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基于麦克风冲击共振法的钢–混凝土建筑组合结构脱空损伤诊断研究

发布时间:2018-06-27 20:32 论文编辑:lgg 所属栏目:建筑学论文 关键词: 建筑学论文声学测试频谱分析

本文是一篇建筑学论文,建筑学作为一门艺术,自然受到社会思想潮流的影响。这一切说明建筑学发展的原因、过程和规律的研究绝不能离开社会条件,不能不涉及社会科学的许多问题。

本文是一篇建筑学论文,建筑学作为一门艺术,自然受到社会思想潮流的影响。这一切说明建筑学发展的原因、过程和规律的研究绝不能离开社会条件,不能不涉及社会科学的许多问题。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇建筑学论文,供大家参考。
 
第1章 绪 论
 
1.1 研究背景及意义
改革开放以来我国经济欣欣向荣,土木工程建设也得到极大的发展,我国基础设施的建设在速度和规模上都居世界前列,大型复杂建筑和桥梁也日益增多。随着社会的发展和时间的流逝,越来越多的结构进入长期服役状态。目前我国桥梁的数量已超过 28 万座,其中绝大部分桥梁已服役超过三十年。大量的桥梁在长期服役期间积累各种损伤,使相当一部分现役结构物存在不同程度的安全隐患。结构关键部位的损伤将造成结构使用性能的下降甚至无法满足使用需求,若损伤没有被及时发现并采取相应措施,最终可能导致结构的局部破坏甚至整体的失效与毁损,造成巨大的安全隐患。对于重要的大型公共建筑、桥梁等结构,需要定期对结构物的质量安全性能进行鉴定和评估、改造和加固。1999 年,重庆市綦江县彩虹桥突然发生整体垮塌,如图 1.1 所示,造成 40 人伤亡,事故分析发现,该中承式钢管混凝土提篮拱桥在施工中存在巨大的质量问题,包括钢管混凝土的局部漏灌现象,在其主拱的肋板处发现了一米多长的空洞现象。由于桥梁结构的长期服役期间累积损伤导致性能退化,最终发生垮塌,造成巨大的损失和伤亡的事件给了我们深痛的教训[1]。因此,如何准确的评估和检测现役钢管混凝土结构的界面脱空损伤和病害问题十分重要。钢管混凝土(Concrete–Filled Steel Tube)组合结构是指在钢管中填充混凝土形成的组合结构,利用钢管和混凝土在受力过程中相互作用使混凝土处于复杂的应力状态,从而使混凝土的强度得以提高,塑性和韧性得到改善。钢管混凝土组合结构充分发挥了钢材与混凝土两种材料的优点,具有:重量轻,在力学性能方面耐疲劳、强度高、耐冲击、延性好,在施工性能方面架设轻便、省工省料、施工速度快等优势,从而在土木工程中得到广泛应用。
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1.2 钢管混凝土组合结构及其损伤危害
 
1.2.1 钢管混凝土组合结构及其优点
钢管混凝土(CFST)组合结构作为一种新兴的组合结构,由于其充分发挥钢材与混凝土材料各自的优点的优越性,被广泛应用于厂房、高层建筑和大跨结构和桥梁中。按截面形式的不同,可分为圆钢管混凝土和方钢管混凝土[13],工程中常见的几种截面形式如图 1.2 所示。钢管混凝土组合结构主要有以下方面的优点[14]:钢管内的混凝土在四周钢管的约束下,承受轴向压力时处于三向受压的应力状态,混凝土的强度大幅提高,且钢管在内部混凝土的支撑下极大程度地避免了局部屈曲破坏的可能,两种材料相互取长补短。研究表明钢管混凝土构件的承载力远高于钢管与混凝土二者承载力之和。混凝土为脆性材料,钢管在轴压下也会发生脆性的屈曲破坏,但在两种材料的相互作用下,当构件轴向受压时,在外部钢管发生屈曲破坏的情况下仍然具有一定的承载能力,且在压弯剪循坏荷载作用下,其水平作用力与位移之间的滞回曲线饱满,抗震性能优于传统的混凝土结构。
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第2章 声模态理论及四周约束板壳振动理论
 
