利用压电智能骨料对混凝土结构损伤的识别研究

通过试验验证利用压电陶瓷(如PZT)智能骨科对混凝土结构在静力荷载作用下进行健康监测的有效性.通过在混凝土结构中预埋智能骨料作为作动器和传感器,发射和接收检测信号,应用基于小波包能鞋参数的损伤判定方法,对结构的健康和损伤信号能量进行对比和分析,确定损伤指数(RMSD).试验结果表明:利用PZT智能骨料能够有效地对混凝土结构在静力荷载作用下的损伤状况进行实时监测,并利用所提出的方法进行损伤的初步判定.     

方钢管约束混凝土柱轴压损伤性能研究

为了研究方钢管约束混凝土短柱在循环荷载作用下的破坏过程及损伤演化规律，设计了4种径厚比、三种混凝土强度共12个方钢管约束混凝土短柱轴压试验，并利用声发射技术监测试验全过程。观察和分析了试验现象和破坏过程；通过声发射监测技术分析了钢管内部混凝土的损伤演化规律。试验结果表明，约束混凝土的破坏过程划分为四个阶段，分别为弹性阶段、微裂缝稳定扩展阶段、微裂缝不稳定扩展阶段及破坏阶段。声发射信号监测到的声发射能量演化结果可以较好的反映内部混凝土损伤，结合试件破坏过程，分析各组试件的损伤累积过程。     

基于压电智能骨料的混凝土冻融损伤检测

选用嵌入压电智能骨料(SAs)的混凝土试件,对混凝土进行冻融损伤研究。针对两个棱柱体混凝土试块进行了80次冻融循环实验,并采用一种主动检测方法,即通过发射频率为1Hz、2Hz和5Hz的应力波信号来研究混凝土冻融损伤规律,并与传统的动弹模测试方法进行了对比。结果表明:压电智能骨料主动监测,可以有效地反映混凝土内部的冻融破坏过程。利用信号幅值分析和信号能量分析两种信号处理方法,可以对混凝土冻融损伤进行有效的评价。     

不同加载速率下CFRP加固混凝土梁动态力学性能试验研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,为此对CFRP加固混凝土梁试件开展了4种加载速率(0.1、0.01、0.001mm/s和0.0005mm/s)下的力学性能试验，通过位移控制的单调加载方式研究不同加载速率对CFRP加固混凝土梁试件的破坏过程、荷载-裂缝张口位移曲线、断裂能和延性指数的影响。基于实时、动态的声发射无损检测技术，对不同加载速率下CFRP加固混凝土梁断裂过程中的声发射参量进行识别和采集，从声发射角度分析了CFRP加固混凝土梁的受力特性。结果表明：低加载速率下，试件侧面预制缝附近伴有其他裂缝产生，且加载速率越低，其裂缝越明显；CFRP加固混凝土梁的开裂、极限、破坏荷载随加载速率的提高而增大；随着加载速率的提高，CFRP加固混凝土梁的断裂能和延性指数均明显增大；声发射累积振铃计数随加载速率的提高而增大。     

再生混凝土临界破坏特征及单轴压缩损伤本构方程

制作了5组不同再生粗骨料取代率的再生混凝土棱柱体试件并进行单轴压缩试验,采集棱柱体试件单轴受压全过程声发射(AE)参数,绘制单轴压缩应力-应变曲线。通过分析声发射能量参数,绘制压缩破坏过程中时间-声发射累计能量曲线,采用幂函数Power公式对该曲线进行拟合,将试验曲线与拟合曲线进行对比,结合能量加速释放理论对再生混凝土损伤过程声发射能量释放规律进行分析;将声发射累计能量突增的时刻视为临界破坏点,用受压全过程采集的声发射振铃计数定义损伤变量,考虑再生掺量带来的初始损伤,用再生粗骨料取代率百分数定义再生参数,借助Weibull统计方法与损伤理论建立声发射损伤演化模型,建立考虑再生粗骨料初始缺陷影响的声发射损伤本构方程,并将新建方程拟合应力-应变曲线与试验曲线进行对比。结果表明：拟合曲线与试验曲线吻合良好,新方程能够较好地描述再生混凝土的损伤演化过程。     

