基于加速度傳感器的混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究.pdf

1、近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的高、快速發(fā)展和施工技術(shù)的進(jìn)步，興建了諸如水利大壩、高層建筑、道路橋梁等一系列單體工程或具有綜合使用功能的大型土木工程結(jié)構(gòu)，大大推動了人類社會進(jìn)步和發(fā)展。然而這些大型土木工程結(jié)構(gòu)在其服役期間，由于忽略了對這些結(jié)構(gòu)的周期性的損傷檢測或?qū)崟r(shí)、在線的健康監(jiān)測，導(dǎo)致部分土木工程結(jié)構(gòu)因其自身的損傷累積和抵抗力的衰減而發(fā)生破壞，從而引發(fā)突發(fā)性災(zāi)難事故。因此，采用基于智能傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的長期在線

2、健康監(jiān)測/檢測，在災(zāi)害降臨前預(yù)警顯得越發(fā)重要。壓電陶瓷作為一種具有正逆壓電效應(yīng)的功能陶瓷，其具有快速響應(yīng)的傳感特性和激勵(lì)功率小的驅(qū)動特性，同時(shí)線性度好、能耗與成本低、組合靈活以及易于加工設(shè)計(jì)的諸多優(yōu)點(diǎn)在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。
　　依據(jù)壓電敏感元件的傳感特性所制備的壓電式加速度傳感器是土木工程領(lǐng)域結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)/檢測領(lǐng)域中的及其重要一環(huán)，其自1840年出現(xiàn)至今在混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測/檢測領(lǐng)域發(fā)揮著無可替代的作用。基于以上背景

3、本文針對現(xiàn)有壓電加速度傳感器金屬封裝與混凝土耦合性差、防水性及耐久性差等問題，以PZT-5壓電陶瓷、水泥/聚合物、鎢質(zhì)量塊等為原材料制備了一種整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定適用于植入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部同時(shí)不改變混凝土局部承力特性的植入式壓電加速度傳感器，具體研究工作如下所示：
　　(1)基于本實(shí)驗(yàn)室已有理論對植入式壓電加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)針對混凝土結(jié)構(gòu)低頻振動特點(diǎn)，以PZT-5型壓電陶瓷為傳感元件，鎢塊作為附加質(zhì)量塊，水泥/聚合物的混合物作為基

4、座和封裝材料制備了一種植入式壓電加速度傳感器。探討了加速度傳感器組裝部件中壓電陶瓷和鎢質(zhì)量塊厚度對傳感器靈敏度和頻率響應(yīng)性能影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著壓電陶瓷PZT-5的厚度增大或隨著鎢質(zhì)量塊厚度增大，傳感器的靈敏度S均逐漸增大，頻響范圍則均呈現(xiàn)降低的趨勢。表明了加速度傳感器靈敏度S和頻響范圍是兩個(gè)互相對立的性能參數(shù)，通過將壓電陶瓷、質(zhì)量塊厚度協(xié)調(diào)處理可以確定適用于混凝土結(jié)構(gòu)低頻振動測試所需傳感器的性能參數(shù)。
　　(2)采用試驗(yàn)驗(yàn)證

5、方式對傳感器的頻率獨(dú)立性、重復(fù)性以及復(fù)雜振動下的輸出響應(yīng)進(jìn)行了測定，同時(shí)基于自制植入式加速度傳感器對標(biāo)準(zhǔn)振動臺系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行了測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨機(jī)抽取的多個(gè)自制植入式加速度計(jì)在不同頻率加載下，其輸出幅值穩(wěn)定不變不隨加載頻率的改變而出現(xiàn)波動，說明在測試范圍內(nèi)其具有很好的頻率獨(dú)立性；在正反安裝下傳感器的輸出響應(yīng)一致，擬合后線性度高，其良好的線性關(guān)系表明加速度傳感器在不同工況下重復(fù)性高；在線性掃頻、對數(shù)掃頻和隨機(jī)頻率振動多種測試下，加速

6、度傳感器能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)實(shí)際振動狀況；振動臺系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)試驗(yàn)表明加速度傳感器能夠準(zhǔn)確反映簡支鋼梁的模態(tài)參數(shù)信息和附加質(zhì)量塊下結(jié)構(gòu)損傷的變化規(guī)律，對TJ-1等強(qiáng)度梁基于有限元理論與試驗(yàn)?zāi)B(tài)測試結(jié)果進(jìn)行比對，其結(jié)果表明自制加速度傳感器所采集結(jié)構(gòu)模態(tài)信息與理論測試結(jié)果一階固有頻率偏差0.13Hz，這就進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性，該加速度計(jì)在振動測試中能夠滿足需求性能指標(biāo)。
　　(3)基于植入式壓電加速度傳感器對鋼筋混凝土簡支梁模態(tài)參數(shù)損傷

7、識別?；诠逃蓄l率損傷識別的研究結(jié)果表明，無論附加質(zhì)量法、切割裂紋法還是三點(diǎn)彎曲法，隨著損傷程度的增加，反映在結(jié)構(gòu)的自身剛度降低以及質(zhì)量增大，鋼筋混凝土簡支梁在固有頻率上表現(xiàn)出：結(jié)構(gòu)前三階固有頻率均向左側(cè)偏移，偏移的程度隨著損傷增大而增大，頻率降低顯著。相對于附加質(zhì)量法和切割裂紋法，三點(diǎn)彎曲法能更真實(shí)的模擬鋼筋混凝土簡支梁在服役期間的損傷變化狀況。采用有限元模擬在0-30kN不同力載下混凝土簡支梁的模態(tài)參數(shù)（固有頻率和振型）損傷變化規(guī)律

8、，對本次試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度進(jìn)行了驗(yàn)證；同時(shí)本文采用損傷指標(biāo)振型的相對變化量RD對鋼筋混凝土簡支梁的損傷位置進(jìn)行了測定，損傷指標(biāo)在所劃分的節(jié)點(diǎn)處突然增大，增大處能直觀的反映出結(jié)構(gòu)損傷位置，呈現(xiàn)出良好的對應(yīng)。
　　(4)為了驗(yàn)證植入式加速度計(jì)在實(shí)際工程中的應(yīng)用狀況，以工程實(shí)例鋼筋混凝土簡支梁——南水北調(diào)范莊公路橋?yàn)槔?，其單跨長16.5m，橋面全寬7+0.75×2m的，采用了基于行車振動和自然脈動兩種方法實(shí)現(xiàn)其模態(tài)參數(shù)固有頻率的測試，同時(shí)