水泥基压电传感器在交通量监测中的应用:(2)现场试验(英文)

介绍了一套基于耐久性好、价格低廉及全天候运行的水泥基压电传感器的交通量监测系统。首先将两个水泥基压电传感器埋入一段混凝土梁的两端,以此梁作为埋入路面下的传感单元。再将4根测试好的混凝土梁埋入一条车道的两道沟槽内,每道槽内放入两根。系统运行时通过传感器数据分析来计算交通流量,即以测试信号中的峰值个数计算车辆数,以传感器的响应之和计算车重,并以两道沟内传感器响应的时间差及距离计算车速。其后通过已知重量的卡车进行传感系统现场标定。目前,该套系统已经成功安装到一座高速公路桥梁中,且运行顺利。通过与视频监测结果的对比表明,该系统能够准确的获得车流量、车辆速度以及近似重量。进而可见,该水泥基压电传感器在交通量监测中是有效的。     

利用压电传感器的仿真混凝土损伤探测研究

提出了一种探测仿真混凝土结构内部损伤的压电波动传感方法,并通过仿真混凝土梁的构件试验对其有效性进行了验证。将压电传感器埋置在仿真混凝土梁中,采用正弦线性扫频激励来驱动特定位置的压电陶瓷传感器,将其他位置的压电传感器作为探头接受弹性波信号,实现对仿真混凝土构件的损伤检测。试验中,分别对完好和不同损伤程度下的仿真混凝土梁进行扫描,通过对接收信号的时域、频域和小波变换分析,识别仿真混凝土梁损伤的出现和发展。结果表明:在仿真混凝土梁中一定传播距离内,信号幅值变化、频率偏移和基于小波包分析的损伤指数对构件的损伤十分敏感,这些数据的变化趋势可以有效地反映构件的损伤程度,可将这类压电传感器用于混凝土坝动力模型试验的损伤监测研究。     

1-3型水泥基压电复合材料的制备与性能研究

通过预埋压电陶瓷而制备的水泥基压电复合材料,既可以制成传感器实现混凝土结构的长期性能监测,也可以制成路面水泥制品,实现车辆与行人载荷的电能转化。本文详细阐述了压电陶瓷纤维制备过程及其基本性能。应用插排-浇筑法制备了1-3型水泥基复合材料制品,并完成了此制品在锤击作用下压电信号的采集。     

剪应力压电智能骨料标定方法研究∗

剪切破坏是混凝土结构主要的破坏形式之一,震害较为严重,且难以通过构造措施完全避免。混凝土结构缺少直接、可靠的剪应力监测方法。基于剪应力压电陶瓷的压电智能骨料标定方法尚不成熟。为此,提出了利用混凝土深梁的压电智能骨料标定剪应力场设计方法。将混凝土三点加载深梁加载点与支座连线中点处的剪应力场作为标定区域。首先,建立了二维有限元模型,分析了深梁截面高度和监测区域尺寸对剪应力场均匀性的影响,确定了深梁试件尺寸及监测区域尺寸;其次,研究了梁底配筋与开裂荷载、剪应力幅值及混凝土最大压应变之间的关系,提出了梁底不开裂条件下监测区域达到较高剪应力水平的深梁试件合理配筋方案;最后,在设计的深梁上进行了标定试验,共布置了 16 个剪应力压电智能骨料,通过应变花获取监测区域平均剪应变,确定了剪应力压电智能骨料灵敏度的概率统计参数,验证了用于标定的剪应力场设计方法的可靠性。研究表明,设计的剪应力场应力均匀、 应力水平较高、不受混凝土开裂的影响,标定试验结果可靠,灵敏度系数可直接应用。     

压电智能骨料动态拉应力标定试验研究∗

为了监测混凝土内部受拉开裂损伤,提出了混凝土内部拉应力监测压电智能骨料,并对其进行了动态拉应力标定试验研究。首先,制备4个压电智能骨料受拉试件,建立拉应力监测系统;其次,对压电智能骨料施加往复拉应力,标定得到其灵敏度系数;然后,对压电智能骨料试件施加单调荷载直至其受拉破坏,得到其抗拉强度及输出的电压信号,对比了破坏过程的实际与监测荷载。结果表明,往复荷载作用下,SA输出与输入荷载呈良好的线性关系,SA的灵敏度系数一致性较好;单调荷载作用下,各SA抗拉强度均高于混凝土抗拉强度。综上,压电智能骨料有潜力应用于混凝土内部的拉应力监测。     

