钢筋混凝土粘结损伤主被动波导一体化监测及评价

Bond damage is the most serious damage type in reinforced concrete structures. It has some obvious characteristics, for example, high hiding, strong random, clear localization. However, at present, it is lacking some monitoring methods to this kind of typical interface damage. In this project the integrated technology of active and passive wave guided testing was proposed, considering these merits that active wave guided can test existing damage and is very sensitive to minor damage, and passive wave guided can monitor the damage evolution process. First, Corresponding numerical models based on rapid speed and high precision spectral element method are developed, and imaginary spectral elements are proposed to model wave reflection at boundaries. Second, the integration multi module sensors of active and passive wave guided testing and intelligent sensing network systems are developed. The monitoring methods, excited signals choice, and wave guided characteristic parameter with different bonding failure patterns is studied.The multimode, strong dispersion and nonlinear wave guided sigals denoising method is proposed. Third, based on monitoring data, reinforcing steel bar and concrete bonding failure damage evolution law, damage location probability analysis and fusion method is studied, and reinforced concrete numerical models is real time updated. Finally, the effectiveness and correctness of these methods in the project would be verified through experiment.

粘结损伤是钢筋混凝土结构最严重的破坏形式，它具有隐蔽性比较高、随机性强、局部化突出等特征，而目前针对这类典型的界面损伤监测还缺乏相应的手段。本项目结合主动波导能够测试既有损伤及对小损伤较敏感和被动波导能够监测损伤演化过程等优点，提出主被动波导集成技术监测其损伤。首先提出一种计算速度快、精度高的谱单元方法模拟粘结失效波导传播，采用虚拟谱单元来模拟边界反射，得到其传播规律。其次，研制主被动波导共线一体化复合多模块传感器及智能传感网络系统、发展相应的监测方法和技术；优化激励信号和主被动波导测试方法选择；提出强噪声环境中的多模态、强频散和非线性波导信号去噪及分析方法，得到不同粘结损伤模式下波导特征参数。再次，基于波导测试信号评价钢筋与混凝土粘结失效损伤演化规律、探讨损伤定位概率分析和融合方法； 实时修正钢筋混凝土粘结损伤模型。最后，通过实验验证本项目提出的方法有效性和正确性。

本项目进行了钢筋损伤及其钢筋混凝土剥离损伤主被动谱单元方法模拟方法。基于Rayleigh - quotient方法讨论了小波有限元的数值频散误差；提出了一种适合并行计算的基于FFT的小波有限元谱方法，克服了小波有限元时域积分法模拟高频弹性波时严格的时间步长限制，采用单元层面的动力缩聚技术进一步缩减了系统总自由度数。并将该方法用于一维结构中裂缝、脱粘等损伤的导波检测。研制主被动波导共线一体化复合多模块传感器及智能传感网络系统、发展相应的监测方法和技术。测试了不同剥离损伤程度钢筋混凝土试件，得到了剥离长度比与时频域信号幅值的相关关系，提出了能量衰减分析方法，发现超声导波能量衰减曲线更能有效评价混凝土与钢筋界面剥离程度。进行不同的钢筋腐蚀损伤程度进行了超声导波测试，通过腐蚀前后的信号对比，分析不同腐蚀情况下的信号变化，得到信号与腐蚀程度的一一对应关系。运用小波包分析得到了钢筋混凝土腐蚀损伤超声导波信号时频曲线，给出了各个损伤阶段的波形特征、损伤类别和频率分布。进行了CFRP/钢管复合约束混凝土柱轴压作用下的声发射监测试验，并对其损伤发展进行了分析。利用声发射累积能量、RA和AF值分析、信号强度分析和b值分析分别对CFRP/钢管复合约束混凝土柱在轴压作用下的受力状态、混凝土裂缝形式发展变化、损伤强弱程度和损伤裂缝的发展进行了分析和评估。分析结果表明，利用有效的声发射参数能够很好表征CFRP/钢管复合约束混凝土损伤演化过程及其破坏形态。验证了波束成形算法对板状结构主被动探伤定位成像的有效性，利用信号Hilbert变换和概率诊断成像技术对损伤定位进行了优化改进，摆脱了定位算法对波速精确性的依赖。并对该定位成像算法的抗噪性和波速不敏感性进行了分析。