基于主动超声混凝土全寿命参数识别与损伤检测-identification and damage detection of full-life parameter of concrete based on active ultrasonic.docx
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基于主动超声混凝土全寿命参数识别与损伤检测-identification and damage detection of full-life parameter of concrete based on active ultrasonic.docx
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优秀毕业论文
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摘要
摘 要
本课题来自与美国德克萨斯州交通部项目,项目编号为TxDOT0-6717及TxDOT0-6783。
混凝土材料因取材广泛、价格低廉、抗压强度高、养护费用低等特点,成为当今世界建筑结构中最主要的结构材料。
然而由于设计缺陷、施工质量、荷载作用和结构自身老化等原因,混凝土结构在其全寿命周期中不可避免地产生不同程度的缺陷和损伤,这些损伤发展到一定程度将威胁结构的使用安全和使用寿命,严重情况下可导致重大事故和巨额经济损失,针对性地开展与不同阶段混凝土材料及结构检测目标需求相适应的参数识别及损伤检测理论方法及技术研究具有非常重要的理论意义和工程价值。
本文针对混凝土材料及结构全寿命周期不同阶段的参数识别及损伤检测需求,利用压电智能材料响应速度快、频响范围宽、结构简单、功耗小、易加工成型、成本低等优点,开展了基于压电超声传感与驱动一体化技术的、主动的混凝土材料和结构全寿命周期的无损检测研究。
论文的主要研究内容和成果包括:
1.在早期凝固阶段,亦即混凝土材料的施工期,针对贯入阻力方法不适应于对混凝土材料早期特性现场检测和连续监测,以及基于压缩波波速的混凝土材料早期特性测量方法受水泥基材料中含气量影响大的缺点,提出了利用埋入式压电晶片弯曲元发射和接收剪切波来对混凝土材料的早期特性进行测量的方法。
将
测量结果与传统的商用超声波传感器测量结果进行了对比,证明了测量结果的有效性和可靠性;研究了试验设置、水灰比、骨料成分等因素对压缩波和剪切波波
速测量的影响;首次发现了在凝结过程中剪切波波速变化与水泥砂浆贯入阻力变
化之间所存在的一一对应关系。
为实际工程中混凝土初凝和终凝时刻的确定提供了一种基于剪切波波速测量的在线的连续的测试方法。
2.在服役期,针对受损生物智能自愈合混凝土的自愈合过程发展进行缓慢,
传统超声波方法由于对微小变化不够敏感,对其难以进行精确测量与表征的难题,提出了基于超声尾波干涉的生物智能混凝土自愈合过程监测方法。
利用波的扩散理论确定了合理的超声尾波干涉计算窗口,对一系列不同设计的试样进行了长期
的自愈合过程监测;研究了细菌含量、损伤工况、养护方案等对自愈合过程的影响,
并对其进行了定量的刻画。
该研究加深了我们对微生物矿化作用下混凝土内部裂缝自愈合过程的理解,并提供了一种新的可用于刻画该过程的无损检测方法。
3.针对现有的两种超声尾波干涉计算方法,互相关法和伸展法,由于需要进行互相关计算以及重新抽样等所导致的计算效率低下问题,提出了一种新的基于泰勒级数展开的超声尾波干涉计算方法。
所提方法基于对干扰信号的泰勒级数展开进行计算,无需互相关和重抽样计算,使得计算的效率大大提高。
研究了计
I
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西北工业大学博士学位论文
算窗口位置、伸展系数等对所提方法计算结果的影响;对比了所提方法与现有超声尾波干涉方法的计算效率;并在数值算例和真实试验算例中验证了所提方法的有效性。
4.在损伤加固阶段,针对碳纤维增强复合材料(CFRP)加固混凝土结构在加固及后续服役过程中出现的界面剥离问题,提出了基于压电主动超声的CFRP-混凝土界面剥离检测方法,并利用虚拟仪器LabVIEW建立了基于压电主动超声的CFRP-混凝土界面剥离监测系统。
首先在小尺寸的CFRP加固混凝土标准梁上进行了已有CFRP-混凝土界面剥离后剥离长度检测研究,并进一步扩展所提方法至全尺寸T字型CFRP加固混凝土梁在加载破坏过程中,CFRP-混凝土界面剥离过程的动态监测研究。
监测系统结果与基于全场视觉处理的位移应变测量系统结果进行了对比,证明了所提方法的有效性。
关键词:
混凝土,参数识别,损伤检测,压电主动超声,全寿命
II
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Abstract
Abstract
ThisresearchwaspartiallysupportedbytheTexasDepartmentofTransportation(TxDOT),UnitedStates,ResearchProject0-6717and0-6783.Despiteitscomplexity,concreteisthepredominatedbuildingmaterialusedinconstructionworldwide.Themainadvantagesofconcretearethatitpossessestheabilitytobecastintomanyshapes,itslowmanufacturing/purchasingcostandhighdurability.However,impropermixdesignormanufacture,severeloadeffectsandenvironmentalcorrosioncancauseinherentdefectsorlocaldamagesduringaconcretestructure’slifecycle.Thesedefectsordamagescanseverelydeterioratematerial’smechanicalproperties,thusjeopardizingthestructuralintegrityanddurabilityoftheentirestructure.Characterizationandconditionassessmenttoolsaregreatlyneededtoprovidethebasisdecisionsonmanufacture,service,maintenance,repairandstrengtheningduringaconcretestructure’slifecycle.