聚丙烯纤维混凝土单轴受压损伤机理研究

考虑聚丙烯纤维体积掺量和长径比两因素,设计制作了7组混凝土试件,通过单轴受压应力-应变全曲线试验,研究了聚丙烯纤维对混凝土力学行为的影响。采用声发射信号采集系统同步监测混凝土内部损伤演化过程,分析了聚丙烯纤维混凝土单轴受压损伤机理。结果表明,聚丙烯纤维显著改善了混凝土的峰后延性和抗压韧性。混凝土试件贯通裂缝形成时,声发射撞击数突增,应力迅速下降,损伤发展较快。随着纤维体积掺量增加,试件声发射累计撞击数逐渐增大;纤维长径比为280时,声发射累计撞击数最大。聚丙烯纤维混凝土破坏时剪切裂纹所占裂纹总数比重较大,试件呈现剪切破坏形态。     

基于DIC技术的混凝土热力损伤破坏分析

混凝土的热力损伤行为会严重危及能源工程结构的运维安全。为此,本文开展了两类不同骨料体积分数的模型化混凝土单轴受压试验,并基于DIC技术对试验过程中混凝土裂缝进行跟踪,从细观力学角度分析在不同次数亚高温循环下试件的裂缝扩展情况,探究了亚高温循环作用后界面过渡区形变对混凝土力学性能的影响。研究表明,粗骨料体积分数大的模型化混凝土试件的强度和弹性模量相对较小,且在亚高温循环中体积膨胀较为明显,砂浆层因此出现较大拉应力使试件在未加载时出现裂缝。未经过高温循环的试件裂缝首先出现于砂浆层,经过亚高温循环的试件裂缝首先出现于界面过渡区。亚高温循环作用会加速界面过渡区未水化颗粒的水化以及部分水化产物的碳化,导致粗骨料和砂浆之间的粘结性能降低,界面过渡区孔隙率增大、更易产生裂缝;且随着循环次数增加,模型化混凝土试件破坏程度加剧。     

大体积混凝土早期裂缝实时监测

利用声发射技术对大体积混凝土早期裂缝进行现场实时监测,采用水泥基压电复合材料制备的埋入式声发射传感器对某高层基础裂缝『青况进行监测。通过分析声发射监测数据,表明大体积混凝土浇筑后2~4d裂缝开展最为剧烈,大体积混凝土裂缝较多发生于中上部,并得出温度梯度与大体积混凝土裂缝发展的关系。     

基于区域相关性的岩石损伤声发射探测与成像方法研究

 为实现岩石破裂过程的超声波探伤成像–声发射一体化监测,深入研究岩石损伤演化与声发射间的关系。在超声波透射型探测和射线追踪成像理论基础上,从岩石内部区域相关的角度考虑岩石的不均匀性、各向异性,构建了基于声发射AST模式的岩石损伤探测成像方法。着重阐述了损伤探测成像方法的原理、离散速度场的构建、分量速度场矩阵的求解、多分量速度场间复合运算规则、待估物元的搜索方法及最终的损伤探测成像方法。通过选择较为完整无明显缺陷的岩石试件、含有严重损伤缺陷的岩石试件以及存在特殊结构的岩石试件,进行成像方法验证。研究结果表明：基于声发射AST模式的岩石损伤探测法具有良好的探测与成像效果,不仅能定位岩石内部损伤缺陷,还能识别与损伤缺陷相关的弱化区域。该方法可以实现超声波探伤成像与声发射信号的同步监测,为后期开展岩石损伤区域圈定、损伤动态发展的跟踪、岩石破裂动态损伤多指标量化评价、岩石破裂损伤演化与声发射间的关系研究提供了基础。     

锈蚀钢筋混凝土声发射在线监测试验研究

采用声发射技术,对锈蚀过程中的钢筋混凝土试件进行在线监测,研究声发射信号与实际锈蚀位置及锈蚀程度的关系.结果表明：钢筋混凝土加速锈蚀过程中,声发射定位结果图与试件锈蚀的位置和分布情况,声发射定位事件数与试件实际锈蚀程度都有较好的一致性.利用声发射技术对试件的整个锈蚀过程进行在线监测是可行的,在线监测的声发射信号数据可以有效地反映钢筋锈蚀的分布及程度.     

