论文部分内容阅读
钢管混凝土结构是一种能够有效利用混凝土与钢管的协同作用而使其力学性能显著提高的组合结构,在超高层建筑结构中作为竖向或轴向受力构件被广泛使用。由于钢管混凝土构件在施工过程中振捣不充分,施工后混凝土的收缩徐变等原因,易造成核心混凝土出现空洞以及其与钢管璧之间的界面剥离,从而弱化了构件的力学性能。因此,采取有效的检测手段对钢管混凝土结构内部缺陷进行识别是保证其结构安全性的迫切需要。本文进行了基于外贴压电陶瓷片的钢管混凝土内部缺陷检测方法的试验研究和数值模拟分析,研究的主要内容包含如下:1.在对压电材料用于结构健康监测的相关研究进行总结的基础上,介绍了嵌入式和表面外贴压电陶瓷片检测钢管混凝土内部缺陷的原理和方法。介绍了外贴式压电陶瓷片的制作、黏贴方法以及实验的检测装置。2.设计并制作了1个长宽高400×400×1000mm3钢管混凝土柱并在其内钢管璧局部设置界面剥离缺陷,研究基于表面波的同侧布置外贴压电陶瓷检测界面剥离的原理,研究了通过表面等间距布置压电陶瓷片以此确定界面剥离具体位置的方法可行。同时又建立了一组尺寸为400×400×10mm3并带有不同界面剥离缺陷的钢管混凝土柱截面试件,研究了令一种测量方法,即压电陶瓷传感器位于压电陶瓷驱动器的对立面。研究基于体波对侧布置外贴压电陶瓷检测界面剥离的有效性。3.针对核心混凝土空洞缺陷检测,设计并制作了另一组带有核心混凝土空洞缺陷的400×400×10mm3钢管混凝土柱截面试件。对外贴压电陶瓷驱动器与对侧表面安装的压电陶瓷传感器进行了测量,研究了混凝土核心空洞缺陷的影响,结果表明,表面安装的压电陶瓷测量信号受混凝土核心空洞缺陷的影响,证明了基于体波对侧布置外贴压电陶瓷检测核心混凝土空洞缺陷的有效性。4.为了研究表面安装压电陶瓷贴片的钢管混凝土构件缺陷检测机理,进行了数值模拟,研究了界面缺陷缺陷和核心混凝土空洞缺陷对压电陶瓷传感器测量信号的影响。考虑到压电陶瓷传感器的压电效应和压电陶瓷驱动器的逆压电效应以及它们与钢管混凝土的耦合效应,建立了二维多物理场耦合有限元模型。分别用数值方法研究了正弦信号激励和扫频信号激励下,不同缺陷试样对应的压电陶瓷传感器输出电压信号幅值的变化。同时,分析了点荷载作用下不同缺陷的二维钢管混凝土构件应力波场的差异,论证了缺陷对应力波场的影响。5.对一施工中的工程项目中塔楼的外框架钢管混凝土柱进行了混凝土浇筑质量的检测,通过传感器终端信号分析计算得到相应缺陷评价指标DI,结果表明:构件的缺陷评价指标DI处于合理范围,可判断该工程项目塔楼外框架钢管混凝土柱在检测范围内的横隔板附近核心混凝土浇筑质量良好。根据实验和数值模拟结果,表面安装的压电陶瓷传感器可以检测钢管混凝土构件内部缺陷的存在,为钢管混凝土构件的缺陷检测提供了一种简便的方法。