土木工程结构健康监测中的压电传感技术研究

从压电方程入手,分析了采用压电陶瓷传感器进行动态应变传感的原理和计算公式。通过实验研究了不同激振频率下压电传感器的动态响应,其电压特性曲线表明该传感器灵敏度高,且输入输出具有较好的线性关系。另外,输出电压与传感元件的厚度有一定关系,灵敏度随着厚度的增大而增大。此项研究结果为结构健康监测工程应用奠定了理论基础。     

道路压电微能量采集电路开发及应用效果研究

分析了现有电路用于道路压电能量采集存在的技术缺陷,基于标准能量采集电路提出2种改进方案,借助仿真软件系统研究了改进电路在不同电源激励下的能量采集功效,测试并评价了改进电路的实际应用效果,表明道路压电微能量的高电压、低电流、不连续瞬时、峰值电压不一致和低频等特性决定了现有采集电路难以实现对道路压电微能量的高效采集。仿真结果表明,标准能量改进电路可稳定输出5V直流电压,且持续充电270s即可实现稳定的2.2V直流输出。     

路面用环氧基压电复合材料制备及性能

为了制备适合于路面用的压电复合材料,以锆钛酸铅(PZT)为压电相,以环氧树脂为基体,采用压制成型法制备0-3型PZT/环氧树脂压电复合材料.分析了PZT的体积分数、制备工艺和极化条件对复合材料压电应变常数的影响,测试了环氧基压电复合材料的介电性能,并完成了动态荷载作用下压电响应的测试.研究结果表明:PZT的体积分数为75％时压电复合材料电性能最好;最佳的极化条件为极化电压2.25kV/mm、极化时间15min和极化温度90℃,但成型压力和成型时间对环氧基压电复合材料影响很小.在PZT体积掺量为75％,最佳成型和极化条件下,压电复合材料的介电常数及压电应变常数分别为210.53和64 pC/N;并在该复合压电材料施加正弦稳幅荷载(频率:10Hz,均值:-600N,幅值:400N),其可稳态输出8.1V电压,其储存的能量为304.2uJ.     

危岩破坏激振效应试验研究

危岩破坏瞬间存在能量突然释放问题,对相邻危岩体产生明显的激振作用,可采用激振加速度、峰值速度及激振位移表征。以坠落式危岩为例,进行危岩破坏激振效应模型试验,获得了13万多个危岩破坏激振加速度测试数据。试验结果表明,实验条件下危岩破坏激振作用持续时间30 ms左右,激振加速度、峰值速度及激振位移均是竖直方向大于水平方向,存在约2倍关系,竖向激振加速度最大可及48.7979 m/s²,竖向激振峰值速度达27.2 mm/s,竖向激振位移可及0.0560 mm。基于试验现象,分析了危岩破坏机理进一步研究中应高度重视的两个重要科学问题,即危岩破坏过程中主控结构面端部遵循纯拉状态→弱剪强拉状态→强剪弱拉状态→纯剪状态的演变规律,科学描述各阶段的力学演绎过程,危岩稳定性分析中应考虑危岩破坏激振效应,科学表征危岩破坏瞬间相邻危岩体的瞬时稳定性态。研究成果为进一步分析危岩破坏机制及致灾效应具有一定参考借鉴作用。     

基于压电陶瓷的钢管混凝土柱剥离损伤识别研究

设计和制作了一个局部区域存在模拟界面剥离损伤的矩形钢管混凝土柱,将压电陶瓷片用水泥砂浆封装制成驱动器,预埋入钢管混凝土柱混凝土内部,在信号源产生的正弦扫频电压信号的作用下产生激励信号,同时在钢管外壁不同区域粘贴压电陶瓷片作为传感器,测量具有模拟剥离损伤的钢管混凝土柱四个监测面上压电陶瓷片传感器的输出电压。分别对位于完好界面和模拟剥离损伤区域压电传感器输出信号进行了小波包总能量和小波包能量谱分析。发现完好区域小波包能量谱相对于小波包总能量而言离散性更小,且与压电陶瓷位置和应力波传播路径无明显关系。而剥离区域的小波包能量谱具有明显的差异,在此基础上提出了基于小波包能量谱的加权相对变化损伤指标,基于该指标对试验模型的界面损伤区域进行了准确识别。将该方法用于某超高层建筑的大截面钢管混凝土柱的混凝土质量和界面粘结性能的评估中,分析结果表明该钢管混凝土柱的混凝土质量和界面间接性能良好。本文所提出的方法为监测钢管混凝土柱内部混凝土与钢管壁粘结状况提供了一种新的思路。     