Ultrasonicbasednondestructivetestingmethodswereadoptedinthisresearchtocharacterizetheearlyagepropertiesandevaluatethein-servicedamagesofconcrete.Specially,lowcostpiezoelectricwaferswereusedtogenerateandreceiveultrasonicsignals.Thecontributionsofthisdissertationareconcludedasfollows:
1.Ultrasonicshearwaves,measuredbyembeddedpiezoelectricbenderelements,wereusedtomonitorthesettingandhardeningprocessofmortarandconcrete.Experimentalresultsfrommortarandconcretemixtureswithdifferentwatertocementratiosshowaclearrelationshipbetweentheshearwavevelocityandthepenetrationresistance,whichindicatesthattheshearwavevelocityisareliableindicatorformonitoringofthesettingandhardeningprocessofcement-basedmaterialsthatcanbeusedinthefieldandislesssensitivetoaircontentthanPwavevelocity.
2.Thisdissertationpresentstheresultsfromanondestructiveinvestigationregardingthepotentialforacement-basedmaterialtorepairitselfinternallythroughbiomineralization.Compressivestrengthtestandcodawaveinterferometry(CWI)analyseswereconductedonmortarsamplesthatwereloadedto70%oftheircompressivestrengthandcuredindifferentconditions.Experimentalresultsindicatethatthedamagedmortarsampleswithmicroorganismsshowedsignificantlyhigherstrengthdevelopmentandhigherincreaseofultrasonicwavevelocitycomparedtosampleswithoutmicroorganismsat7and28days.TheCWImethodwasprovedtobeabletomonitortheself-healingprocessinanondestructiveandquantitativemanner.
III
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西北工业大学博士学位论文
3.AnovelCWIcalculationapproachusingTaylorseriesexpansionwasproposed.Thecomputationtimeissignificantlyreducedcomparedtothecrosscorrelationbasedmethods.Thenewmethodwasdemonstratedonanumericalexampleaswellasanexperimentalexample.Comparisonoftheresultsbetweenthestretchtechniqueandthemethodproposedwaspresented,andtheinfluencesofdifferentfactors,suchastimewindowpositionandscaleeffect,ontheCWIanalysiswerediscussed.
4.Anultrasonicbasednondestructivetestingmethod,usinglowcostpiezoelectricwafersasactuatorsaswellasreceivers,wasproposedtoevaluatethedebondingconditionbetweencarbonfiberreinforcedpolymer(CFRP)andconcretesurface.Specially,aCFRP-concretedebondingmonitoringsystemwasdevelopedbasedonthegraphicprogrammingsoftwareLabVIEW.TheproposedmethodwasusedsuccessfullyforidentifyingthedebodinglengthinaCFRPreinforcedconcretebeamandformonitoringthedebondingandcrackingprocessofaCFRPreinforcedT-beamduringloading.Theproposedmethoddetectedcrackinitializationwellbeforethecrackswerevisible.
