基于動(dòng)力參數(shù)的損傷識(shí)別及嵌入SMA的鋼筋砼結(jié)構(gòu)自監(jiān)測(cè)與自修復(fù)研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新興的應(yīng)用技術(shù),主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的在線實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)、檢查以及損傷探測(cè)等,實(shí)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的目的是增加和提高運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性和耐久性,確保結(jié)構(gòu)完成正常的使用壽命,降低結(jié)構(gòu)的維修成本。近年來這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于橋梁、水壩等大型工程項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)過程的健康監(jiān)測(cè),同時(shí)土木工程界在實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷及時(shí)識(shí)別的同時(shí),也在嘗試對(duì)識(shí)別出損傷的橋梁在不影響交通的情況下實(shí)現(xiàn)快速及時(shí)的修復(fù)。
　　 本文全面論述了國(guó)內(nèi)外基

2、于動(dòng)力檢測(cè)的健康監(jiān)測(cè)方法和智能材料損傷識(shí)別及應(yīng)急修復(fù)的相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)其理論意義、研究應(yīng)用前景、研究成果和存在問題做了全面的分析與比較。在此基礎(chǔ)上研究了基于模態(tài)曲率、柔度模態(tài)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法以及形狀記憶合金應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和自修復(fù)的性能。
　　 以一個(gè)橫向彎曲振動(dòng)的連續(xù)直梁為研究對(duì)象,求解了梁在任意支撐條件下的運(yùn)動(dòng)微分方程的一般表達(dá)式,依據(jù)模態(tài)理論,將該微分方程的解表示為結(jié)構(gòu)各階模態(tài)的疊加形式并利用模態(tài)振型的正交性,求得結(jié)構(gòu)的曲

3、率頻響函數(shù),依據(jù)曲率頻響函數(shù)的特征,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移模態(tài)試驗(yàn)測(cè)得結(jié)構(gòu)的彎曲位移模態(tài)后,就可以得到結(jié)構(gòu)的曲率模態(tài)振型。對(duì)一簡(jiǎn)支梁模型進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試,測(cè)試出結(jié)構(gòu)各個(gè)實(shí)驗(yàn)工況下?lián)p傷前后的頻率、相應(yīng)振型,計(jì)算得到模態(tài)曲率差曲線,并且和有限元計(jì)算的結(jié)構(gòu)模態(tài)曲率差的損傷識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了用模態(tài)曲率差來識(shí)別簡(jiǎn)支梁損傷的可行性、適用性,探討了損傷位置、模態(tài)階次、損傷程度等對(duì)損傷識(shí)別結(jié)果的影響和敏感性。
　　 為了將模態(tài)曲率差理論應(yīng)用于本論文的

4、工程應(yīng)用背景,分析了應(yīng)用模態(tài)曲率差識(shí)別直梁結(jié)構(gòu)與曲梁結(jié)構(gòu)的理論區(qū)別,推導(dǎo)了曲梁結(jié)構(gòu)的曲率振型模態(tài)的計(jì)算公式,設(shè)計(jì)了一個(gè)下承式系桿鋼管混凝土拱橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ?利用有限元程序理論計(jì)算了不同損傷狀況下拱肋的模態(tài)曲率差,繪制了模態(tài)曲率差曲線,理論計(jì)算結(jié)果表明,模態(tài)曲率差可以用于對(duì)拱橋拱肋的損傷識(shí)別;開展室內(nèi)動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn),測(cè)試了各個(gè)工況下系桿拱橋模型的加速度響應(yīng),并進(jìn)行曲率模態(tài)振型的轉(zhuǎn)化后,繪制了模態(tài)曲率差曲線并和有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,說明模態(tài)曲

5、率差可以應(yīng)用于拱肋結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。
　　 為了在低階頻率下能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的損傷實(shí)現(xiàn)比較好的識(shí)別,對(duì)基于模態(tài)柔度矩陣的損傷識(shí)別理論進(jìn)行了論述,推導(dǎo)了基于模態(tài)柔度的損傷識(shí)別的基本理論公式,指出了模態(tài)柔度在低階頻率下對(duì)結(jié)構(gòu)頻率有著較好的敏感性,本文構(gòu)造了一個(gè)基于模態(tài)柔度矩陣的損傷識(shí)別靈敏度參數(shù),用于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別。對(duì)一鋼梁模型進(jìn)行理論模擬,提取結(jié)構(gòu)的頻率及相應(yīng)振型,將模態(tài)振型轉(zhuǎn)化為本文構(gòu)造的損傷識(shí)別靈敏度參數(shù)ζ,繪制了損傷識(shí)別靈敏度參