Identifying technology for structural damage based on the impedance analysis of piezoelectric sensor

PZT piezoelectric ceramic was used as sensing element to fabricate piezoelectric sensor. The fabricated PZT piezoelectric sensor was embedded into and affixed to the structure to detect the structural damage, respectively. The structural crack damage was investigated using the impedance spectra of the sensor. The results show that the electric impedance of the PZT piezoelectric sensor with both different arrangements can reflect the variations of the structural crack damage in the testing frequency ranges. In the frequency range of 20–70 kHz, both the impedance value and the resonance frequency of the embedded PZT piezoelectric sensor can show the incipient crack damage and the increase of crack depth clearly. The impedance spectra of the affixed and embedded PZT piezoelectric sensors show the similar variation regularity with increasing the structural crack damage degree. Furthermore, the impedance spectra variation of the PZT piezoelectric sensor with different arrangements in the thickness resonance frequency range is more obvious than that in the planar resonance frequency range. A scalar damage metric is presented based on the impedance spectra of the PZT piezoelectric sensor around the resonance frequency, and the cracks in different positions of the structure were also analyzed using the damage metric. The variation of structural crack damage can be observed effectively and obviously using this damage metric.     

基于压电阻抗效应的套筒灌浆饱满度识别与应用

钢筋套筒灌浆连接是装配式混凝土结构中纵向钢筋连接的重要形式,套筒灌浆饱满是保障钢筋有效锚固和应力有效传递的前提。但套筒灌浆属于隐蔽施工工艺,对灌浆是否饱满进行判断颇具难度。文章进行压电阻抗识别套筒灌浆饱满度的试验,研究灌浆料饱满程度及压电片布置位置对压电片电导信号的影响,得到沿套筒高度不同位置处压电片电导信号 频率关系曲线,根据电导信号频谱曲线变化和曲线均方根偏差统计指标RMSD判断套筒灌浆饱满程度。研究结果表明：布置在套筒连接区域上部的压电片测得的电导信号稳定可靠,可以通过该位置处电导信号频谱曲线波峰处谐振频率变化和均方根偏差指标RMSD的变化有效识别套筒内部灌浆饱满度。同时提出工程中基于压电阻抗效应的套筒灌浆饱满度识别和等级评定方法,利用该方法对装配式混凝土框架柱和剪力墙中套筒灌浆饱满度进行识别应用,获得了良好效果。     

Decentralized damage identification using wavelet signal analysis embedded on wireless smart sensors

In this paper, a decentralized damage identification method using wavelet signal analysis tools embedded on wireless smart sensors (Imote2) has been proposed and experimentally validated. The damage identification analysis is decentralized by calculating discrete wavelet coefficients for acceleration in Imote2 sensors and transmitting the wavelet coefficients to a base station for damage identification through wavelet entropy indices. The wavelet entropy is modified to serve as a damage-sensitive signature that can be obtained both at different spatial locations and time stations to indicate existence of damage. It is known that wavelet-based approaches have clear advantages over Fourier transform-based ones for damage identification, since the wavelet transform allows for a wider choice of basis functions. This flexibility allows the wavelet transform to isolate changes in a signal that may be difficult to detect using other transform methods. To assess the reliability of the measurement signals, the wireless sensors have been compared with reference wired sensors. The proposed decentralized method for damage identification is verified via experimental tests using two laboratory structures: a three-story shear building structure and a three-dimensional truss bridge structure.     

Shear-critical reinforced concrete columns under various loading rates

This paper presents an experimental study of shear-governed reinforced concrete columns subjected to different loading rates. Four typical short columns were tested cyclically with loading rate of 0.05, 1, 3, and 5 Hz, simulating seismic load. Test result indicated that the loading rate does not affect the column behavior when the rate is up to 5 Hz. Furthermore, Carbon Nano-Fiber Aggregates (CNFAs) were utilized as internal sensors to detect the damage in the column. The test result shows that the CNFAs work well sensing the structural behavior. The CNFA output was further quantitatively correlated to the structural damage level. Finally, a finite element analytical model was constructed to describe the behavior of short columns with shear failure. The analytical model successfully modeled the cyclic loading test results.     