Keywords:
Concrete,Conditionassessment,Nondestructive,Piezoelectricwafer,Lifecycle
IV
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目录
目 录
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摘 要 I
Abstract III
目 录 V
第一章绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2研究现状及存在的主要问题 3
1.2.1基于超声测量的水泥基材料早期特性研究 3
1.2.2基于应力波传播的服役阶段混凝土结构无损检测研究 7
1.2.3本文的选题来源及主要研究内容 13
第二章超声波传播基础知识 15
2.1无限介质中波的传播 15
2.2半无限介质中波的传播 17
2.3板中的兰姆波 18
2.4超声波的特性 20
2.4.1波的反射与折射 20
2.4.2描述超声波的主要特征量 24
2.5超声波在混凝土中的传播特点 26
2.6基于压电效应的超声波激发与接收 27
2.7本章小结 28
第三章基于埋入式压电晶体弯曲元的水泥砂浆和混凝土早期特性监测 29
3.1研究问题概述 29
3.2压电晶体弯曲元工作原理 29
3.3试验设计 31
3.3.1试验材料 31
3.3.2贯入阻力测试 32
3.3.3压电晶体弯曲元试验设置 33
3.3.4超声波传感器试验设置 34
3.4超声波信号数据处理 34
3.5试验结果与讨论 36
3.5.1水泥砂浆 36
3.5.2混凝土筛浆 41
3.5.3混凝土试样 43
3.5.4试验结果讨论 44
V
3.5本章小结 45
第四章基于超声尾波干涉的受损生物智能混凝土自愈合过程无损检测与评估 47
4.1研究问题概述 47
4.2生物智能混凝土试样的制备 48
4.2.1微生物的选取及培养 48
4.2.2试样制备及早期养护 48
4.2.3试样中裂缝的产生及后期自愈合养护 49
4.3试验测试 50
4.3.1抗压强度测试 50
4.3.2超声波信号测量 50
4.4超声波测量信号的尾波干涉分析 51
4.4.1伸展方法简介 51
4.4.2尾波干涉计算区间的选择 52
4.5试验结果与讨论 55
4.5.1抗压强度变化 55
4.5.2相对波速变化 56
4.6本章小结 58
第五章基于泰勒级数展开的尾波干涉新算法研究 59
5.1研究问题概述 59
5.2超声尾波干涉计算方法 59
5.2.1伸展方法 59
5.2.2基于泰勒级数展开的超声尾波干涉计算原理 61
5.3数值算例 61
5.3.1计算效率对比 62
5.3.2时间窗口位置的影响 62
5.3.3伸展系数的影响 63
5.4基于泰勒级数展开的超声尾波干涉新计算方法在混凝土试样受压损伤检测中的应用 64
5.5本章小结 66
第六章基于压电主动超声的CFRP-混凝土界面剥离无损检测研究 67
6.1研究问题概述 67
6.2CFRP-混凝土界面剥离后剥离长度的检测研究 67
6.2.1试样准备与剥离的产生 68
6.2.2基于压电晶片的超声透射法检测剥离长度研究 72
VI
6.2.3基于空气耦合传感器的非接触方法检测剥离长度研究 74
6.3CFRP加固混凝土T型梁加载破坏过程中CFRP-混凝土界面剥离过程监测 78
6.3.1T型混凝土梁浇筑与加载过程 79
6.3.2基于虚拟仪器的CFRP-混凝土剥离监测系统建立 83
6.3.3CFRP-混凝土界面剥离过程监测与结果讨论 89
6.4本章小结 93
第七章总结与展望 95
7.1本文主要结论 95
7.2未来展望 96
参考文献 97
致 谢 117
攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况 119
VII
精品参考文献资料
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第一章绪论
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1.1研究背景和意义
第一章绪论
混凝土材料因取材广泛、价格低廉、抗压强度高、养护费用低等特点,成为当今世界建筑结构中最主要的结构材料。
美国国家矿物信息中心发布的最新数据显示,在2013
年,混凝土主要原料水泥的全球总产量约为40亿吨,其中我国的水泥总产量超过世界
总产量的一半,达到23亿吨[1]。
混凝土结构和以混凝土为主体的结构的数量在我国现有建筑物中占居绝对支配对位(据统计超过90%)[2]。
随着经济的发展和科学技术的进步,许多新型复杂的混凝土结构得以兴建,如超高层建筑、超大跨桥梁、大型体育馆、核电站建筑以及大型水利工程等重大产品和设施,它们的使用期长达几十年甚至上百年,由于设计缺陷、施工质量、荷载作用和结构自身老化等原因,这些结构在其全寿命周期中不可避免地产生不同程度的缺陷和损伤,这些损伤发展到一定程度将威胁结构的使用安全和使用寿命,严重情况下可导致重大事故和巨额经济损失[3]。
