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实时,在线的结构健康状况诊断方法的研究对于已经服役的大型结构的健康状况的评估是很重要的,特别是对于微小损伤的诊断。近十年来,压电阻抗技术应用于结构健康监测引起了广泛的关注。其基本原理是:结构的损伤将引起结构机械阻抗的变化,由于结构的机械阻抗难以通过直接测试获得,可利用压电材料的机电耦合效应,将测试结构的机械阻抗转化为测试与之相关的压电材料的电阻抗或者电导纳,在测得的压电材料电阻抗信息中便包含了结构损伤状态的信息。
本文所开展的主要研究工作和取得的主要成果为:
一、利用压电阻抗技术对工程结构中常见的梁杆钢制构件进行了压电阻抗损伤识别实验研究。实验结果表明:模型损伤发生后导纳的模态峰值发生向左的偏移,不同频域内导纳信号对于结构损伤的反应不同,一个合适的频域可以使导纳信号能更好地判断结构是否发生了损伤。另外,实验结果同时验证了有限元模型的正确性。
二、制作3种不同配合比的标准试块,将压电片粘贴于混凝土标准试块表面和埋置于试块体内,利用压电阻抗技术,对混凝土立方体标准试块的强度发展进行了监测。试验结果表明随着养护龄期的增长,表面粘贴和体内埋置两种压电片的导纳谱均发生了变化,但是变化形式不同。对两种压电片电导信号采用不同方式处理:对表面压电片计算其模态频率的变化,对内置压电片则引入指标δ进行计算。计算结果表明,模态频率的变化和δ值与标准试块抗压强度存在定量关系,证明了采用压电阻抗技术监测混凝土强度发展是一种可行且可靠的无损监测方法。
三、将压电片分别贴在一根钢筋混凝土简支梁的两个侧面,利用一根分配梁对该简支梁进行三分点加载,并利用压电阻抗技术对该简支梁在荷载作用下直至破坏的过程进行了监测,探索其在整个加载直至破坏过程中压电阻抗信号的变化规律。实验研究结果证明:在高频激励下,压电阻抗信号在一定范围内对裂缝非常敏感,而当压电片距离裂缝超过一定距离时,压电阻抗信号对裂缝的灵敏度则会大大降低。对压电阻抗信号引入导纳的绝对值平方和指标(MAPD),并计算压电阻抗信号在各个加载阶段下的MAPD值,发现随着裂缝发展逼近压电片,MAPD值增大明显。即证明了利用压电阻抗技术监测混凝土结构裂缝发展的可行性。
四、利用通用有限元软件ANSYS,建立自由压电片的三维有限元模型。并通过改变压电材料参数取值模拟温度对压电材料导纳谱的影响。对自由压电片及压电片-粘结层-主体结构三者耦合结构展开实验研究,提取不同温度下的导纳值,得到的结果与数值分析结果吻合。导纳频谱随着温度的增加发生了向上的平移,且共振峰值增加,电纳频谱对于温度比电导频谱更敏感。提出了一种温度补偿的经验方法,并通过实验数据验证了其有效性。