空间谱估计在Lamb波的结构损伤检测中的应用

考虑到阵列信号处理中空间谱估计能得到信号的波达方向的特点,本文将空间谱估计引入到基于Lamb波的结构损伤检测中。选择了最具代表性的多重信号分类算法进行分析,利用其对波达方向的估计对损伤进行定位。首先介绍了多重信号分类算法的特点及Lamb波的基本原理,然后通过在铝板上开小孔模拟损伤进行仿真。选取结构上布置的传感器阵列中的一个压电片激励Lamb波,随后收集阵列中所有传感器的波信号,对接收信号采用多重信号分类算法进行波达方向分析,可以从中比较准确地估计出结构损伤发生的角度,仿真结果表明空间谱估计中对波达方向的估计可以应用于结构的损伤检测中。     

基于概率成像方法的装配式剪力墙地震作用下损伤演化分析

为了有效监控地震作用下装配式剪力墙裂缝损伤发展过程,提出了基于压电导波的改进概率成像分析方法。通过布设阵列传感器将待检测区域划分为多个子区域,根据发射与接收信号的相干函数提取有效信号;以该有效信号为输入信号,分别计算各子区域中基于信号能量特征差异系数的损伤指标,并利用概率统计方法对该损伤指标进行筛分,排除环境因素的影响;由损伤概率成像算法对检测区域内产生的所有裂缝位置进行叠加成像并提取图像阈值,从而实现装配式剪力墙在地震过程中裂缝损伤发生的判断、定位及演化分析。通过装配式框架-剪力墙结构的振动台试验验证了所提方法及裂缝损伤演化分析的有效性。所提出的改进损伤概率成像分析方法可直观有效地检测装配式剪力墙在地震作用下裂缝损伤的发生、位置及演化过程,可用于装配式结构的损伤监测。     

0-3型水泥基压电传感器动力特性研究

基于压电—弹性理论,给出了正弦荷载作用下0-3型水泥基压电传感器的精确解,讨论了荷载对传感器产生的位移、电势的影响;压电材料粉末体积含量对位移、电势的影响;荷载对传感器内部应力的影响。     

Application of contactless ultrasound toward automated inspection of concrete structures

In this paper we demonstrate the potential of contactless ultrasonic sensing for rapid and automated characterization of concrete structures. Practical generation and detection of ultrasonic surface waves are made possible using air-coupled sensors, offering the potential to overcome limitations associated with infrastructure assessment measurements. The objective is to demonstrate enhanced performance when miniature, micro-machined sensors (MEMS) and high voltage solid-state capacitance transmitters are used in a scanning configuration, suitable for automation. The employed sensors, system and testing configuration, with respect to sensor height and incident angle, are described. An optimal test configuration is defined and incorporated into a controlled scanning system. Tests with the optimized configuration were carried out on reinforced concrete elements: a pre-stressed concrete rail tie that contains rail seat damage and concrete blocks with varying levels of simulated micro-cracking damage. In both cases, obtained surface wave velocity and attenuation signal characteristics show sensitivity to concrete material damage.     

基于光纤光栅传感的结构损伤诊断试验研究

简述了光纤光栅传感器的传感原理。为了说明基于光纤光栅传感的结构损伤诊断的效果好,制作了带孔的悬臂梁结构,用盖板封住或去掉来模拟结构的完好和损伤,在结构开孔处和参考点处分别粘贴光纤光栅传感器来测量结构的应变模态,通过结构应变模态在损伤前后的变化作为结构的损伤指标识别结构的损伤。试验结果表明,光纤光栅传感器具有很高的测量精度,并能很良好地识别结构的损伤。     

底层框架震损结构断柱装垫加固方法研究

对汶川地震中底层框架震损或倒塌而其它层破坏较轻的框架结构和底框结构房屋的破坏原因进行了分析,为了避免该类结构需推倒重建造成的经济损失,提出了将隔震和消能减震技术应用于该类震损结构中的加固新方法——断柱装垫法,给出了基底断柱装垫、层间断柱装垫和层间断柱装垫加消能减震三种方案。结合某工程算例,对底层破坏的框架结构采用上述3种方案进行了分析,结果表明,采用断柱装垫方法加固底层框架震损而其它层破坏较轻的框架结构是可行的,并且加固后的结构抗震性能得到明显的改善,能达到新的抗震设防要求。