基于主動(dòng)超聲的混凝土全壽命參數(shù)識(shí)別與損傷檢測(cè).pdf

1、本課題來(lái)自與美國(guó)德克薩斯州交通部項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)為 TxDOT0-6717及TxDOT0-6783?；炷敛牧弦蛉〔膹V泛、價(jià)格低廉、抗壓強(qiáng)度高、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，成為當(dāng)今世界建筑結(jié)構(gòu)中最主要的結(jié)構(gòu)材料。然而由于設(shè)計(jì)缺陷、施工質(zhì)量、荷載作用和結(jié)構(gòu)自身老化等原因，混凝土結(jié)構(gòu)在其全壽命周期中不可避免地產(chǎn)生不同程度的缺陷和損傷，這些損傷發(fā)展到一定程度將威脅結(jié)構(gòu)的使用安全和使用壽命，嚴(yán)重情況下可導(dǎo)致重大事故和巨額經(jīng)濟(jì)損失，針對(duì)性地開展與不同階段混凝

2、土材料及結(jié)構(gòu)檢測(cè)目標(biāo)需求相適應(yīng)的參數(shù)識(shí)別及損傷檢測(cè)理論方法及技術(shù)研究具有非常重要的理論意義和工程價(jià)值。
　　本文針對(duì)混凝土材料及結(jié)構(gòu)全壽命周期不同階段的參數(shù)識(shí)別及損傷檢測(cè)需求，利用壓電智能材料響應(yīng)速度快、頻響范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、易加工成型、成本低等優(yōu)點(diǎn)，開展了基于壓電超聲傳感與驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)的、主動(dòng)的混凝土材料和結(jié)構(gòu)全壽命周期的無(wú)損檢測(cè)研究。論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果包括：
　　1.在早期凝固階段，亦即混凝土材料的施工期

3、，針對(duì)貫入阻力方法不適應(yīng)于對(duì)混凝土材料早期特性現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和連續(xù)監(jiān)測(cè)，以及基于壓縮波波速的混凝土材料早期特性測(cè)量方法受水泥基材料中含氣量影響大的缺點(diǎn)，提出了利用埋入式壓電晶片彎曲元發(fā)射和接收剪切波來(lái)對(duì)混凝土材料的早期特性進(jìn)行測(cè)量的方法。將測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)的商用超聲波傳感器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明了測(cè)量結(jié)果的有效性和可靠性；研究了試驗(yàn)設(shè)置、水灰比、骨料成分等因素對(duì)壓縮波和剪切波波速測(cè)量的影響；首次發(fā)現(xiàn)了在凝結(jié)過程中剪切波波速變化與水泥砂漿貫入阻

4、力變化之間所存在的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。為實(shí)際工程中混凝土初凝和終凝時(shí)刻的確定提供了一種基于剪切波波速測(cè)量的在線的連續(xù)的測(cè)試方法。
　　2.在服役期，針對(duì)受損生物智能自愈合混凝土的自愈合過程發(fā)展進(jìn)行緩慢，傳統(tǒng)超聲波方法由于對(duì)微小變化不夠敏感，對(duì)其難以進(jìn)行精確測(cè)量與表征的難題，提出了基于超聲尾波干涉的生物智能混凝土自愈合過程監(jiān)測(cè)方法。利用波的擴(kuò)散理論確定了合理的超聲尾波干涉計(jì)算窗口，對(duì)一系列不同設(shè)計(jì)的試樣進(jìn)行了長(zhǎng)期的自愈合過程監(jiān)測(cè)；研究了細(xì)

5、菌含量、損傷工況、養(yǎng)護(hù)方案等對(duì)自愈合過程的影響，并對(duì)其進(jìn)行了定量的刻畫。該研究加深了我們對(duì)微生物礦化作用下混凝土內(nèi)部裂縫自愈合過程的理解，并提供了一種新的可用于刻畫該過程的無(wú)損檢測(cè)方法。
　　3.針對(duì)現(xiàn)有的兩種超聲尾波干涉計(jì)算方法，互相關(guān)法和伸展法，由于需要進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算以及重新抽樣等所導(dǎo)致的計(jì)算效率低下問題，提出了一種新的基于泰勒級(jí)數(shù)展開的超聲尾波干涉計(jì)算方法。所提方法基于對(duì)干擾信號(hào)的泰勒級(jí)數(shù)展開進(jìn)行計(jì)算，無(wú)需互相關(guān)和重抽樣計(jì)算

6、，使得計(jì)算的效率大大提高。研究了計(jì)算窗口位置、伸展系數(shù)等對(duì)所提方法計(jì)算結(jié)果的影響；對(duì)比了所提方法與現(xiàn)有超聲尾波干涉方法的計(jì)算效率；并在數(shù)值算例和真實(shí)試驗(yàn)算例中驗(yàn)證了所提方法的有效性。
　　4.在損傷加固階段，針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)在加固及后續(xù)服役過程中出現(xiàn)的界面剝離問題，提出了基于壓電主動(dòng)超聲的CFRP-混凝土界面剝離檢測(cè)方法，并利用虛擬儀器LabVIEW建立了基于壓電主動(dòng)超聲的CFRP-混凝土界面剝離監(jiān)