【摘要】：混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)今社會(huì)主要的建筑結(jié)構(gòu)形式之一,建立并完善其健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全有重大意義。PZT材料正逆壓電效應(yīng)好、靈敏度高、重復(fù)性好和成本低廉,適合混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)壓電智能骨料(Smart Aggregate,簡(jiǎn)稱SA)傳感器可用于結(jié)構(gòu)損傷裂縫監(jiān)測(cè)、鋼管混凝土脫粘、結(jié)構(gòu)沖擊荷載監(jiān)測(cè)等方面,然而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程往往處于復(fù)雜的溫度和荷載作用下,壓電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用需綜合考慮溫度和荷載作用對(duì)SA本身性能及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)影響。本文通過(guò)搭建壓電監(jiān)測(cè)平臺(tái),系統(tǒng)研究了SA驅(qū)動(dòng)器和傳感器本身在溫度和荷載作用下的性能表現(xiàn),然后進(jìn)一步探討了溫度歷程和不同荷載工況對(duì)基于SA的混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響,具體包括:為了明確環(huán)境溫度變化對(duì)壓電智能骨料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響,首先設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究了SA傳感單元本身驅(qū)動(dòng)與傳感性能的溫度相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上,將SA傳感單元埋置于混凝土構(gòu)件內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)單元,試驗(yàn)研究了溫度歷程對(duì)混凝土中應(yīng)力波傳播以及內(nèi)部缺陷發(fā)展的影響。研究結(jié)果表明:溫度對(duì)SA傳感、驅(qū)動(dòng)性能和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有明顯影響,并且對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響要明顯強(qiáng)于對(duì)SA本身工作性能的影響�？傮w而言,應(yīng)力波頻率越低,溫度敏感性越強(qiáng),較高頻率與較低頻率幅值隨溫度的變化呈相反趨勢(shì)。為了探究荷載狀態(tài)變化對(duì)壓電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響,設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究了SA傳感器單獨(dú)受壓以及SA傳感和驅(qū)動(dòng)器同時(shí)受壓情況下監(jiān)測(cè)信號(hào)隨荷載作用的變化情況,明確了荷載作用對(duì)SA工作性能的影響;在此基礎(chǔ)上,將SA成對(duì)埋置于混凝土內(nèi)部形成監(jiān)測(cè)單元,研究了單周期荷載、等幅循環(huán)荷載和遞增循環(huán)荷載對(duì)混凝土短柱試件中應(yīng)力波傳播信號(hào)的影響,并對(duì)比分析了垂直和平行應(yīng)力方向信號(hào)對(duì)荷載的監(jiān)測(cè)效果。研究表明:所使用SA能在小于65 MPa的應(yīng)力環(huán)境中正常工作;與壓應(yīng)力平行方向布置的SA對(duì)混凝土荷載監(jiān)測(cè)的靈敏度更高;即使在彈性范圍內(nèi)的持續(xù)壓力和循環(huán)荷載下,混凝土內(nèi)部也會(huì)有微裂縫缺陷的生成或者擴(kuò)展;應(yīng)力波傳播變化較好反映了混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展階段、混凝土應(yīng)力記憶效應(yīng)和損傷累積效應(yīng)。基于Comsol Multiphysics有限元軟件,建立了SA和混凝土三維模型,仿真研究了溫度和荷載作用對(duì)SA本身工作性能和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明:SA的振型以及內(nèi)部應(yīng)力受溫度影響明顯,當(dāng)激勵(lì)信號(hào)不變時(shí),SA表面中心點(diǎn)的振動(dòng)幅值大小隨溫度升高先緩慢后快速升高,但隨壓力增加無(wú)明顯變化,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。另外,應(yīng)力波幅值衰減程度和波速與介質(zhì)彈性模量和信號(hào)頻率都均成正相關(guān)關(guān)系。
【圖文】：

由大理石和環(huán)氧樹(shù)脂組成的封裝材料能保證其中的 PZT 不受損壞。SA 詳細(xì)組成如圖2-1 所示。大理石楊氏模量 51.5 GPa、抗壓強(qiáng)度大于 100 MPa，環(huán)氧樹(shù)脂膠楊氏模量 2.5 GPa、抗壓強(qiáng)度大于 70 MPa。圖 2-1 大理石封裝的壓電智能骨料本套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、示波器以及恒溫箱組成，，如圖 2-2 所示。首先信號(hào)發(fā)生器發(fā)射特定頻率和電壓的正弦電信號(hào)，通過(guò)傳輸線傳到功率放大器，調(diào)整功率放大器的放大倍數(shù)，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后傳入驅(qū)動(dòng)器 SA。驅(qū)動(dòng)器 SA 中的 PZT 在逆壓電效應(yīng)下將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)信號(hào)，以應(yīng)力波的形式傳播至與之貼合的傳感器 SA 中的 PZT 片，正壓電效應(yīng)下應(yīng)力波轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳輸至示波器中顯示并存儲(chǔ)，在信號(hào)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，SA 置于特定溫度的恒溫箱中。圖 2-2 壓電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖

壓電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TU37;TU317

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2578915