考虑环境影响基于压电阻抗的混凝土结构损伤识别研究

混凝土结构微小损伤若未及时发现，会引发累计损伤导致结构失效。基于有效机械阻抗理论，建立可以隔绝环境影响的植入式压电传感器(PZT)与结构耦合二维阻抗模型，得到植入式PZT与结构耦合二维模型导纳表达式。将介电常数、压电常数、复合杨氏模量和介电常数等参数的温度函数带入导纳表达式，计算不同温度工况下的导纳理论值。理论解析结果表明随温度升高导纳曲线共振频率和峰值均线性增加。建立三维有限元数值模型分析温度对单个PZT、粘贴式和植入式PZT-混凝土结构阻抗的影响规律，并制作内部植入和表面粘贴PZT的混凝土试块，研究混凝土热传导对裂缝损伤识别结果的影响。利用导纳及其均方根偏差定量评估了温度对混凝土微裂缝损伤识别的影响，结果表明温度变化对混凝土损伤识别结果具有明显放大作用。结合PZT阻抗与谱单元法对混凝土结构微小损伤进行定位和定量识别，构建铁木辛柯梁在完整及裂纹状态下谱单元刚度矩阵，对其控制微分方程进行拉普拉斯变换，通过位移边界条件得到无损和裂纹梁的谱单元刚度矩阵；利用单元集成方法组装获得结构的整体刚度和荷载矩阵，并求解各节点处的振动响应值。将PZT激励电压转化成一般荷载并获取结构响应，选择响应的四阶统计矩作为结构损伤指标，计算统计矩的欧几里得距离，用差分进化算法对目标函数进行优化得到准确的损伤位置和裂纹深度。利用无损梁及附加质量和裂纹损伤数值模型验证了该方法的精确性。最后提出排除环境影响的温度补偿方法。给定温度引起的导纳频率偏移量并修正温度影响下的导纳曲线频率偏移，并对修正前后的导纳曲线作相关性分析，重复计算相关系数找到其最小值对应的频率偏移量进而补偿温度影响。分别对无损和带裂缝混凝土试块在变温条件下的导纳曲线进行补偿，消除了温度对损伤识别结果影响，证明了所提方法的有效性。进一步通过对足尺混凝土隧道管片结构的长期监测补偿研究，结果表明利用该方法有效降低了环境影响，大幅提高了混凝土结构微小损伤识别的精度。 2100433B

混凝土早期的微小损伤若未及时发现，会引发结构的累计损伤，从而导致结构的突发性失效，及时准确地识别混凝土早期微弱和潜在的损伤，一直是混凝土结构工程领域的难题。基于压电陶瓷(PZT)监测信号的电机耦合阻抗(EMI)具有对结构微小损伤敏感、反应迅速等特点，被证明是一种有效的混凝土微小损伤识别方法，但是环境变化(温度、湿度) 、PZT与混凝土结构粘结层特性对EMI损伤识别结果影响显著。本项目研究环境变化(温度、湿度)对PZT阻抗的影响规律，改进减小环境因素影响的PZT保护措施，探求剔除环境因素对混凝土损伤EMI特征参数影响的信号处理技术，建立考虑PZT与混凝土结构粘结层特性的三维EMI损伤识别模型，通过基于细观损伤的小波谱有限元法开发抗环境影响的混凝土微损伤EMI定量识别技术，进一步通过数值分析、模型实验与实际工程应用验证其精确性、有效性，为混凝土结构健康评估提供准确与可靠的依据。

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

陈孝珍. 基于静态测量数据的桥梁结构损伤识别研究[D].华中科技大学,2005.2100433B