基于嵌入式压电陶瓷的混凝土动态应力监测研究

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正确了解和把握混凝土结构在动态荷载作用下的受力情况对结构的性能监测和评估至关重要。目前在混凝土结构试验中对混凝土应力的测量,一般通过在混凝土表面粘贴应变片的方法间接得到,但是这种方法难以准确把握混凝土结构内部的应力分布情况。开发一种能够直接测得混凝土结构内部应力,特别是动力作用下应力的分布,并且价格低廉的传感器十分重要。近年来,随着新型传感技术的飞速发展,采用智能材料对土木工程结构的性能进行监测已成为土木工程领域研究的热点之一。压电陶瓷(PZT)材料不仅具有响应速度快,频响范围宽、线性关系好、易裁剪、价格低廉等优点,而且其特有的传感和作动功能特性使得压电陶瓷在工程结构的监测与控制领域得到广泛应用。研究混凝土结构在动力荷载作用下内部应力的测量技术对混凝土材料动力本构研究以及混凝土结构在动力荷载作用下的性能研究具有重要的意义。本文基于压电陶瓷的压电特性开发了一种嵌入式应力传感器,并将其运用到混凝土结构进行动力荷载作用下的应力监测。具体的工作主要包括以下几个方面:(1)在现有研究的基础上,考虑了之前制作的传感器灵敏度的个体差异大且表面光滑不易在混凝土结构中绑定,故而对嵌入式压电陶瓷应力传感器进行了部分改进,使得制作的传感器具有良好的防水绝缘性能,灵敏度更加稳定,并易于绑定在混凝土结构中。(2)分别利用小型落锤实验机和伺服作动器,对嵌入式压电陶瓷应力传感器在动态(冲击、正弦、方波、不规则)荷载作用下的灵敏度进行了标定。试验结果表明:传感器动态响应特性良好,其灵敏度不会随着传感器的形状、荷载类型、加载频率以及荷载强度的改变而发生改变,不同传感器之间的灵敏度个体差异小。所研制的传感器表现出良好的线性性能,为在混凝土材料的冲击应力测量奠定了基础。(3)将压电陶瓷应力传感器埋入素混凝土圆柱体试件中,用于混凝土动力本构试验的研究,得到不同下落高度混凝土试件内部的应力,试验结果表明,混凝土圆柱体试件未发生开裂破坏时,结构内部各部分应力均匀;而在试件开裂破坏后,结构内部应力大小从上到下有递减的趋势。并结合应变片测量得到混凝土的动态应力应变全曲线。验证了嵌入式压电陶瓷应力传感器对混凝土结构应力监测的有效性。基于不同传感器的应力波时程曲线,对试件中应力波的波速进行了分析,并与理论结果进行了比较。(4)将压电陶瓷应力传感器埋入钢筋混凝土梁中,初探钢筋混凝土构件内部的应力,试验结果表明压电传感器可以定性反映混凝土内部应力的情况,为下一步定量监测结构的应力做一个铺垫。
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