基于压电智能骨料的钢管混凝土结构时变应力监测方法与地震灾变机理研究

Taking time-varying stress monitoring method and performance degradation mechanism under disasters of concrete filled steel tubular structure as a primary clue for research, this project develops piezoelectric smart aggregate to monitor concrete's 3-D internal stress in real time. The dynamic load test of concrete filled steel tube columns and joints under earthquake disaster will be conducted. The development process of concrete's elastoplastic stress in steel pipe will be understand in a micro-scale level based on the time-varying stress monitoring results. The mathematical model will be established between time-varying stress and components' performance degradation. Then a dynamic plastic damage model for confined concrete based on triaxial stress ratio, earthquake damage criterion and restoring force model of concrete filled steel tubular structure will be proposed, which will be introduced to the platform of ABAQUS software. Refined numerical simulation will be performed on concrete filled steel tubular structure applying the proposed damage model and failure criterion, structural failure mechanism will be analysed，and the main factors influencing the structural seismic performance will be confirmed. Combining experiment and numerical analysis results, local stress monitoring method of structure based on piezoelectric smart aggregate will be put forward, which reveal dynamic disaster process and the performance degradation law of concrete filled steel tubular structure. The research results will be the basis for systematic study on various disasters, and make a great contribution to monitor significant engineering structures and improve the emergency response and recovery capability of concrete filled steel tubular structure.

本项目拟以钢管混凝土结构时变应力监测方法和灾害作用下性能退化机理为研究主线，研制能实时监测混凝土内部三维空间应力的压电智能骨料，以地震灾害为对象进行钢管混凝土柱和节点拟动力加载试验，基于时变应力监测结果，从细观层次了解钢管内混凝土弹塑性应力发展过程，建立时变应力与结构性能退化关系数学模型，提出基于实测三轴应力比的约束混凝土动力塑性损伤模型及钢管混凝土结构地震破坏准则和恢复力模型；在ABAQUS软件平台上进行二次开发，利用基于时变应力建立的混凝土动力塑性损伤模型和破坏准则建立钢管混凝土结构地震灾变全过程的精细化数值模拟方法，分析结构失效机理，确定影响结构动力性能的主要因素。结合试验和数值分析成果，提出基于压电智能骨料的结构局部应力监测方法，揭示钢管混凝土结构地震灾变过程及性能退化规律。研究成果将为各种灾害作用下的系统研究奠定基础，对实现重大工程结构灾害监测，提高防灾减灾能力具有重要意义。

钢管混凝土结构具有优越的力学性能，成为超高层建筑的主要承重体系。地震等动力荷载作用下，钢管混凝土结构中的关键构件和节点受力复杂，通过应力监测方法从细观层次建立更准确的动力损伤模型，揭示结构的性能演化规律，对提高钢管混凝土结构防灾减灾能力具有重要意义。本项目充分发挥压电陶瓷智能材料的优势，研制压电智能骨料作为传感器，采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，对钢管内混凝土的动态应力进行监测和分析，了解结构局部损伤信息，分析结构损伤过程和灾变机理。本项目取得的主要成果如下：（1）建立压电陶瓷与主体结构的数学模型，对利用压电陶瓷传感器进行钢管和钢管混凝土损伤检测进行试验研究，为压电智能骨料设计制作和应力监测奠定了研究基础。（2）对智能骨料的制作工艺进行研究，完成智能骨料灵敏度等参数的标定测试和数值模拟，研制出能监测混凝土内部三维空间应力的压电智能骨料。（3）利用压电智能骨料作为传感器植入钢管混凝土柱和节点内部，对其在动力荷载作用下的时变应力监测进行模型试验和数值模拟，验证了利用压电智能骨料监测钢管混凝土结构时变应力的可行性。（4）基于试验结果，考虑材料非线性、初始损伤和损伤累积效应、混凝土约束效应、钢管与混凝土粘结效应等因素，在ABAQUS软件平台上进行二次开发，建立了钢管混凝土柱和节点动力灾变全过程的精细化数值模拟方法，确定了影响结构性能退化的主要因素，为钢管混凝土结构性能演化规律分析提供依据。（5）结合钢管混凝土结构试验的细观和宏观监测结果，分析了混凝土时变应力与结构强度、刚度退化的规律，建立了考虑围压应力比的约束混凝土动力塑性损伤模型，以及考虑性能退化和损伤累积效应的钢管混凝土结构地震破坏准则，建立了考虑损伤指标的钢管混凝土柱和节点恢复力模型。项目预定工作全面完成，并有适当拓展，形成含SCI二区期刊在内的国际国内重要学术期刊论文和发明专利，培养多名硕士研究生，项目研究成果在国内外产生一定影响。