碳纖維智能層的特性及其場域監(jiān)測.pdf

1、隨著大跨度結(jié)構(gòu)和超高層建筑的不斷發(fā)展，大型土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)的研究與應(yīng)用越來越受到學(xué)術(shù)界和工程界的重視。本文系統(tǒng)地開展碳纖維智能層傳感特性理論與實(shí)驗(yàn)研究，提出一種用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可視化新方法，該方法將智能層覆蓋于土木工程結(jié)構(gòu)表面，形成類似于皮膚的薄膜，利用其功能特性和導(dǎo)電性，將結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或者應(yīng)力轉(zhuǎn)化為智能層的易于檢測的電參數(shù)，結(jié)合電阻率層析成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)場域監(jiān)測的可視化。主要?jiǎng)?chuàng)新成果包括以下幾個(gè)方面：

2、 1．提出一種新的碳纖維智能層作為應(yīng)變傳感器，通過大量實(shí)驗(yàn)分別對樹脂基碳纖維智能層和水泥基碳纖維智能層的傳感特性、界面安裝方法等進(jìn)行了研究，建立了一種基于敏感場的“場”信息的工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測的新方法。 2．建立了基于碳纖維智能層在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的壓阻效應(yīng)理論模型，推導(dǎo)平面應(yīng)力狀態(tài)下的壓阻系數(shù)矩陣的簡化，實(shí)現(xiàn)碳纖維智能材料功能特性由實(shí)驗(yàn)到理論的突破，由一維向二維的突破。 3．首次在結(jié)構(gòu)表面采用碳纖維智能層，利用智能層良好

3、傳感功能特性和導(dǎo)電性，借助ERT技術(shù)，成功建立了受力結(jié)構(gòu)的全場應(yīng)變監(jiān)測的理論方法。 4．研制了一套碳纖維智能層ERT系統(tǒng)，并得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測結(jié)果圖像化、可視化的新型診斷方法。實(shí)現(xiàn)了智能系統(tǒng)從模型、試驗(yàn)到理論的集成。 主要研究工作包括以下幾個(gè)方面： 1．進(jìn)行了碳纖維氈單調(diào)拉伸、循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，研究碳纖維氈的應(yīng)變-電阻效應(yīng)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到其應(yīng)變靈敏度和傳感極限數(shù)據(jù)結(jié)果；考慮到環(huán)境因素對碳纖維氈

4、電阻的影響，對碳纖維氈的溫度-電阻效應(yīng)也進(jìn)行了測試；在微觀實(shí)驗(yàn)中，初步分析碳纖維氈的傳感機(jī)理。 2．建立基于碳纖維氈智能層的壓阻理論模型，推導(dǎo)平面應(yīng)力狀態(tài)下的壓阻系數(shù)矩陣的簡化，為后續(xù)的場域監(jiān)測提供理論依據(jù)；將碳纖維氈鋪在樹脂中制作成樹脂基智能層，作為應(yīng)變傳感器，檢測其靜態(tài)性能；將碳纖維氈鋪在水泥中制作成水泥基智能層，作為應(yīng)變傳感器鋪設(shè)于實(shí)驗(yàn)梁的表面，通過三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究水泥基智能層的壓敏性、線性、靈敏度、重復(fù)性、電阻變化率與梁

5、的平均應(yīng)變的一致性；將水泥基碳纖維智能層鋪制到有預(yù)制缺陷的混凝土結(jié)構(gòu)梁上，研究了智能層的傳感功能特性，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)如果在水泥中摻入少量的短切碳纖維來增加基體的導(dǎo)電性，可以大大的提高智能層的靈敏度。 3．對求解ERT逆問題基礎(chǔ)的ERT正問題進(jìn)行研究，具體利用有限元法(FEM)對ERT場域進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述，研制了ERT有限元系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了給定場域進(jìn)行剖分、設(shè)置場內(nèi)電阻率分布、求解ERT正問題等功能，并用幾種典型電阻率分布下的解析解對

6、該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，達(dá)到滿意的數(shù)值計(jì)算精度。 4．建立碳纖維智能層圖像重建模型，利用改進(jìn)的修正牛頓——拉夫遜方法求解ERT逆問題，針對問題的病態(tài)特征，用正則化處理方法進(jìn)行改進(jìn)。開發(fā)了一套具備較強(qiáng)反演功能的ERT成像系統(tǒng)，并對反演部分進(jìn)行了驗(yàn)證。 5．對圓板結(jié)構(gòu)在不同載荷，不同工況下進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，將所得數(shù)據(jù)代入ERT系統(tǒng)，反演智能層電阻率分布情況；對某一實(shí)際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，反演電阻率分布情況；將樹脂基碳纖維智能層鋪設(shè)在