环境激励下基于压电陶瓷的水工混凝土结构损伤探测方法研究

A number of large hydraulic projects have been built, under construction, and under planning in China. A large part of them are hydraulic concrete structures. Under the action of load factors (hydrostatic thrust, ice pressure, wave pressure, etc.) and non-load factors (aging, chemical erosion, carbonization, etc), the structures may be damaged. When such damages accumulate to a certain extent, the accumulated damages may jeopardize the safety of the structures. Therefore, it is necessary to study efficient methods to detect the damages of the structures. In this project, aiming at the limitations of conventional non-destructive detection methods in hydraulic concrete structure damage detection, theoretical analysis, experiments and numerical simulation are used to establish a piezo-ceramic damage detection system for hydraulic concrete structures. The free vibration response extraction method of hydraulic concrete structures under ambient excitation is studied, the structural modal parameter identification theory for hydraulic concrete structures under ambient excitation is explored, and the hydraulic concrete structure damage diagnosis method under ambient excitation is constructed. The above damage detection method is established to obtain the damage information of hydraulic concrete structures in real time, master the structural behavior, and insure the safety of the structures. The research achievements will promote the present theory of hydraulic concrete structure damage detection and monitoring.

我国已建、在建、规划建设多座大型水工程，很多工程是水工混凝土结构，这些水工混凝土结构长期在荷载因素（水推力、冰压力、浪压力等）和非荷载因素（老化、腐蚀、碳化等）的作用下，结构可能会产生不同程度的损伤，当损伤积累达到一定程度时，必定会危及建筑物的安全运行，因此亟待对水工混凝土结构开展损伤探测研究。本项目针对常规损伤探测技术在水工混凝土结构损伤探测中的不足，采用理论分析、物理模型实验和数值模拟相结合的方法，利用压电陶瓷技术，构建基于压电陶瓷的水工混凝土结构损伤探测系统，提出环境激励下水工混凝土结构的自由响应提取方法，探索环境激励下水工混凝土结构模态参数识别理论，构建在环境激励下的水工混凝土结构损伤诊断方法体系，以此实时获取水工混凝土结构损伤信息，及时掌握结构的工作性态，确保工程安全。研究成果将提高水工混凝土结构损伤探测与监测领域的现有理论水平，并发展现有的工程应用方法体系。

本项目鉴于声发射、超声波、探地雷达等常规损伤探测在水工混凝土损伤探测中的不足，采用理论分析、物理模型实验和数值模拟相结合的方法，利用压电陶瓷技术，研究建立了在环境激励下的水工混凝土损伤探测方法体系。本项目主要研究内容和成果有：（1）在分析压电陶瓷的基本特性和压电方程的基础上，针对水工混凝土特殊环境，研究制作压电陶瓷传感器。同时研究建立了基于压电陶瓷传感器的结构损伤探测系统。（2）建立了压电陶瓷的数值模型和声波在弹性材料中传播的本构方程，通过数值模拟研究了压电陶瓷的声辐射特性、外包材料和压电陶瓷相互作用关系等。研究了压电陶瓷形状和尺寸对探测性能的影响，不同粒径骨料对声波在混凝土中传播的影响。（3）提出了环境激励下压电陶瓷传感器振动信号处理及结构自由响应提取方法，构建了基于模态损伤诊断指标。（4）提出了基于小波变换结构损伤识别方法，并据此构建了频率指标、幅值指标和能量指标等损伤指标。（5）开展了动荷载及泄水激励下混凝土重力坝的损伤识别试验，验证了环境激励下基于压电陶瓷的水工混凝土结构损伤诊断方法。