基于尾波干涉的混凝土结构应力场非加卸载式测量研究

From the tecntic point of view, the essential difficulty to forcast and, consquently,to prevent the accidental fail of in-service bridges lies on the absence of a non-loading-non-unloading type method for the stress field measurement of prestressed concrete structure.Despite the long-term efforts, this engineering scientific problem has not yet been solved. Over the past decade, a few significant progresses have been achieved in French and German which leading this field. Obviously,it is important to enhance research work in this field. On the one hand, it may support us to compete in this field with the top contries; on the other hand, it may support the operation of the great number of reinforced concrete bridges in our contry with new technologis achievd through the research. The proposed reserch would be focused on the full-scale model test of a prestressed simply-supported T-beam.Based on Coda Wav Interferometyr,a detailed study would be carried out on the methodology and the corresponding technology for the stress field measurement of concrete structures. The difference between the proposed project and previous researches lies on two points:(i) Employment of array transducers for the excitation, collection and analysis of coda wave,which is supposed to avoid the loss of spatial information missed by a single or a pair of sensors,and then,(ii)The spatial differences of the wave volocity are employed for the measurement of the stress field in concrete structures.

在役桥梁安全事故的根本技术原因之一，在于缺乏结构应力的非加卸载式测量手段。虽经长期研究，这一工程科学难题至今仍未解决。近十年来，在该领域最领先的法国和德国已取得若干重要进展，或将在10年内实现相关理论和应用技术的重大突破。因此，我国亟需加强该领域的研究，一方面避免在该技术领域受制于人；另一方面，力争以科技创新来支撑我国桥梁工程的安全运营。 本项目拟以T梁足尺模型试验为重点、空间差异式尾波阵列测量技术为核心，探讨声学波速场与应力场相互关系模型与参数反演方法，研究基于尾波干涉的应力场非加卸载式测量问题。本项目特色在于"混凝土应力场的非加载式测量"。与同行研究的不同点（创新点)主要在于：1）推导基于尾波干涉的波速空间差测量算法，以突破现有算法仅处理时间差异的局限性；2)提出基于波速空间差的应力场测量方法，有望在混凝土结构应力的非加卸载式测量技术上取得突破。

对基于尾波干涉的混凝土梁应力场非加卸载式测量问题开展了分析和试验研究。完成了混凝土试块尾波干涉试验的基础性（预试验）工作；制定并实施了T梁、工字梁三点弯曲应力场的超声尾波测试试验方案，推导出尾波数据分解的泰勒展开算法，对超声尾波试验数据中的前五阶信号进行提取，建立了超声尾波信号参数与荷载等级间的关系曲线；在奇异值分解的基础上，推导了一种新的声波数据处理方法，建立了波形增量相关系数与荷载等级的线性函数关系式，实现了对混凝土特定荷载应力场系数的非加卸载测量。在理论方面，加强了对张力结构动力学问题的解析求解研究，对张力结构在任意有限项集中线性粘性阻尼下的运动方程进行无量纲化，提出了求解其非经典阻尼本征问题的一般方法；推导单阻尼情况下本征函数的具体形式，分析了中点阻尼对本征解的影响。.研究表明：T形梁与工字梁超声尾波信号参数与所受荷载等级间存在近似线性关系，实验测试数据与近似公式的拟合优度高于0.99；利用奇异值分解建立波形特性向量与应力场系数变化的线性函数关系，应力值测量分辨率可达到0.02Mpa；通过分离变量，将混合动力学系统的偏微分方程转化为常微分方程，用格林函数的加权和函数表示系统的本征函数，导出系统的本征方程组、本征向量和频率方程，给出了非经典阻尼一维结构本征函数显式解析表达的一般形式；分析了频率-阻尼关系、衰减率和完全抑制振动的最优阻尼等三个方面的动力学特性：（1）系统频率与其阻尼无关；（2）各阶本征函数在单位时间内的衰减率都相同，衰减率与本征值的阶次无关；（3）当阻尼取2时，系统衰减率趋于无穷大，系统不能发生任何有阻尼振动。