Winkler地基梁中压电能量收集的理论研究

为探究压电俘能装置在常见土木工程结构中的应用,文中建立了将片式压电俘能装置贴于Winkler地基梁底部的能量收集理论,研究了输出功率与压电片长度、压电片位置、地基刚度、外接电阻、激励频率间的关系。通过无量纲分析,得到当激励频率接近共振频率时,输出功率达到极大值,地基刚度越大,一阶共振频率越大;压电片位于梁中间,且长度越长时,输出功率较大;让输出功率达到最大的外接电阻与压电片参数和激励频率有关。结合实际结构和材料特征,合理分布压电片、设置外接电阻大小时,压电片俘能功率密度为1.25W/m2左右。     

爆破激振条件下的岩体阻尼测试方法研究

岩体阻尼是岩体的重要动力学参数。块体激振试验法是目前现场岩体阻尼测试最主要的方法,但这种测试方法耗费较大。通过爆破激振来测求岩体的阻尼比是一种相对简便、高效的方法,该方法需要扣除因能量的几何扩散而产生的几何阻尼的影响。为此按黏弹性阻尼模型推导出通过面波衰减计算岩体阻尼比的公式,并在海阳核电厂分别采用单孔和多孔爆破激振进行岩体阻尼试验,对得到的试验数据采用小波包进行分析。为检验该测试方法的测试效果,在同一场地按照规范进行激振试验测试,测试结果表明:通过爆破激振法测得的岩体阻尼比略大于通过块体激振法测得的岩体阻尼比,爆破激振法测得的岩体阻尼比随着爆源距的增加而减小,爆破激振的振动频率对测得的岩体阻尼比有一定影响。测试的对比结果表明利用爆破激振产生的岩体振动信号中的信息来计算岩体阻尼比具有一定的可行性。     

压电瞬态响应在换能器声功率测量中的应用

探索一种简便的聚焦超声功率测量方法,利用压电陶瓷片直接接收超声信号,通过机电类比得到压电瞬态响应由压电片在声波作用力下引起受迫振动产生的电压响应与固有振动产生的高频衰减响应叠加而成,分析输出压电信号与换能器声功率之间的换算关系。对输出压电信号进行二次包络提取,获得表征声功率变化的电压幅度曲线,分别找出不同换能器驱动电压下包络曲线的最大峰值电压,将其平方值与声功率计所测声功率进行线性拟合,并对理论关系式中的比例系数进行标定。实验结果所得线性拟合度较高,且标定后所得声功率与声功率计所测值相对误差低于8.7%,证明了通过压电瞬态响应测量换能器声功率具有可行性。     

基于振源-传播模型的地铁引起地面振动数值预测

针对上海地铁运行引起地面振动的预测问题,应用振源模型计算不同车速对轨道基础的激振力,应用传播模型计算不同激振力输入下的地面振动加速度,建立了“地铁-隧道-土层”系统动力有限元模型。通过对比数值模拟结果与实测结果,分析了不同因素对地铁引起地面振动的影响规律。结果表明:随着地铁车速增加,振源激振力和地面振动加速度的幅值均明显增大;地面上距地铁中心线30 m范围内各点振动加速度峰值随距地铁中心线距离由近及远呈幂函数形式衰减;地面振动加速度频率主要为低频振动,随着距地铁中心线距离的增大,高频衰减相对于低频更为明显;建议上海地区建筑尽量在地铁中心线20 m范围外进行规划,或采取降低设计车速、减轻车辆荷载、优化隔振措施等方法,减少地铁运行引起地面振动对地面建筑及居民生活的影响。     

分段电极多悬臂梁压电振子多模态发电能力研究

研究一种分段电极配置多悬臂梁压电振子的多模态发电能力。通过分析悬臂梁压电振子沿梁长度方向的应变变化情况,获得不同质量比的压电振子在二阶弯曲振动时的应变节点位置。实验测试分段电极和连续电极配置多悬臂梁压电振子在不同谐振区的发电能力,并进行对比分析。结果表明,分段电极配置的多悬臂梁压电振子在二阶弯曲振动时的工作频率范围为400～480 Hz,其峰值输出电压约为连续电极的2.5倍,相比于连续电极配置,分段电极配置可有效提高多悬臂梁压电振子在高频振动时的发电能力,实现宽频俘能。