基于波动理论的地下钢筋混凝土管道损伤智能监测研究

Under cyclic environmental load, structural damage, including cracks, holes, corrosions and further leakage always occur for underground reinforced concrete pipe. Due to the inhomogeneous and nonlinear properties of the reinforced concrete material, monitoring of the internal structural damage is still a challenge for engineers. This project proposes to implement piezoceramic based smart aggregate to monitor the structural health of reinforced concrete pipe. Based on the high time-resolution Gabor and high frequency-resolution Morlet wavelet obtained from the wavelet packet analysis, the type and location of the internal structural damage in nonlinear reinforced concrete pipe can be effectively detected. An innovative theory of structural damage detection in reinforced concrete pipe using wavelet packet analysis will be proposed. In addition, based on the study of energy attenuation of wavelet packets associated with pipe leakage, a new theory of leakage detection of reinforced concrete pipe using smart aggregates will be proposed. This project contributes to provide an intelligent real-time monitoring system which can offer early structural damage and the leakage detection for reinforced concrete pipe.

地下钢筋混凝土管道在服役过程中会老化或在外界环境载荷作用下产生开裂、破损、内部钢筋腐蚀等结构损伤，并导致管道渗漏随之带来次生灾害。考虑钢筋混凝土材料的非均匀性和非线性，基于波动理论对其内部的损伤检测依然是个难题。本课题提出将收发可控的压电陶瓷智能骨料传感器预埋于钢筋混凝土管道中，创新性地利用检测应力波小波分析法，利用对时间高分辨率的Gabor小波和对频率高分辨率的Morlet小波对非线性钢筋混凝土内部损伤的位置和类别进行检测。本课题将建立基于小波分析法的地下钢筋混凝土管道损伤监测理论。同时，通过基于小波能量法，研究钢筋混凝土管道中不同介质的渗漏与检测应力波小波包能量衰减的对应关系，建立基于小波分析能量法的钢筋混凝土管道渗漏监测理论。本课题的研究成果，将会实现对地下钢筋混凝土管道不同类别结构损伤和渗漏的智能化健康监测与评估。

钢筋混凝土管道是城市的重要公共基础设施之一，为保证其安全、可靠的运行，防止此类管道出现表面碳化、侵蚀、爆管、开裂等公共安全隐患，以及其带来的次生灾害，实时监测此类结构的健康状况具有重要的社会意义。.本项目围绕混凝土管道缺陷对压电应力波信号传播和衰减特性的影响规律等关键科学问题，系统研究了压电应力波用于钢筋混凝土管道损伤和渗漏的监测和识别机理，建立了基于压电应力波传播衰减特性的钢筋混凝土管道病害具体形式的识别方法，完善了基于智能骨料的钢筋混凝土管道识别理论体系，验证了所提出的监测识别方法在新建混凝土管道结构上的应用可行性。基于上述研究思想，探究了压电智能骨料及压电应力波监测识别方法在其它结构类型病害损伤的监测识别可行性，拓展了其在结构监测层面应用的通用性。该课题的重要研究成果及科学意义如下： . 一、系统研究了压电智能骨料传感器对非线性钢筋混凝土管道损伤和渗漏的监测和识别方法，探究了压电智能骨料在管道结构中的信号传播和衰减特性，明确了压电应力导波对结构病害接触面物理参数改变的反馈效果，揭示了钢筋混凝土内部不同损伤类型和程度与接收应力波能量值衰减之间的对应关系，提出了基于小波包时-频域分析技术的钢筋混凝土管道损伤和渗漏识别方法，建立了一套针对钢筋混凝土管道病害损伤的智能监测预警系统。. 二、此外，基于压电应力波传播和衰减特性在钢筋混凝土管道病害监测和识别层面的研究结果，课题组还探究了其在管道类结构病害缺陷领域的应用，提出了基于压电应力波时间反演技术和压电阻抗技术的管道类结构接头松动病害识别方法，建立了压电主动传感技术对钢管混凝土拱桥中内脱空病害的监测和识别机理，发展了其在混凝土水化龄期监测、碳纤维布加固效果评定、隔震垫病害识别等领域的应用，进一步拓展压电应力导波对土木结构病害监测识别的研究范围，为压电传感器在土木建筑类结构的实际应用奠定了坚实的理论基础。