6、數(shù)ζ與結(jié)構(gòu)單元位置的柱狀圖,從圖中可以明顯的看出,損傷識(shí)別靈敏度ζ對(duì)結(jié)構(gòu)單損傷或多損傷有著顯著的敏感性,可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別;對(duì)模型梁進(jìn)行了動(dòng)力測(cè)試,提取結(jié)構(gòu)頻率、相應(yīng)振型,并轉(zhuǎn)化為模態(tài)柔度和損傷識(shí)別靈敏度后,和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了基于本文構(gòu)造的損傷靈敏度參數(shù)方法的正確性和可行性。
　　 為了研究或?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的自監(jiān)測(cè)與應(yīng)急自修復(fù),制作了3組嵌入形狀記憶合金(Shape Memory Alloy簡(jiǎn)稱SMA)的鋼筋混凝土梁

7、,將SMA作為傳感元件和驅(qū)動(dòng)元件復(fù)合到混凝土梁中對(duì)梁的裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)和應(yīng)急自修復(fù)研究。試驗(yàn)采取通電激勵(lì)的方式加熱合金絲,為此專門研制了可控低壓直流電源;通電激勵(lì)加熱合金絲,對(duì)SMA應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的相變行為、電阻率的導(dǎo)電敏感性和力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試;對(duì)SMA置入混凝土的抗滑移性能進(jìn)行了分析和測(cè)試;研究表明:當(dāng)混凝土梁開裂程度較小,裂縫寬度小于0.3mm的情況下,合金絲電阻變化率與混凝土裂縫寬度間的線性關(guān)系非常明顯,試驗(yàn)過程表明在消除合金絲

8、滑移的情況下,且裂縫寬度在1.5 mm范圍內(nèi),SMA電阻變化率與混凝土梁的裂縫寬度成線性關(guān)系,SMA作為傳感元件用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是可行的,完全可通過對(duì)合金電阻變化率的測(cè)定來監(jiān)測(cè)混凝土梁裂縫損傷情況;當(dāng)混凝土開裂且裂縫寬度大于2.0mm時(shí),對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行通電加熱,SMA驅(qū)動(dòng)效應(yīng)發(fā)生可以使混凝土梁裂縫愈合;在對(duì)SMA敏感性測(cè)試試驗(yàn)過程中,SMA絲在發(fā)生軸向變形后,其電阻隨著SMA絲的長(zhǎng)度改變而且較為敏感;在對(duì)混凝土梁的自修復(fù)性能測(cè)試試驗(yàn)

9、過程中發(fā)現(xiàn),并不是SMA預(yù)張拉越大越好,預(yù)拉控制在極限拉應(yīng)變的20％-30％為宜。
　　 以一個(gè)下承式鋼管混凝土拱橋作為工程研究的應(yīng)用背景,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的有限元分析,在此基礎(chǔ)上采用環(huán)境激勵(lì)的方式對(duì)拱橋進(jìn)行了全面的動(dòng)力測(cè)試,對(duì)該橋主跨一階豎向、一階扭轉(zhuǎn)、次跨一階豎向、一階扭轉(zhuǎn)、全橋一階橫向振型等測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了全面的分析與比較,和有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn):實(shí)測(cè)結(jié)果與理論分析結(jié)果基本吻合;拱肋豎向的振動(dòng)和橋面豎向振動(dòng)同步,

10、拱肋豎向振動(dòng)的頻率稍大于橋面頻率；試驗(yàn)結(jié)果表明,在完全環(huán)境激勵(lì)情況下,足以識(shí)別出橋梁的振動(dòng)模態(tài)；該拱橋振型第一階模態(tài)是橋面的橫向振動(dòng),地震反應(yīng)分析時(shí)要特別注意橋面橫向地震反應(yīng)；扭轉(zhuǎn)振型在振型序列中位置靠后,階數(shù)較高,說明該結(jié)構(gòu)抗扭剛度較大,對(duì)抗風(fēng)比較有利；該橋?qū)崪y(cè)頻率基本都大于有限元計(jì)算結(jié)果,說明該橋剛度較好；對(duì)該拱橋采用空間有限元分析結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。將拱橋主跨振型與第4章試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼裥瓦M(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn),實(shí)際結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型與試驗(yàn)?zāi)?/p>