基于应力波与PZT型智能钢筋的混凝土结构损伤监测原理研究

The effective damage detection for large civil infrastructures in routine maintenance or after disaster inspections such as earthquakes is an important research topic in civil engineering. Most of current methods eigher fix sensors on the surfaces of or embed them into structures, which are effective only for getting local damage information. The method proposed here will use the PZT sensor-based smart rebar active sensing system to detect damages for reinforced concrete structure, not only for the local area but also for the whole structure. The study consists of experimental tests of real-size beams, simulation study of the test models, and the study of five-peak narrow-banded burst stress wave's propagation and transmission onto the surface and inside the media of the rebar and concrete. It will analyze the local defects such as cracks by analyzing the dispersion of P-wave and S-wave, the time history of signals and the wave amplitude changes, and put forward a 2D and 3D local damage detection mechanism for the concrete structure;It will study damage surfaces of the structure and the changes of structural damage energy indexes through the information of the smart rebar net work,and will put forward the defect judgment rules and health assessment of the whole structure; It will study the optimization and the sustainability of PZT based smart rebar including using carbon nanotube to reinforce the PZTs and to enhance the signals. The study is based on the previous research results, and focuses more on the comprehansive theoretical studies and on real structures. The purpose of study is to monitor the health conditions of important civil infrastructures. The study will be valuable for both research and industrial practice.

在日常维护和重大灾害如强震后,对于大型工程结构进行有效的损伤检测是土木工程领域重要的研究课题。目前的研究多将传感器固定在结构构件表面或埋入其内部，这些方法虽然较准确但只对局部检测有效。本项目提出的由PZT传感器组成的智能钢筋自主监测系统，拟对混凝土结构进行局部及整体的损伤监测。本研究拟通过对大型试验梁的实验及对其中应力波传播的分析和数值模拟，分析五波形窄频应力波在钢筋和混凝土界面及介质内部传播的方式，确定内部有局部缺陷如裂缝时所产生的P波和S波的散射异变、历时及振幅的变化方式，提出混凝土局部损伤的评判机理；并根据PZT型智能钢筋网络通道信息，分析确定整体结构损伤面的分布和能量损失指数的变化，提出对整体结构的损伤判断和健康评估机理；研究PZT型智能钢筋的优化和耐久性，包括碳纳米管加固PZT和加强信号等。本项目基于前期研究且更深入理论分析及实际应用，其成果将可用于对重要工程结构的健康监测。

在日常维护和重大灾害如强震后,对于大型混凝土结构进行关键部位的有效的损伤检测或整体结构的健康评估是土木工程领域重要的研究课题。目前的检测多用携带式或固定的外部探伤，这些方法虽然较准确但有很多局限性。.本项目提出的由PZT 传感器组成的智能钢筋自主监测系统， 通过导向应力波在钢筋表面及混凝土中的传播及变化，对混凝土结构进行局部及整体的损伤监测。主要内容包括三大部分，研究开发增强信号的PZT型智能钢筋，以使PZT激励器产生的信号可在混凝土中传播足够远以被PZT信号接收器接受而用于结构的健康监测，并且研究开发易于携带和安装在钢筋上的PZT型传感器，以用于实际结构；实验部分，将多组PZT型智能钢筋组成网络系统埋入不同的混凝土结构如梁，梁柱节点等，观察导向应力波信号对不同结构的变化，以及对各种破坏如脱粘、裂缝、保护层剥离等的变化；通过对带有PZT型智能钢筋的各种结构的数值模拟，理论分析破坏型式并建立健康监测的判据。此外，研究还将PZT智能网络用于钢梁及钢轨的健康监测，根据结构裂缝等破坏对应力产生的奇异性，运用信号的自相关方法如信号能量法及时间反转，和损伤指数，对损伤进行判断和定位。.重要结果，在同时运用了PZT尺寸优化及安装嵌缝优化后，信号增加了15倍，同时开发了便于安装加工的夹具式PZT型传感器；实验表明PZT型智能钢筋网格可有效进行脱粘、单/多裂缝判断，以及保护层变化如砂浆层脱落的判断；数值模拟采用了隐式/显示相结合方法在台式计算机上运算模拟了PZT的机电耦合和应力波在钢筋混凝土结构传播。通过实验和模拟，PZT型智能钢筋网格探伤结果显示，对于单裂缝等破坏的增大，信号线性增加， 对裂缝的增加，信号呈指数上升。同时通过PZT智能网的信号，发现损伤指数法和反演法可对损伤较好的定量定位。.研究的科学意义在于成功将应力导向波通过PZT型智能网络应用于各种结构的损伤检测，研究的结果进一步可用于关键混凝土结构、轨道结构的实时健康监测。