基于机电阻抗法的套筒灌浆缺陷检测试验研究

该文针对预制装配式结构中灌浆套筒的灌浆质量检测问题,利用在套筒表面不同位置粘贴的压电陶瓷片,对具有不同程度灌浆缺陷的半灌浆套筒试件进行机电阻抗测量,建立缺陷评价指标,并对不同测点的缺陷评价指标与缺陷程度的关系进行了定量分析。试验结果表明,缺陷评价指标与灌浆缺陷程度相关,基于阻抗测量能有效检测出不同程度的人工模拟套筒灌浆缺陷。     

基于压电传感器的混凝土损伤检测数值模拟

该文基于ABAQUS有限元软件建立了压电陶瓷材料与混凝土的机 电多物理场耦合数值分析模型,对压电波动法检测混凝土裂缝和弹性模量测定进行数值模拟,探究其损伤识别的机理。采用C3D8E压电单元模拟压电陶瓷(PZT),采用C3D8R单元模拟混凝土梁,采用三维时域粘弹性人工边界消除边界对应力波的反射。模拟结果表明,嵌入式PZT片激发的应力波包括纵波和剪切波,其中剪切波的幅值比纵波大,传播速度比纵波慢。以信号相对能量(Di)作为损伤程度判别因子,其值随着裂缝的深度增加而降低。将数值模拟计算的Di和混凝土的动弹性模量(Ed)与试验结果进行对比,符合较好,说明有限元方法可以有效地解决该类问题。     

灌浆缺陷套筒应力波传播数值模拟研究

灌浆套筒是装配式混凝土结构的关键连接部件,内部灌浆缺陷会严重影响结构力学性能。该文利用机电耦合数值模拟法对基于压电陶瓷驱动下灌浆缺陷套筒内应力波传播特性进行了研究。通过对比健康状况和设置有不同程度灌浆缺陷的套筒模型上的压电陶瓷片测量电压幅值,分析了缺陷与测量信号的关系,并定义了缺陷评价指标评估套筒灌浆缺陷程度。结果表明,套筒灌浆缺陷导致压电片接收压电幅值显著增大。所定义的缺陷评价指标能有效识别套筒内部的灌浆缺陷,基于粘贴压电传感器的应力波测量了用于反映套筒灌浆缺陷的影响。     

基于压电阻抗技术的木梁损伤识别研究

利用压电阻抗技术对粘贴有压电陶瓷(PZT)传感器的无损木梁和带孔洞损伤的木梁进行数值模拟和实验研究,并用损伤指数,即均方根偏差(RMSD)来定量评估木梁的阻抗值随损伤程度和损伤位置的变化关系。计算结果表明,利用压电阻抗法能够有效识别木梁的局部损伤,当PZT贴片和损伤位置的间距一定时,RMSD随损伤程度的增大而增大;当损伤程度一定时,RMSD随PZT贴片和损伤位置间距的增大而减小,数值结果与现有实验结果规律一致。相关结论证明了利用压电阻抗技术检测木梁局部损伤的有效性,可为工程实际提供参考。     

基于压电阻抗的钢管砼柱横隔板剥离缺陷检测

该文提出了一种基于压电阻抗测量的大型不规则多腔钢管混凝土柱中横隔板下与核心混凝土的界面剥离缺陷检测方法。在横隔板上、下表面粘贴压电陶瓷片并在横隔板以下混凝土中嵌入压电功能元,对压电材料的机电耦合阻抗进行测量,结果表明,界面剥离缺陷区域的压电陶瓷片和嵌入式压电功能元的阻抗测量结果出现明显变化。通过机电耦合阻抗测量可实现大型不规则钢管混凝土柱横隔板下表面与混凝土的界面粘结缺陷的有效检测。     

基于压电陶瓷的结构损伤检测技术

根据压电材料的压电效应,压电陶瓷片(PZT)既可作为传感器又可作为驱动器。将压电陶瓷片粘贴在待测结构的表面,运用压电阻抗技术,对结构中螺栓松动的损伤进行检测分析。实验证明,通过检测压电动态阻抗的变化即可分析出螺栓松动的结构损伤情况。基于压电陶瓷的结构损伤检测技术,可以对机械结构进行实时在线损伤检测,它不仅适用于宏观损伤检测,且在高频激励下,对于微小损伤的检测也非常有效。     

基于压电陶瓷的孔道压浆密实性监测数值模拟

针对预应力混凝土结构中孔道压浆不密实的问题,利用有限元ABAQUS软件建立了预应力混凝土有限元数值模型,采用压电波动法进行主动传感监测。其中,在该数值模型的波纹管纵向3个横截面底部各粘贴1个压电陶瓷片,作为发射信号的驱动器;在同一横截面的不同高度和顶部分别粘贴压电陶瓷传感器,形成“一发七收”和“区域交叉”的横、纵向监测方式。数值模拟了不同压浆情况下的应力波传播规律,并对传感器接收的响应信号进行时域分析。结果表明,当压浆水平抵达某传感器位置时,由于波纹管底部驱动器发出的应力波可通过灌浆料传播至传感器处,使得该传感器接收到的时域信号幅值明显增大,后续随着压浆高度继续增加,该位置处的时域信号幅值基本保持稳定;当驱动器与传感器在同一纵向截面内时,通过监测时域信号幅值变化可得到传感器位置及其以下纵向区域的压浆水平,并根据横、纵向相结合的监测方法,可准确得到波纹管内真实的压浆空间分布情况。     

考虑粘结层和阻抗解析表达式的压电阻抗模型

引用根据自由梁振动原理得到的一维梁结构机械阻抗解析表达式,并考虑压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)和梁结构之间的粘结层对二者的应力应变传递过程的影响,改进了一维梁结构压电阻抗模型.在粘结系数ξ分别为0.01、0.02和1.00的3种粘结状态下,对5～80 kHz频率范围内PZT耦合电阻抗进行了数值计算.测量计算得到α-氰基丙烯酸乙酯、环氧树脂和改性丙烯酸酯三种粘结剂的粘结强度,分别为0.882 MPa、7.621 MPa和10.198 MPa,并在3种粘结状态下测量了5～80 kHz频率范围内PZT的耦合电阻抗.研究表明,数值模拟和实验测量所得的耦合电阻抗谱符合良好,数值计算与实验结果峰值对应频率的相对误差范围是0.25％～6.06％.     