基于波动理论的压电智能混凝土单轴破坏实验研究

通过在混凝土标准试块内埋置压电驱动器和传感器,以波动理论为基础,通过混凝土内发射和接收应力波,构筑压电智能混凝土的主动健康监测系统,并进行了压电智能混凝土标准试件单轴破坏实验,得到剪切波速、相对能量衰减和频域特性随破坏程度的变化。实验结果表明,在一定范围的频率下,剪切波速在临近极限荷载的区域,衰减速率有所增加;而相对能量衰减,在"局部裂纹萌生"阶段,衰减速率便增加。因此,相对能量衰减在混凝土破坏的初期阶段,更具有敏感性。     

光纤布拉格光栅传感器在钢架结构健康监测中的应用研究

光纤布拉格光栅(FBG)传感器凭借其体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、分布或者准分布式测量、可实现远距离的监测与传输等优点,在土木工程健康监测中得到日益广泛的应用。本文在光纤布拉格光栅(FBG)传感器的传感原理、标定试验研究基础上,讨论了利用FBG传感系统监测钢架结构在冲击荷载作用下的应变和加速度的可行性;同时利用ANSYS有限元分析软件建立了适用于结构分析的有限元模型,对钢架结构进行了详细的仿真分析计算,最后对理论计算结果及实测结果进行了详细的对比分析,所取得的结果比较接近。研究表明,光纤布拉格光栅传感器可以很好的测量钢架结构的动态响应。     

钢筋混凝土结构构件局部地震损伤多尺度监测方法

提出一种结构局部地震损伤过程的多尺度监测方法。首先,在混凝土材料尺度上,针对混凝土材料细观随机性影响问题,基于压电智能骨料进行混凝土压应力监测,通过试验方法建立了混凝土损伤全过程中压电智能骨料应力与混凝土宏观应力的概率统计关系;其次,在截面尺度上,基于MEMS倾角仪转动监测方法,提出混凝土压弯构件截面曲率的监测方法,并通过试验验证了该方法的可行性;最后,在构件尺度上,提出基于转动积分的层间变形监测方法并给出了转动监测位置的设计原理,通过构件试验验证了该监测方法的可靠性。     

基于瞬态分析法的预应力与非预应力钢筋混凝土梁动力响应对比分析*

提出了基于瞬态动力分析完全法的预应力钢筋混凝土梁爆炸冲击模拟方法，并采用已有试验结果验证了方法的合理性，进一步对比探讨了非预应力钢筋混凝土梁与预应力钢筋混凝土梁的动力响应差别和响应机制。研究结果表明：爆炸荷载作用下，钢筋混凝土梁的跨中底部位置最先发生塑性变形，混凝土容易受拉开裂，且爆炸荷载越大开裂越严重；由于预应力筋的存在，预应力钢筋混凝土梁跨中挠度显著减小，预应力钢筋混凝土梁开裂范围大幅减小，裂缝深度也显著降低，但是浅层裂缝的横向分布范围稍有增加；预应力改善了梁的受力状态，使得梁所受荷载均布转移，在爆炸冲击荷载作用下，大部分应力都由预应力筋来承担，非预应力钢筋的应力较小，预应力筋是提高结构抗爆性能的关键点；当脉冲荷载卸载至零后，梁跨中的挠度均能恢复至自重状态下的变形量，说明预应力钢筋混凝土梁在爆炸冲击荷载作用下，仍处于弹性工作状态，这与非预应力钢筋混凝土梁显著不同。模拟研究结果对预应力钢筋混凝土结构抵抗爆炸荷载领域的应用有一定的参考意义。     