2.1 声学基础与声模态分析
2.1.1 声波及声压的概念
质点的振动产生波,声波是各种弹性介质中的机械波,存在声波的空间称为声场。设想由于某种原因(如一个物体的振动),在弹性介质(如空气)的局部区域产生扰动,此区域的介质质点A离开平衡位置开始运动,质点A的运动必然推动相邻介质质点B,亦即压缩了这部分的相邻介质,如图2.1(a)所示。由于介质的弹性作用,这部分介质被压缩时将产生一个反抗力,反过来作用于介质质点A,使它向原来的平衡位置运动,质点A的惯性力使得其回到平衡位置后继续压缩另一侧的相邻介质质点,如此往复。由于介质的弹性和惯性作用,最初被扰动的介质质点在平衡位置附近进行往复振动,相邻的介质质点也相继振动起来,这种介质质点的机械振动由近及远的传播称为声振动的传播,即声波[101]。在理想流体介质中,只发生体积形变,即纯粹的压缩膨胀形变,介质的弹性可用单一的体弹性系数来表征,介质中只能传播纵波,且传播过程的特性只用声压就能充分描述。然而固体介质中除了体积形变外还存在切形变,即除了体弹性外还具有切变弹性。因此,固体中不仅能传播纵波,还能传播切变波,即横波。除此之外,在固体的自由表面会产生振幅随离表面深度而衰减的表面波。薄板中纵波与横波的反射叠加形成的特殊声场,薄板中的声波常称为兰姆波。如图2.2所示。由此可见固体中的声波传播比流体复杂得多。
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2.2 周界约束圆形平面薄板的自振频率
实际工程中,当局部脱空损伤的形状在相互正交的两个方向上尺寸大致接近时,也可将损伤的平面几何轮廓简化为园形,通过研究四周约束的圆形板的振动,求得该局部脱空损伤的自振频率解析解的近似值,下面介绍圆形形四周约束板的振动理论[111]:在柱坐标或球坐标下求亥姆霍兹方程和拉普拉斯方程时,利用分离变量的方式可求得贝塞尔方程,故贝塞尔函数常在圆柱体的电磁波传播、热传导与圆形薄膜振动的问题中被用到。式(2.57)的解无法用初等函数的形式表示,其标准解函数称为贝塞尔函数,在实际应用中,通常为整数n,此时称该方程的解为n阶贝塞尔函数。式(2.56)中的两个方程均为零阶柱贝塞尔方程的标准形式,该方程有两个特解,其中一个为0J ( z ),称为零阶柱贝塞尔函数(即第一类贝塞尔函数);另一个为0N ( z ),称为零阶柱诺依曼函数(即第二类贝塞尔函数)。
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第 3 章 钢–混凝土组合结构的麦克风冲击共振试验.....35
3.1 麦克风冲击共振试验原理 .............35
3.2 试探性测试 ......41
3.3 不同损伤面积与形状的麦克风冲击共振测试 ............45
3.4 基于麦克风的声模态测试 .............53
3.5 麦克风阵列损伤成像测试 .............58
3.6 本章小结 ..........64
第 4 章 显式动力学有限元模拟与试验模态分析...........66
4.1 引言 ........66
4.2 钢–混凝土组合板构件麦克风冲击共振测试 ....66
4.3 典型局部脱空损伤的模态 .............74
4.4 模态频率的试验及模拟值与理论解析解的比较.........80
4.5 本章小结 ..........83
第 5 章 多种无损检测方法对比测试..........85
5.1 引言 ........85
5.2 红外热成像探伤法 .....85
5.3 混凝土超声波探伤法 ...........90
5.4 钢结构超声波探伤法 ...........94
5.5 雷达法 ....97
5.6 基于爬行机器人的麦克风冲击共振成像法 ....100
5.7 各无损检测方法的优劣对比 .......103
5.8 本章小结 ........104
 
第5章 多种无损检测方法对比测试
 
5.1 引言
麦克风冲击共振测试方法能够有效地识别钢–混凝土界面局部脱空损伤,并且测试过程中无需界面接触耦合,方便快捷,为进一步探究该测试方法的测试效果及使用性能优劣,分别用红外热成像探伤法、混凝土超声波探伤法、钢结构超声波探伤法及雷法法对麦克风冲击共振损伤成像测试所用的钢–混凝土组合板构件与钢管混凝土构件进行损伤成像测试,从而对比各方法的探伤效果以及测试优劣性。
 
5.2 红外热成像探伤法
红外热成像探伤法在土木工程领域中的应用多处于定性分析的程度,在建筑领域,该方法可用于检测外墙的空鼓与剥落损伤、墙体的裂缝、饰面的粘贴质量不良于墙体受潮和渗漏等缺陷。在混凝土工程领域,该方法可用于沥青混凝土路面的离析检测和混凝土路面的脱空检测,以及建筑结构在火灾和冻融灾害下的结构损伤检测。红外热像仪的检测方法分为主动检测与被动检测两大类[41]。主动检测是由人工热源加热或太阳辐射加热,使构件产生温度的变化,在加热的同时或加热一段时间后,测量构件表面的温度分布。被动检测则是通过仪器测量构件自身的温度场分布,从而识别损伤的方法。其中,主动式检测又分为单面检测与双面检测,单面检测即被加热的表面与红外热像仪测试的表面位于同一侧的测试方法,热流如图5.1所示,当构件内部的损伤为隔热性缺陷时,缺陷位置表面所反射回的热量较其他部位更多,测得表面温度分布中,热量集中的部位即为存在损伤的部位,反之,当构件内部存在导热性缺陷时,表面温度分布中热量较低的区域为存在损伤的部位;双面检测即在构件的一侧表面进行人工外部加热,在另一侧用红外热像仪进行温度场分布检测的方法,其热流如图5.2所示,当构件内部存在隔热性损伤时,热流从加热表面传播至另一侧表面,经过隔热损伤的部位将流失部分热量,表面温度分布中热量较低的区域为存在损伤的部位;反之,当构件内部存在导热性缺陷时,表面温度分布中热量较高的区域为存在损伤的部位。