基于表面波的钢管砼界面剥离检测模拟分析

钢管混凝土结构充分利用了钢管和混凝土的优点,具有优越的力学性能,被广泛应用于高层建筑及大型桥梁中。然而,钢管和混凝土间的界面剥离缺陷却会给结构力学性能带来负面影响,对隐蔽性的界面剥离缺陷进行有效检测很重要,基于同侧压电陶瓷片驱动与表面波测量进行检测易于实施。该文运用ANSYS建立了带界面剥离缺陷的钢管混凝土柱模型,通过在钢管混凝土柱表面同侧粘贴压电陶瓷(PZT)片进行驱动和传感,对具有不同长度缺陷的钢管混凝土柱的信号进行数值模拟分析,并与健康工况下的信号进行比较。数值模拟结果表明,界面剥离缺陷工况下的信号幅值较健康工况下大,且损伤程度与信号幅值改变呈正相关,损伤尺度越大,信号幅值越大。该文提出的基于表面波测量的界面剥离缺陷检测方法有效。     

基于压电超声导波的管道缺陷检测数值模拟

建立了压电材料与管道结构的超声与机械多物理场耦合有限元数值分析模型,采用ANSYS数值分析软件,在认识管道中导波频散特性的基础上,对利用压电陶瓷(PZT)激发的纵向导波进行数值模拟,探究压电超声用于管道损伤识别的机理。在管道模型的自由端周向分布16个PZT激励器激发入射导波,运用与之相距50mm处的PZT接收检测信号,对不同尺寸的单裂纹管道模型进行了数值模拟。结果表明,运用纵向导波检测能准确识别出管道缺陷的存在,且回波的幅值与缺陷尺寸有明显的正相关性,对接收信号时程进行分析可较准确地定位缺陷位置。     

压电波动法预应力混凝土锈胀监测数值模拟

受工作环境、服役时间等因素影响,预应力钢绞线将发生锈蚀,导致混凝土锈胀开裂,严重威胁着结构的耐久性。为了解构件的锈蚀开裂情况,提出了一种基于压电波动法监测预应力混凝土锈胀开裂的有限元模拟方法。运用Abaqus构建了基于压电波动法的预应力混凝土锈胀开裂细观模型,该模型由砂浆、骨料、构造钢筋、预应力钢绞线及压电陶瓷等组成。分析了压电-锈蚀PC构件机电耦合过程,实现了基于压电应力波法监测钢绞线锈蚀膨胀引发混凝土裂缝发生及发展的整个过程。研究结果表明,从锈蚀开始到轻微锈蚀阶段,压电电压信号峰值升高13.4%,首波接收时间缩短1.2%;从轻微锈蚀阶段到加速锈蚀阶段,直至理论锈蚀率阶段,受锈蚀裂缝影响,压电电压信号峰值降低,首波接收时间延长,电压变化分别减少6.6%和48.6%,首波接收时间分别增加6.0%和 29.8%。通过验证试验和模型在各阶段峰值电压的对比,其差值小于0.32 mV,验证了压电波动法监测预应力混凝土锈胀有限元模型的可靠性。     

钢管混凝土柱断面界面剥离缺陷检测试验研究

提出一种基于压电陶瓷激励与传感技术的钢管混凝土柱界面粘结缺陷检测方法。将嵌入式压电功能元和粘贴在钢管外壁的压电陶瓷片分别作为驱动器和传感器,比较不同频率简谐信号下传感器测量幅值,发现界面剥离区域传感器测量信号幅值明显小于无剥离区域传感器信号幅值,探讨了不同激励频率下所定义的损伤指标的变化。     

基于压电陶瓷的钢管混凝土柱早期强度监测

为研究钢管混凝土柱内部早期强度的增长规律,该文在现有混凝土早期强度监测技术基础上,提出一种基于压电智能骨料的早期强度检测方法。制作钢管混凝土柱试件,通过在钢管混凝土柱内部预埋智能骨料作为传感器和激励器,发射和接收信号,对混凝土早期强度增长过程中传感器采集到的数据进行分析,结果表明,传感器接收信号的电压幅值随着混凝土早期强度的增加而减少,混凝土早期强度在初始的1周内以较快的速度增长,1周后增长速度减慢,28d后强度为1个定值。与此相应,传感器接收信号电压幅值在初始1周内以较快的速度下降,随后下降速度减慢,最后达到稳定,电压幅值变化曲线与早期强度变化曲线相似。利用压电智能骨料能对混凝土早期强度发展过程进行有效监测。     

压电机敏混凝土原理

将压电元件埋入混凝土构件中，形成敏感网络，可以无源、主动、不间断在线监测混凝土工程结构的动态特性。为了同时实现对结构静特性的监测，用相同的压电元在电激励下产生声振动，声波在结构中传播，结构的静、动态特性都将调制声传播，其他的压电元将声信号转换成电信信号输出。压电机敏混凝土技术，充分利用了压电特性。可以实现结构的在线、不间断、主动及无源监测，解决了土木工程结构监测中空间大范围分布、时效性、能耗的要求。