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原文传递基于声弹性效应的螺纹钢预张力识别研究

论文题名：	基于声弹性效应的螺纹钢预张力识别研究
关键词：	桥梁结构;螺纹钢;有效预应力;超声检测;导波传播特性;声弹性效应
摘要：	精轧螺纹钢作为桥梁结构的核心竖向预应力受力构件，在实际施工时由于无法有效地控制锚固全过程当中的应力损失，从而造成预应力无法满足设计要求甚至失效。在长期服役过程中，受到环境腐蚀和荷载超限等因素影响，导致有效预应力进一步下降，致使桥梁跨中出现下挠过大、主梁出现裂缝等现象，严重威胁到结构的耐久性和安全性。　　本文结合超声导波技术与声弹性理论来进行螺纹钢有效预应力的检测，采用理论分析、有限元模拟与试验研究相结合的方法，研究裸螺纹钢和螺纹钢外包砂浆后在不同应力状态下导波传播特性和声弹性效应等关键问题，为进行螺纹钢有效预应力的无损检测提供理论指导。本文主要开展了以下几方面的研究工作：　　（1）开展了螺纹钢中超声导波传播数值模拟研究。基于波在细长圆柱体中的传播理论，采用数值计算方法得到了圆杆的频率-波数曲线与理论频散曲线。运用有限元软件建立螺纹钢有限元模型，并提取导波波形信号进行时程与2D-FFT分析，得到导波信号在螺纹钢中传播的时域以及频率-波数曲线。结果表明：其应力云图可以直观地观察到导波在螺纹钢中的传播规律，且有限元频率-波数曲线与理论解在频率0-0.6MHz和波数0-0.2mm-1范围内非常吻合，证明了本文所采用有限元模拟方法的可行性与正确性。　　（2）基于等效声弹性法对裸螺纹钢导波声弹性效应进行了数值模拟研究。根据等效声弹性法得到的相关指标（等效泊松比、等效密度以及等效弹性模量）进行螺纹钢声弹性效应研究，通过提取不同等效张拉力下节点加速度时程信号，分析螺纹钢波速变化规律；同时对螺纹钢在不同等效张拉力下模态的频率-波数域发生的变化进行了分析，间接得到相速度变化规律。　　（3）开展了螺纹钢中声弹性效应试验研究。以50kHz，75kHz，100kHz中心频率作为激励信号进行了螺纹钢张拉试验与导波传播试验，进而分析导波首波波速与张拉力之间的变化规律。试验表明：在不同频率信号激励下螺纹钢首波飞行时间随着张拉力的增大均呈现出逐渐减小的趋势；在低应力下加卸载飞行时间差异较大，主要是由卸载后螺纹钢的残余应力所致。　　（4）开展了螺纹钢中激励频率、伸长量和激励功率对导波传播与声弹性效应影响的试验研究。螺纹钢导波首波波速随着激励频率增大而下降，与理论频散曲线规律一致；其伸长量随着张拉力增大对首波飞行时间影响逐渐增大，在对飞行时间影响最小的工况下变化量占总变化量的 20%左右，在试验中不可忽略其影响；随着激励功率逐渐增大，导波波形仅在时域与频域上的幅值逐渐增大，而波形形状与位置没有发生任何变化，故在试验中可以忽略激励功率的影响。　　（5）开展了外包砂浆螺纹钢声弹性效应数值模拟与试验研究。根据等效声弹性法，分析了外包砂浆螺纹钢有限元提取到的节点加速度时程信号，导波试验中以50kHz，75kHz，100kHz中心频率作为激励信号，分析不同外包厚度对导波传播和声弹性效应的影响。结果表明：螺纹钢外包砂浆后首波波速与等效张拉力之间的规律与裸螺纹钢一致，但首波波速、能量较裸螺纹钢有明显下降；外包砂浆螺纹钢导波幅值随着外包厚度增大而逐渐降低；相同外包厚度下导波能量随着张拉力增大逐渐降低。有限元与试验结果均可得首波飞行时间增量变化规律以及变化量与裸螺纹钢基本一致。
作者：	荚瑞馨
专业：	土木水利
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