利用PZT的CFRP钢筋混凝土结构剥离损伤识别研究

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在现实社会中,钢筋混凝土结构建筑往往由于结构耐久性、化学腐蚀、承载力增加需求以及设计过程中的缺陷等原因需要进行一定程度的加固。碳纤维增强复合材料(CFRP)由于强度高、重量轻、适应面广等特点,成为土木工程修复和加固工程中引人注目的替代材料。然而,只有保证CFRP材料和加固主体结构有了可靠的粘结,才能得到预期的加固效果。剥离破坏是CFRP加固结构时常见的破坏方式,一旦发生剥离破坏,预期的加固效果将受到影响,不仅造成了材料浪费,而且被加固结构也存在安全隐患。本文重点利用压电陶瓷智能材料与无损检测(NDT)技术相结合的方法对剥离损伤进行识别,提前预防剥离破坏的发生。主要包括以下内容:  第一部分,利用压电陶瓷对CFRP加固的混凝土柱的剥离损伤进行试验研究,以确定损伤的位置和程度。将一组压电陶瓷(如镐钛酸铅,简称PZT)预埋在小体积混凝土中,制成“智能骨料”,并将其预埋在混凝土柱内的指定位置。柱表面进行CFRP加固处理并在指定位置设置模拟剥离损伤区域。将另一组PZT片粘贴在具有人工剥离损伤处的表面。利用扫频波对具有预先设定剥离区域的CFRP加固混凝土试件进行试验,其中三个预埋的“智能骨料”作为作动器,表面粘贴的PZT作为传感器。对接收到的检测信号进行信号处理,利用Fourier频谱分析与定义的两个基于小波包分析的损伤指标进行计算,不但成功的对剥离区域损伤进行识别,而且定义的损伤指标对试件剥离损伤程度也表现了足够的灵敏度。  第二部分,通过现代声学时间反转概念将导波传播应用到碳纤维加固钢筋混凝土结构局部剥离损伤缺陷的识别中。为了有效描述剥离损伤,定义了两个损伤指数:TR和SYM。利用粘贴在CFRP表面的PZT片产生和接收超声导波,并对一个CFRP加固钢筋混凝土梁进做了试验。在CFRP加固的区域做了人工模拟的剥离损伤,通过选择合适的窄带波激励信号和有效的信号处理,试验结果表明了该方法的可行性,剥离损伤的位置和损伤程度都可以用这两个损伤指数很好的表达。  第三部分,采用大型通用有限元分析软件ANSYS11.0对本文所采用时间反转法试验过程进行非线性有限元数值模拟计算。主要完成了两个模型的模拟分析,一个是没有存在剥离损伤的模型,令一个为设置了一个矩形剥离损伤区域的模型。通过施加激励波形的位移,采用瞬念分析,并通过MATLAB软件进行了数据的处理,比较两者的区别,最后和试验结果进行比较,数值分析结果和试验结果一致。
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