常适用于界面特性评价，通过研究超声信号与接触界面的相互作用状态进而获得关键界面信息。基于接触声非线性的钢绞线应力识别研究，目前已有一定的研究成果，但仍缺乏成熟的理论模型解释其内在规律，且工程中常常伴随着长距离衰减的问题。　　本文采用理论分析、有限元仿真和试验研究相结合的方法，通过研究钢绞线锚固接触界面（锚板与锚垫板的接触界面）与超声信号的相互作用，建立界面接触特性与锚板表面压应力的关系，亦可反映出界面接触特性与钢绞线拉应力之间的关系。本文的主要研究内容与结论如下：　　理论推导了粗糙锚固接触界面超声反射系数与接触刚度的关系表达式。不同于已有文献中反射系数关于刚度的表达式，考虑到锚固接触界面属于不同材料的接触，本文从声阻抗的角度推导了界面超声反射系数与界面线性刚度的关系式，同时引入可以表征接触表面粗糙形貌的粗糙度参数C和m（C和m均为大于零的正数）建立了界面接触刚度与应力的关系模型。根据理论关系式可以得到：粗糙界面的线性接触刚度是与界面反射系数、入射超声波角频率及接触材料声阻抗有关的表达式；同时也是界面接触应力的函数关系式，且线性刚度随应力的增大而增大；非线性刚度随应力的变化关系取决于接触界面粗糙度参数m，当mlt;0.5时，非线性刚度随应力增大而减小，当mgt;0.5时，非线性刚度则随应力增大而增大。　　通过有限元仿真建立了不同接触表面形式下界面接触刚度与应力的关系。考虑到引入锚板与锚垫板接触表面实际粗糙形貌对超声反射及界面接触特性的影响，分别建立了二维平面接触模型和二维曲面接触模型，对比分析了接触表面粗糙形貌对超声波反射及界面接触刚度的影响。结果表明：当引入真实的粗糙表面形貌时，从应力云图中可以明显地观察到反射波的畸变；平面接触模型得到的线性接触刚度随应力增大呈现出一直增大的趋势，曲面接触模型得到的线性刚度随应力增大呈现出逐渐收敛的趋势；通过曲面模型所预测的粗糙度参数mlt;0.5。　　通过进行脉冲反射试验建立了预应力钢绞线锚固接触界面接触刚度与应力的关系。通过设计锚板与锚垫板接触的脉冲反射试验，实测了不同粗糙形貌的锚固接触界面在不同应力状态下的界面反射系数，建立了界面反射系数与应力的关系，结合理论部分关于不同材料接触界面线性刚度的表达式，建立了锚固界面线性接触刚度与应力的关系，根据线性刚度与应力的关系曲线拟合界面粗糙度参数C和m，amp;nbsp;进一步建立界面非线性刚度与应力的关系。同时进行了锚板与锚板接触的脉冲反射试验进行对比。并讨论了激励电压大小和接收传感器位置对锚板与锚垫板接触界面反射系数的影响。试验结果表明：界面反射系数随应力增大而减小；界面线性接触刚度随应力的增大而增大；非线性接触刚度随应力增大而减小；接收信号的幅值与激励电压呈近似线性的关系，但激励电压的改变对反射系数没有影响；接收传感器的位置则对反射系数的影响较大；锚板-锚板的接触试验则与锚板-锚垫板接触时呈现出一致的规律，但并未明显地观察到反射系数与线性刚度随应力增大时的收敛性。
作者：	乔珍珍
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
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：	2023