基于时间反演的混凝土结构多维损伤成像监测方法研究

本课题依托时间反演技术，研究了混凝土裂缝目标探测。基于目标探测FDTD 仿真平台，同时通过智能骨料传感器阵列优化分析，消除混凝土内部的多径干扰，对若干优化后的智能骨料发送信号和接收信号进行处理，成功进行了混凝土超声成像，获得了初步成像结果。结果表明，这种依托时间反演方法的技术可以进行为目标探测提供了一种新思路。通过研究基于时间反演技术损伤目标探测技术，将时间反演应用于多种连接界面松动监测并取得了良好的效果。此外对新型智能骨料在混凝土的传波规律进行了理论分析与研究，用数值方程求解出了相应的压电性能。最后研究了多压电陶瓷片叠加式技术智能骨料在混凝土中的高频发射波传播距离问题，对新型智能骨料在混凝土中的高频超声波传播能力进行验证。 2100433B

混凝土结构内部复杂的环境对超声波易产生非均匀、多杂波、多散射的干扰，致使采用超声波损伤探测技术探测的目标位置发生偏失，严重影响了测量精度。时间反演（Time Reversal，TR）技术能够使信号自适应地在检测区域中聚焦成像，进而可以实现待探测目标的精确定位，在混凝土内部结构这种非均匀环境的损伤监测中具有广阔的应用前景。本项目拟将时间反演技术与智能骨料传感器系统相结合，开发一种基于混凝土结构损伤成像的智能实时监测系统，内容包括时间反演探测系统的探测单元在混凝土中的排布方式，基于时间反演技术的混凝土裂缝目标探测技术和成像技术，基于时间反演技术的混凝土成像监测软件，多压电陶瓷片叠加技术的第三代智能骨料，以及成像系统硬件系统的研究和开发。本项目的完成，可为大型混凝土结构提供一个高效、智能、精确、实时的新型监测系统及解决方案。

危及混凝土结构安全的内部损伤往往难以察觉，即使通过现代技术手段也尚不能得到准确有效的识别和评判。本项目借鉴信息熵理论在机械结构学科的研究基础和应用方法，将其引入到混凝土结构损伤识别与反演之中，使用熵来描述混凝土结构损伤演化的方向，通过理论分析、数值模拟和模型实验等方法，借助于高精度实验表征和精细化数值模拟的技术手段，从细观层面去研究裂纹的开展和演化，探讨并提取结构损伤的熵变规律，建立熵理论与混凝土结构损伤断裂之间的内在联系，构建并筛选出一套对混凝土结构损伤程度、损伤位置和致损因素的敏感性强，又能兼具鲁棒性和通用性的熵函数模型。针对典型构件、典型损伤模式下各优选的熵指标技术，拟定损伤度量的方法、标准和判据。建立基于信息熵的混凝土结构损伤识别基本框架体系，研究其损伤识别的有效性、经济性、敏感性和鲁棒性。通过本项目研究，有望拓展已有的混凝土损伤识别技术，并在主要性能上具有竞争优势和实际应用前景。

危及结构安全的内部损伤往往难以察觉，即使通过现代技术手段也不能得到准确有效的筛查、识别和评判。本项目利用信息熵理论，开展了结构损伤识别与反演研究，取得的主要成果有：使用传递熵来表征结构损伤后结构响应信息传递的线性和非线性程度，通过理论分析、数值模拟和模型实验等方法，探讨了结构损伤的熵变规律，建立了兼具鲁棒性和通用性的传递熵指标，采用传递熵结合替代数据的方法，可用于识别结构损伤（非线性）程度和损伤位置；针对典型构件（风电塔筒/混凝土梁）、典型损伤模式（塔筒法兰盘存在间隙和扭转错位损伤/梁截面裂缝损伤）下各优选的熵指标技术，拟定基于熵指标的损伤度量方法、标准和判据；建立了基于传递熵结合替代数据的结构损伤识别基本框架体系，揭示了其损伤识别的有效性、经济性、敏感性和鲁棒性。成果已应用于大型风电塔筒法兰盘损伤的筛查和定位。本项目研究拓展了现有的结构损伤识别技术，具有重要的理论价值和实际应用前景。 2100433B

我国桥梁结构正面临复杂服役环境和多灾害荷载共同作用所导致的损伤加速演化的进程，应该 治结构之未病、防患于未然。本课题试图将桥梁健康监测和结构多尺度损伤预后结合起来，研究桥梁结构多尺度损伤预后过程中环境因素和结构参数的不确定性描述，研究桥梁结构多尺度损伤模拟、损伤模型修正及模型确认方法，建立基于模型的桥梁结构多尺度损伤预后方法；进一步地，研究基于小波神经网络技术的数据驱动损伤预后方法，建立联合基于模型和数据驱动的桥梁结构多尺度损伤预后综合方法；以独塔斜拉桥模型的地震模拟振动台试验和实桥健康监测系统验证平台，来验证上述多尺度损伤预后方法的有效性和可靠性。本课题研究成果可用于预测预报桥梁结构的安全可靠性和潜在损伤的危害，指导桥梁预防性养护决策，对桥梁健康监测和安全评估具有重要的理论意义和实用价值。