基于激光热激励红外热成像FRP加固结构界面损伤无损检测

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FRP复合材料,具有自重轻,抗腐蚀性强,施工方便,且耐热性和耐久性良好等优势,近年来在土木工程中的结构柱、墙、梁、板及面板的抗震及补强加固应用越来越广泛。但是由于施工技术、黏合剂的质量、环境状况的恶化等原因,在FRP加固混凝土构件分界面中常常会出现剥离损伤通常称为剥离损伤层。针对在使用过程中的FRP加固混凝土构件的剥离损伤层有多种损伤检测方法,其中红外热成像检测技术与其他无损检测技术相比,具有操作简单、检测范围广等优点而被广泛使用。但传统热源激励的红外热成像存在资源消耗大,测量精度随着加热距离的增加下降很快,且无法检测到较远距离(一般小于2 m)FRP加固结构剥离损伤,为了解决这个问题,本文提出基于线激光热激励来实现远距离、高准确和低功耗红外热成像法来对剥离损伤的定位,通过相应的数值分析和实验研究,论证本方法对基于线激光热激励加固板界面剥离损伤定位的可行性和准确性。本文介绍了红外辐射定律以及主动红外热成像技术原理,提出了红外热成像法的结果评估参数。使用移动扫描线状激光热源定位FRP板加固构件剥离损伤的方法,推导了激光热激励下的加固试件表面温度场的分布公式,继而得出试件表面无损区与损伤区温度差方程。分析激光波在大气传中播的大气吸收特性,研究在不同的激光器功率、FRP加固层数对加固试件表面损伤以及无损区域表面温度差的影响。在红外热成像法的基础上,通过考虑红外热像仪的获取表面温度的原理以及最小分辨率的基础参数,计算在线激光热激励下能分辨出试件剥离损伤的最大检测距离。通过COMSOL有限元分析软件进行数值模拟。首先针对单一材料的混凝土板内部孔洞损伤进行三维数值分析,旨在于(1)验证带有损伤的单一材料有限元模型的正确性,(2)验证本方法及传统热源激励法对位于浅表损伤的可测性,为FRP加固混凝土界面损伤检测奠定理论基础。然后对损伤大小、损伤埋置深度、热源与试件表面距离等因素进行了讨论。结果表明本方法能很好的识别混凝土内部的损伤,随着损伤的埋置深度的加大,混凝土板的表面热谱图趋于模糊,在损伤埋置深度小于3 mm时,本方法可以清晰分辨出内部孔洞的位置;在4 mm-5 mm的埋置深度区间内,本方法已不适用检测该类深度的损伤。同样相对于传统热源激励法,本文提出的方法可大幅提高加热距离,对于相同大小、埋置深度损伤的识别能力,线激光热源较于传统热源具有明显优势。建立含有剥离层FRP加固混凝土板模型,在不同加固FRP层数下对不同大小的损伤工况分析,分别使用本文提出的线激光热激励法与传统热源激励法的方法进行数值模拟,在热源能耗上经过对比发现:在相同加热距离与时间下,线激光热源(15 W)能耗比传统热源(3000 W)更小,损伤检测定位的准确性却高于传统热源;并且随着加热距离的增加,传统热源下的试件表面热谱图趋于模糊,而线激光热激励依旧可清晰辨别出损伤位置;本方法能判断损伤的位置,相对于传统方法,能够识别远距离损伤且提高了检测准确性。搭建实验平台,制作FRP加固混凝土试件,介绍对实验数据处理的方法,探究两种热源激励方法下不同大小损伤、不同加固层数工况下加固试件的表面温度分布,通过对经滤波处理的实验试件最后表面热谱图来分析两种方法的优劣性。实验结果说明两个高能卤素大灯传统热源(每个2500 W)在加热距离大于3 m时基本失去了对1-3层FRP加固混凝土板下的不同大小剥离损伤的可检测性,而15 W线激光热源在加热距离为5 m时依旧保持对1-3层加固层数下不同大小损伤位置的检测能力。得到的实验结果和有限元结果基本一致,论证了本文提出线激光热激励方法的理论和实验可行性。说明了本方法在大大降低能耗的同时克服传统方法对加热距离上与剥离损伤大小检测准确度的不足,更有利于工程上不便甚至不能近距离检测FRP加固结构剥离损伤的识别。
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