近些年来,由于服役混凝土结构发生垮塌事故造成重大事故和巨额经济损失的事故在国内外屡见不鲜。
下面仅罗列一些实例:
1.2001年,葡萄牙北部杜罗河上连接河间镇和派瓦堡镇的公路桥垮塌,造成至少
70人死亡。
2.2007年,美国明尼苏达州的I35号州际公路上的一座桥梁在傍晚交通高峰时突然坍塌,约50辆汽车坠入河中,造成13人死亡,70多人受伤。
3.1999年,建成不到3年的重庆綦江彩虹桥垮塌,造成40人死亡。
4.2007年,湖南省凤凰县正在建设的堤溪沱江大桥发生特别重大坍塌事故,造成
64人死亡。
据不完全统计,在2007年至2011年5年间,全国已经有至少17座大型桥梁发生垮塌事故,造成270人死亡、111人受伤、23人失踪。
国内外大型复杂结构因长期性能退化和累积损伤而带来的维修加固等费用十分巨大,甚至超过其初始建设投资。
例如,在美国,美国土木工程师协会每隔四年都会对美国的基础设施从整体上进行评价,在最近一次的评估中,美国土木工程师协会(ASCE)2013年对美国基础设施给出的整体评价是“D+”,而要对其进行改善所需的费用约为3.6万亿美元[4],单以其中的桥梁结构来讲,美国现有的607380座桥梁的平均服役年限已达42年,对其进行维护和改善所需的费用约为307.5亿美元。
在日本,到2020年预计因结构损伤需要维修的桥梁将占到总数的二分之一。
实践证明,对建筑结构进行定期检测和维修加固等有利于消除因结构损伤而引起的安全隐患、避免结构突然倒塌事故的发生。
据此,ASCE建议基础设施部门的工作重心应逐渐从建设新结构转向对现有结构的评估检测与修复[5]。
《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》指出:
“重大产品和重大
1
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设施寿命预测技术是提高运行可靠性、安全性、可维护性的关键技术”[6]。
而实现此类重大产品和重大设施寿命预测的前提则是对结构全寿命周期内损伤检测和可靠性研究的深入开展。
结构的全寿命周期,是指一个结构从施工建造到投入使用,再到使用若干年后结构性能逐渐退化的整个时间历程[2],国家自然科学基金委员会——中国科学院2011-2020学科发展战略研究专题报告[7]指出:
对于结构受力全过程、寿命全过程行为的研究与控制是结构工程研究的重点与核心。
金伟良[8]等研究指出,工程结构全寿命周期设计研究
的三大核心目标为:
质量可靠
目标、经济优化目标和时间优化目标,由此产生了对应的工程结构全寿命周期设计研究的三大核心指标,即性能指标、经济指标和时间指标。
然而目前对工程结构全寿命周期设计的研究仍主要集中在经济指标方面:
1977年,美国建筑师协会发表了《全寿命周期成本分析——建筑师指南》[9],提出了建筑结构全寿命周期经济分析的初步概念和思想。
1983年,美国试验和材料协会出版了建筑工程全寿命费用分析指南[10],系统地介绍了建筑工程项目应用全寿命经济成本分析技术的基本方法。
1984年,Flanagan[11]从建筑经济学角度出发,深入探讨了全寿命周期成本管理中所涉及到技术要求等问题。
Ockwell[12]以公路项目为例,讨论了政府公益性项目的全寿命周期成本管理的基本思想和方法。
Medley[13]从工程项目成本事前管理的角度,探讨了如何运用全寿命周期成本的方法来对项目方案进行比较和选择。
Arditi等[14]总结了全寿命周期成本分析在市政工程中的应用情况,推荐采用蒙特卡罗方法来处理全寿命周期成本分析中的可变性和不确定性。
Lee等[15]以结构全寿命周期总成本最小为目标,进行结构维护决策的优化。
Kong等[16]以采用蒙特卡罗模拟方法研究了桥梁结构全寿命周期成本与其可靠度之间的关系。
Sngh等[17]对桥梁结构的全寿命周期成本分析进行了系统深入的研究,并提出了用于桥梁结构全寿命周期成本分析的理论框架。
我国土木工程领域对全寿命周期理论的研究和应用起步较晚。
2002年,陈肇远院士[18]详细介绍了混凝土的耐久性及经济、安全和使用寿命等问题。
2003年王光远院士[19]利用全寿命周期理论,以成本最小为目标进行了结构的抗震优化设计。
2004年,范立础院士[20]探讨了桥梁结构的耐久性及安全性和经济性等问题,呼吁重视全寿命周期设计和管理。
王增忠等[21]建立了基于混凝土耐久性的建筑工程项目全寿命周期成本分析框架体系。
吴海军等[22]分析了桥梁结构全寿命周期成本的构成及其计算模型。
周立、葛耀君等
[23]对桥梁结构全寿命周期费用的折现率进行了分析研究,给出了进行桥梁结构全寿命周
期费用分析的折现率。
金伟良[24]等考虑混凝土结构全寿命周期成本的影响,并结合其他方面因素对结构耐久性的环境区划进行了研究。
结构全寿命周期经济分析的研究在工程建设领域发挥了积极的作用,但是研究工作
主要集中在全寿命周期成本分析和运营管理上,对全寿命周期内的结构自身损伤演化和
2
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第一章绪论
性能退化规律的研究还不够
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