疲劳荷载后锈胀RC梁抗弯刚度计算模型

腐蚀和疲劳作用影响钢筋混凝土梁的服役性能,降低结构的剩余使用寿命。为研究疲劳后锈蚀钢筋混凝土梁的刚度退化规律,采用电化学快速锈蚀试验得到了6根不同锈胀程度的钢筋混凝土梁,研究了不同疲劳荷载次数后梁在分级荷载下的荷载—挠度关系、混凝土裂缝发展规律、失效模式,分析了锈蚀水平对钢筋混凝土梁疲劳寿命的影响。试验结果表明,钢筋混凝土梁的挠度发展分快速上升—稳定—失稳三个阶段,混凝土锈胀对梁疲劳寿命的影响较大。引入刚度修正系数,发展了疲劳荷载后锈胀钢筋混凝土梁抗弯刚度计算方法,该方法可考虑疲劳作用、锈胀、混凝土弹性模量退化等因素的影响,并通过本文试验及现有文献中的试验结果进行了验证,可用于日后老化钢筋混凝土桥梁在疲劳荷载作用下的挠度计算和寿命评估。     

边坡变形的分布式光纤监测试验研究及实践

布里渊光时域反射计(BOTDR)是一项新型光电传感仪器,可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测。该技术采用光纤作为传感和传输介质,具有良好的抗干扰、长距离、可植入性和分布式监测等特点。本文总结了近几年来分布式光纤在边坡工程中监测的工程实践和试验研究结果。实践表明,将光纤传感器铺设在加固边坡的锚杆和框架梁中,在加固边坡的同时进行安全监测,可以取得良好的效果;而将光纤直接铺设在边坡浅层土体中进行监测,可以及时对边坡安全提供预警,但往往不利于长期监测。本文还介绍了将光纤传感器布设在用于加固边坡的土工织物中进行安全监测的室内试验研究。实验证明,不同的光纤类型、布设方法、土工织物性能等都会对监测结果产生影响。最后分析了分布式光纤监测在岩土工程监测中的应用前景,以及今后研究的关键技术问题。     

一种新型的裂缝计

通常光测法、摄像法、裂缝显微镜法仅能测量已有旧裂缝的宽度,超声波法和冲击弹性波法仅能测量裂缝的深度,声发射、传感器法和光纤传感网络法可测量正在发生的裂缝。当对于已有裂缝在荷载作用下的动态变化目前还没有一种行之有效的测量方法。为此利用双悬臂梁和应变原理研制成功一种新型裂缝计,可准确测量结构、构件表面已有裂缝在荷载作用下裂缝开合大小或表面动态应变。该仪器具有抗振动干扰的特点,即被测点的振动不产生电量输出,仅在被测裂缝开合或混凝土表面产生应变时才有输出。该裂缝计已获得国家专利。该裂缝计已在哈尔滨、佳木斯等几个桥梁的裂缝检测中得到应用,获得理想的效果,得到铁道部好评。论文介绍了裂缝计的结构原理和技术性能。     

内置钢骨形式对混凝土桥墩撞击性能影响研究

为研究内置钢骨形式对混凝土桥墩撞击性能的影响,进行了内置角钢、槽钢、钢管3种钢骨形式的混凝土桥墩模型水平撞击试验,得到撞击力时程曲线、位移时程曲线、钢材和混凝土的应变时程曲线。对内置不同钢骨形式的桥墩模型受撞各阶段的力学性能进行了对比分析,并运用力学方法计算了钢骨形式对混凝土桥墩撞击性能的影响。研究结果表明:钢骨形式对混凝土桥墩的撞击性能有一定影响;在相同撞击能量下,内置钢管混凝土桥墩的侧向变形较内置槽钢和内置角钢混凝土桥墩的侧向变形小;内置槽钢和钢管对墩底混凝土压应变增长有较大的抑制作用;内置钢管混凝土桥墩的破坏斜裂缝条数多且分布较宽,延性较好,抗撞击承载力较高。对桥墩底部斜裂缝区的混凝土主压应力和应变计算分析表明,不同钢骨形式改变了桥墩截面几何特性参数,影响了混凝土主压应力值;在相同配钢率情况下,内置钢管混凝土桥墩的墩底混凝土主压应力比内置角钢混凝土桥墩的墩底主压应力减小了24.54%;内置钢管混凝土桥墩的应变放大系数比内置角钢混凝土桥墩放大系数小。试验和计算分析均证实了内置钢管的混凝土桥墩具有较好的抗撞击性能。     

