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导波具有传播距离远、损伤敏感性高、适合隐蔽损伤监测等优点,是一种很有发展潜力的结构健康监测技术。多模态和频散现象是导波技术走向工程应用的主要制约因素,目前导波技术仍主要应用在多模态和频散相对轻微和容易控制的板状、薄壁管状和杆状结构中,而土木工程结构更加复杂,严重的多模态和频散现象带来的挑战将更加严峻。本文为了发展适用于土木工程健康监测的导波技术,聚焦于解决导波多模态和频散现象在导波数值模拟、导波与损伤相互作用机理分析、导波损伤监测和评价三个方面带来的困难,从导波的正演和反演两个方面进行深入研究,一方面以区间B样条小波（BSWI）有限元为数值模拟方法,研究了其在导波数值模拟中的短波问题、数值频散问题和几何频散问题,发展了一种高效、精确的导波数值模拟方法;另一方面将BSWI有限元应用于钢筋混凝土结构,研究了导波与钢筋混凝土界面损伤相互作用过程中多模态和频散现象的影响机理,并基于时间反转法提出了一种更有效、适用性更广的钢筋混凝土结构界面损伤监测技术和评价方法。本文的主要研究内容和研究成果如下:（1）讨论了 BSWI有限元在导波模拟中的单元长度和时间步长要求,提出了一种小波单元与傅里叶谱分析相结合的频域小波有限元方法。由于小波的紧支性、多尺度和多分辨率特性,BSWI单元具有比传统低阶单元更高的空间逼近能力,在导波模拟中BSWI单元的单元长度可以达到传统低阶单元的40～60倍。针对时域小波有限元仍然需要满足严格时间步长要求的缺点,在空间上利用BSWI近似波动方程理论波解,构造高精度近似动力刚度矩阵,通过单元层面的动力缩聚技术克服BSWI单元多内部节点的缺点,并采用频域谱分析法减少系统平衡方程的求解次数。数值算例结果显示,与传统低阶有限元和时域小波有限元相比,该方法可以显著提高窄频带导波问题的求解效率,并可将频域谱分析法推广至复杂结构（如钢筋混凝土结构）的导波模拟中。（2）分析了 BSWI单元在导波模拟中的数值频散特性,给出了高阶BSWI单元数值频散和数值各项异性的抑制条件。针对多节点BSWI单元数值频散方程难以直接求解的问题,在一维频散分析中,通过动力缩聚技术将BSWI单元转化为“两节点”单元进行求解,研究了不同阶数和尺度的BSWI单元的数值频散误差特点;在二维频散分析中,利用Rayleigh商技术得到数值频散方程的近似解,重点分析了数值各项异性现象,并讨论了材料参数和网格畸变等对BSWI单元数值频散特性的影响。研究显示,与传统低阶单元相比,高阶BSWI单元在节点间距小于临界值Hcr时可以完全抑制数值频散误差和数值各向异性现象;与其他高阶单元相比,BSWI单元可以在不改变网格划分和多项式次数的情况下,通过局部提升尺度方案显著改善其数值频散抑制能力。（3）提出了五种考虑几何频散效应的BSWI高阶杆单元,建立了频散导波与裂纹损伤相互作用过程的简化模型。针对经典杆单元无法模拟导波多模态和几何频散现象的问题,基于高阶杆理论引入附加位移考虑频散导波沿横截面的复杂位移和应力分布,将频散导波的二维/三维问题简化为一维问题,利用Hamilton变分原理推导了 BSWI高阶杆单元的刚度矩阵、质量矩阵和广义力向量;考虑高阶杆的横向剪切和广义自由度匹配问题,提出了高阶杆的裂纹损伤简化弹簧模型,基于卡氏定理和断裂力学推导得到了裂纹处柔度系数的闭合表达式,并讨论了所提出单元和模型的适用范围和选择原则。通过与精细化实体模型结果对比显示,本文所提出的BSWI高阶杆单元和裂纹模型可以快速、准确地模拟杆中导波的几何频散现象及频散导波与裂纹的相互作用过程。（4）研究了钢筋混凝土结构中导波与界面损伤的相互作用机理,阐述了多模态和频散现象导致钢筋混凝土结构中界面损伤指标失效的原因。基于小波有限元建立钢筋混凝土结构中多模态频散导波的分析模型,研究了导波与界面损伤相互作用过程中多模态和频散现象的影响机理,讨论了不同混凝土横向尺寸下现有损伤指标的有效性,并通过多模态导波数学模型解释了损伤指标失效原因。研究表明,导波与界面损伤的相互作用过程主要受能量泄露、模态转换、多模态和频散现象三方面的影响,其中多模态和频散现象会随着混凝土横向尺寸增大而加剧,由于多模态导波之间的波速、衰减系数和损伤敏感性不同,引起构造损伤指标的参考波包的模态组成和叠加形式随界面损伤程度的变化而变化,导致现有损伤指标无法用于大尺寸钢筋混凝土结构的界面损伤评价。（5）提出了基于时间反转法的钢筋混凝土结构界面损伤监测方法,构造了适用于大尺寸钢筋混凝土结构界面损伤评价的损伤指标。基于导波时间反转的多模态自动聚焦和频散自动补偿技术消除钢筋混凝土结构中多模态导波之间的相位差,根据导波在钢筋混凝土结构中的传播特点提出阻尼频率依赖型线性损伤假设,通过时间反转算子分析了界面损伤对时间反转重构信号的影响,并据此构造了基于重构信号幅值、相关系数和小波包能量谱的三类界面损伤指标;设计和进行了钢筋混凝土梁界面损伤导波监测试验,开发了导波时间反转在线监测自动处理算法,试验结果表明,与基于直接响应的现有损伤指标相比,基于重构信号时域幅值和小波包能量谱的界面损伤指标可以有效地消除多模态和频散现象的影响,从而可以很好地反映钢筋混凝土梁的界面损伤程度。