《考慮環境影響基於壓電阻抗的混凝土結構損傷識別研究》是依託華中科技大學，由朱宏平擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：考慮環境影響基於壓電阻抗的混凝土結構損傷識別研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：朱宏平
- 依託單位：華中科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
混凝土早期的微小損傷若未及時發現，會引發結構的累計損傷，從而導致結構的突發性失效，及時準確地識別混凝土早期微弱和潛在的損傷，一直是混凝土結構工程領域的難題。基於壓電陶瓷(PZT)監測信號的電機耦合阻抗(EMI)具有對結構微小損傷敏感、反應迅速等特點，被證明是一種有效的混凝土微小損傷識別方法，但是環境變化(溫度、濕度) 、PZT與混凝土結構粘結層特性對EMI損傷識別結果影響顯著。本項目研究環境變化(溫度、濕度)對PZT阻抗的影響規律，改進減小環境因素影響的PZT保護措施，探求剔除環境因素對混凝土損傷EMI特徵參數影響的信號處理技術，建立考慮PZT與混凝土結構粘結層特性的三維EMI損傷識別模型，通過基於細觀損傷的小波譜有限元法開發抗環境影響的混凝土微損傷EMI定量識別技術，進一步通過數值分析、模型實驗與實際工程套用驗證其精確性、有效性，為混凝土結構健康評估提供準確與可靠的依據。
結題摘要
混凝土結構微小損傷若未及時發現，會引發累計損傷導致結構失效。基於有效機械阻抗理論，建立可以隔絕環境影響的植入式壓電感測器(PZT)與結構耦合二維阻抗模型，得到植入式PZT與結構耦合二維模型導納表達式。將介電常數、壓電常數、複合楊氏模量和介電常數等參數的溫度函式帶入導納表達式，計算不同溫度工況下的導納理論值。理論解析結果表明隨溫度升高導納曲線共振頻率和峰值均線性增加。建立三維有限元數值模型分析溫度對單個PZT、貼上式和植入式PZT-混凝土結構阻抗的影響規律，並製作內部植入和表面貼上PZT的混凝土試塊，研究混凝土熱傳導對裂縫損傷識別結果的影響。利用導納及其均方根偏差定量評估了溫度對混凝土微裂縫損傷識別的影響，結果表明溫度變化對混凝土損傷識別結果具有明顯放大作用。結合PZT阻抗與譜單元法對混凝土結構微小損傷進行定位和定量識別，構建鐵木辛柯梁在完整及裂紋狀態下譜單元剛度矩陣，對其控制微分方程進行拉普拉斯變換，通過位移邊界條件得到無損和裂紋梁的譜單元剛度矩陣；利用單元集成方法組裝獲得結構的整體剛度和荷載矩陣，並求解各節點處的振動回響值。將PZT激勵電壓轉化成一般荷載並獲取結構回響，選擇回響的四階統計矩作為結構損傷指標，計算統計矩的歐幾里得距離，用差分進化算法對目標函式進行最佳化得到準確的損傷位置和裂紋深度。利用無損梁及附加質量和裂紋損傷數值模型驗證了該方法的精確性。最後提出排除環境影響的溫度補償方法。給定溫度引起的導納頻率偏移量並修正溫度影響下的導納曲線頻率偏移，並對修正前後的導納曲線作相關性分析，重複計算相關係數找到其最小值對應的頻率偏移量進而補償溫度影響。分別對無損和帶裂縫混凝土試塊在變溫條件下的導納曲線進行補償，消除了溫度對損傷識別結果影響，證明了所提方法的有效性。進一步通過對足尺混凝土隧道管片結構的長期監測補償研究，結果表明利用該方法有效降低了環境影響，大幅提高了混凝土結構微小損傷識別的精度。