声发射技术在桥梁结构健康监测中的应用研究进展

声发射技术作为一种被动的、动态的监测手段,在工程和材料领域得到了广泛的应用,正日益受到桥梁结构健康监测研究者的关注。本文回顾了近年来国内外基于声发射技术的桥梁结构健康监测研究状况。首先,简要介绍了声发射的基本原理和声发射信号处理方法;其次,详细分析了声发射技术在桥梁结构健康监测中的研究成果,包括钢筋混凝土桥、钢结构桥、桥梁结构关键构件和无线声发射传感器及其网络等;最后,分析了声发射技术在桥梁结构健康监测领域应用中存在的一些问题,并对声发射技术的应用前景进行了探讨。     

飞机模型撞击SC靶板的数值模拟分析∗

相对于钢筋混凝土(RC),钢板混凝土(SC)结构由于其优异的抗冲击性能和密闭性能,越来越多地应用于核电站安全壳结构中。基于有限元程序LS-DYNA对1/7.5缩尺飞机模型撞击SC靶板实验进行数值模拟,分别采用KC、Winfrith和CSCM三种模型描述混凝土材料,通过详细对比飞机模型撞击过程和速度衰减时程、靶板损伤和最大挠度以及引擎破坏的实验数据和数值仿真结果,验证了Winfrith模型的适用性。进一步讨论了撞击速度、钢板厚度、混凝土强度和栓钉强度对飞机模型速度时程和靶板破坏的影响。结果表明钢板厚度和栓钉强度对SC结构抗飞机撞击性能影响较大,而混凝土强度影响较小。相关结论可为飞机撞击下核安全壳的损伤破坏分析与结构设计提供一定的参考。     

加载速率对钢筋混凝土梁动态性能的影响

引入钢筋和混凝土的应变率效应,利用有限元分析软件ABAQUS中的显示动力分析模块ABAQUA/Explicit,对钢筋混凝土梁在不同单调加载速率下的受力性能进行了数值模拟.通过比较不同加载速率下的分析结果,探讨了地震作用下的动态荷载对钢筋混凝土梁受力性能的影响.分析结果表明,在动态荷载作用下,钢筋混凝土梁的受力性能有显...     

光纤传感器FBG和BOTDR应用于结构监测的若干比较研究

对建筑结构进行健康监测,可以防止和避免灾害的发生。传感器的选择和使用是进行结构监测时首先要考虑的问题。光纤传感器是一种新型的传感器,因种类不同在性能方面也相差较大。FBG(FiberBraggGating,光纤Bragg光栅)和BOTDR(BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry,布里渊光时域反射计)是近些年来发展比较快的光纤传感器,本文介绍了这两种光纤传感器,并着重从两者传感的基本原理、传感系统组成、温度补偿研究和性能优劣等方面进行了详细的比较,得出了各自作为结构监测传感器的优缺点,为今后的监测选用提供了依据,使应用两者时能够做到扬长避短。     

高温后足尺有粘结预应力混凝土梁板力学性能研究

针对足尺有粘结预应力混凝土梁板高温后的抗弯承栽力开展了非线性计算分析。结果表明,综合配筋指标、有效预应力对高温后极限弯矩与常温下极限弯矩比值M_u~A/M_u的影响不大,预应力度和预应力筋的保护层厚度对M_u~A/M_u影响显著。高宽比近似相同的有粘结预应力混凝土梁,当第一排钢筋的保护层厚度相同时,受火时间为3 h,高度为700 mm的梁高温后截面承栽力下降幅度最大约为30%,高度为4500 mm的梁高温后截面承栽力下降幅度不到10%,高温后大尺度梁的力学性能优于小尺度梁。给出了考虑预应力筋保护层厚度和预应力度影响的有粘结预应力混凝土板M_u~A/M_u的计算公式,以及综合考虑预应力筋、非预应力筋合力点到梁底距离和预应力筋梁侧保护层厚度影响的有粘结预应力混凝土梁M_u~A/M_u的计算公式。