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1、华中科技大学 博士学位论文 基于PZT阻抗技术的结构损伤识别研究 姓名：余璟 申请学位级别：博士 专业：结构工程 指导教师：朱宏平 2011-02-25 I 华华 中 科中 科 技技 大 学 博 士 学 位 论大 学 博 士 学 位 论 文文 摘摘 要要 地震、 水灾、 风灾、 火灾等自然灾害的频发使土木工程结构不可避免地产生损伤。 若结构关键部位的早期损伤未能及时发现而继续发展并积累到一定程度，可能会导 致整个结构的突发性失效，给人民的生命和财产造成灾难。因此，实时监测结构的 健康状况，准确识别初始微小损伤具有重要的理论和应用价值。 本文在国家杰出青年科学基金项目(No.50925828)结
2、构健康监测与振动控制 和国家自然科学基金面上项目(No.50778077)基于 PZT 监测信号的混凝土微小损伤 识别及其损伤演化研究的资助下，基于压电陶瓷 PZT 的耦合机电阻抗对微小裂纹 敏感的特点，运用自制表面粘贴 PZT 传感器和植入式 PZT 传感器，针对土木工程的 几种常见材料的锈蚀、疲劳微裂纹、保护层脱落等损伤进行损伤检测研究，综合应 用理论分析、数值模拟、试验验证等手段在以下几方面展开工作并取得了一定成果： 1. 探寻了温度因素对基于 PZT 传感器的损伤检测的影响， 并采用合适的温度补 偿方法减小了因温度变化带来的不利影响。分别对 PZT-钢梁体系和 PZT-水泥基体系 在不
3、同温度工况下的测量导纳信号进行了对比分析，找出两种体系受温度影响的信 号变化规律。针对它们受温度影响显现出的不同的信号变化规律，选用了两种温度 补偿方法进行温度补偿，显著抑制了测量导纳信号因温度变化导致的曲线偏移，能 有效避免对结构健康状态的误判，达到了温度补偿的目的。 2. 探索了 PZT 传感器对于钢梁锈蚀损伤的敏感性和监测锈蚀发展的适用性。 采 用人工模拟海洋环境加速局部锈蚀的方法，运用 3 个自制表面粘贴 PZT 传感器对钢 梁的局部锈蚀状态进行为期五个半月的锈蚀发展过程监测试验。分析测量导纳信号， 发现导纳曲线随锈蚀天数的增加规律性左移。通过定义谐振频率偏移率指标 SRMSD， 分析
4、了 PZT 传感器的 SRMSD与锈蚀时间的关系。结果表明表面粘贴 PZT 传感器对钢 梁锈蚀损伤敏感，能够识别和监测锈蚀发展过程，可以用于钢构件的锈蚀监测。 3. 对比研究了表面粘贴 PZT 传感器与植入式 PZT 传感器对钢筋混凝土梁的损 伤检测效果。首先，运用有限元分析软件对植入单个 PZT 传感器的混凝土梁在无损 和发生不同程度损伤的各种工况下的损伤识别过程进行模拟；用分布式多个植入式 PZT 传感器对混凝土梁中的裂纹定位过程进行模拟；运用损伤指标对表面粘贴 PZT 传感器与植入式 PZT 传感器的损伤检测效果进行对比。其次，制作了防水防外力破 II 华华 中 科中 科 技技 大 学
5、博 士 学 位 论大 学 博 士 学 位 论 文文 坏的植入式 PZT 传感器，对其稳定性进行了检验。最后，运用自制植入式 PZT 传感 器与表面粘贴 PZT 传感器，展开了钢筋混凝土梁在低频冲击下产生疲劳损伤与保护 层不同程度脱落的损伤检测试验，验证和比较了两种 PZT 传感器的损伤检测效果， 进一步分析了损伤指标与损伤程度的关系和损伤指标与损伤到传感器的距离的关 系。结果表明表面粘贴和植入式 PZT 传感器均能有效识别不同程度的钢筋混凝土梁 疲劳损伤和保护层脱落损伤，均对近场损伤敏感，对远场损伤不敏感。但是，对同 等程度损伤， 表面粘贴 PZT 传感器比植入式 PZT 传感器敏感， 但植入
6、式 PZT 传感器 比表面粘贴 PZT 传感器的性能更为稳定。 关键词关键词：损伤检测；压电阻抗；PZT 传感器；表面粘贴与植入；温度补偿；锈蚀； 微裂纹 III 华华 中 科中 科 技技 大 学 博 士 学 位 论大 学 博 士 学 位 论 文文 Abstract Frequent occurrences of earthquakes, floods, typhoons, fires and other serious natural disasters will inevitably cause damage to civil engineering structures. If earl
7、y damage of the key parts of a structure fails to be detected and continues to develop and accumulate to a certain extent, the entire structure may suffer a sudden failure, which is a disaster to peoples lives and property. Therefore, real-time structural health monitoring and accurate identificatio
8、n of initial minor damage have impotant theoretical and practical value. Under the supports of National Science Fund for Distinguished Young Scholars (No.50925828)Structural health monitoring and vibration controland National Natural Science Foundation Project (No.50778077)Study of micro damage dete
9、ction and evolution of concrete based on PZT monitoring signals, in this dissertation, detections of corrosion damage, fatigue damage and spalling damage for some common materials in civil engineering by self-made surface-bonded PZT transducers and embedded PZT transducers are studied for that piezo
10、electric ceramic has the characteristic that its electromechanical coupling impedance is very sensitive to minor cracks. The following main contents are studied through theoretical analysis, numerical simulation and experimental verification, and some impotant results have been achieved as follows:
11、1. The impact of temperature on damage detection using PZT transducers is studied and two appropriate compensation methods are chosen to reduce the adverse effects due to change in temperature. The admittance signals of PZT-steel beam system and PZT-cement system under different temperature conditio
12、ns are measured respectively and their laws of variation affected by temperature are analyzed and compared. Two different methods of temperature compensation are chosen for different patterns of variation, which have significantly inhibited the offsets of the measured admittance signals resulting fr
13、om temperature variation. These methods can effectively avoid misjudgement of damage status of structures and achieve the purpose of temperature compensation. 2. The PZT transducers sensitivity to corrosion damage of steel beams and applicability for corrosion development monitoring are investigated
14、. A test of monitoring the localized corrosion growth on a steel beam is carried out for five and a half months IV 华华 中 科中 科 技技 大 学 博 士 学 位 论大 学 博 士 学 位 论 文文 using three self-made surface-bonded PZT transducers. From the measured admittance signals, a regular offset to the left is discovered in the
15、admittance curves with increasing number of days of corrosion. Through the definition of index of shift ratio of resonant frequency SRMSD, the relationship between SRMSD of PZT transducers and corrosion time is analyzed, which indicates that surface-bonded PZT transducers are sensitive to corrosion
16、damage of steel beams, able to identify and monitor the corrosion growth and can be used in corrosion monitoring of steel members. 3. Under low-frequency impact, micro-cracks in a reinforced concrete beam are generated and progressed till the four edges of the concrete beam are chipped off one after another, and damage detection by using both suface-bonded PZT transducers and embedded PZT transducers is studied. By usi
