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水泥基压电复合材料传感器在钢筋混凝土结构中应用研究

作　者: 姚科
导　师: 许颖；董必钦
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 土木工程
关键词: 水泥基压电复合材料传感器钢筋混凝土结构冲击荷载周期荷载有限元模拟
分类号: TP212.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

水泥基压电复合材料传感器可有效解决传统智能材料与混凝土母体结构材料之间的相容性问题,它不但具有感知功能,而且具有驱动功能,其制备工艺简单,造价低,非常适合于土木工程领域中智能材料的发展需要,因此,研究与开发该类压电复合材料对于推动各类土木工程结构向智能化方向发展有着广泛的工程应用意义和学术价值。然而,目前对水泥基压电复合材料传感器的研究仍然主要停留在材料的制备、介电、压电特性等方面,而对水泥基压电复合材料传感器在结构中的应用仍研究的相对较少。因此,本课题对水泥基压电复合材料传感器在钢筋混凝土结构中的传感特性进行实验和数值模拟研究。在实验中分别制作了1:3的梁和1:6框架的足尺模型,通过对预先埋入的水泥基压电复合材料传感器在冲击荷载和周期荷载情况下实验结果进行分析,与传统压电陶瓷传感器在相同条件下的实验结果进行对比,并利用ABAQUS有限元软件对实验结果进行数值模拟,通过数据对比、和仿真研究,证实了水泥基压电复合材料传感器在钢筋混凝土结构中应用的可行性,为以后的实验研究提供了实验依据。本文的主要研究内容和成果如下:(1)对埋设有水泥基压电复合材料传感器的钢筋混凝土梁进行冲击荷载试验和周期荷载实验,将实验结果与传统压电复合材料传感器的实验结果、ABAQUS有限元数值模拟结果进行对比分析,结果表明在冲击荷载作用下水泥基压电复合材料在钢筋混凝土梁中表现出良好的传感特性。对钢筋混凝土梁进行不同力的冲击荷载试验,结果表明水泥基压电复合材料传感器在钢筋混凝土梁中表现出良好的线性性能。对钢筋混凝土梁进行不同频率的周期荷载实验,将实验所得时间-应力曲线进行对比分析,结果表明水泥基压电复合材料传感器在不同频率荷载作用下表现出良好的传感特性。(2)通过对不同荷载作用下钢筋混凝土框架内力的数值模拟,对钢筋混凝土框架中压电传感器的布点进行了讨论,发现在框架节点位置附近应力峰值急剧变化,另外框架节点附近位置以及梁和柱的中点位置的应力监测对于荷载的加载位置、加载形式的确定具有重要意义,是传感器布点的关键位置。(3)在有限元数值模拟对布点讨论的基础上,对埋设有水泥基压电复合材料传感器的钢筋混凝土框架进行冲击荷载试验和周期荷载实验,将实验结果与传统压电复合材料传感器的实验结果、ABAQUS有限元数值模拟结果进行对比分析,结果表明在冲击荷载作用下水泥基压电复合材料在钢筋混凝土框架中表现出良好的传感特性。对钢筋混凝土框架进行不同力的冲击荷载试验,结果表明水泥基压电复合材料传感器在钢筋混凝土框架中表现出良好的线性性能。对钢筋混凝土框架进行不同频率的周期荷载实验,将实验所得时间-应力曲线进行对比分析,结果表明水泥基压电复合材料传感器在不同频率荷载作用下表现出良好的传感特性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 课题背景  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-18
    1.2.1 土木工程结构健康监测的发展  12-13
    1.2.2 智能传感材料的研究发展  13-15
    1.2.3 压电复合材料的研究进展  15-17
    1.2.4 水泥基压电复合材料的研究概况  17-18
  1.3 研究的目的和主要内容  18-20
第2章实验概况与数值模拟设置  20-36
  2.1 引言  20
  2.2 实验概况  20-30
    2.2.1 试验所用的信号采集设备及相关软件  20-21
    2.2.2 实验中混凝土结构的制备  21-23
    2.2.3 实验中的传感器  23-25
    2.2.4 实验中荷载的施加及边界条件  25-28
    2.2.5 实验数据的提取  28
    2.2.6 机电转换  28-30
  2.3 数值模拟设置  30-35
  2.4 本章小结  35-36
第3章钢筋混凝土梁的试验与数值模拟  36-57
  3.1 引言  36
  3.2 对冲击荷载作用下钢筋混凝土梁应力的监测  36-41
    3.2.1 纵向分布传感器组模拟结果与实验结果的分析  36-38
    3.2.2 斜向分布传感器模拟结果与实验结果的分析  38-41
  3.3 对周期荷载作用下钢筋混凝土梁应力的监测  41-51
    3.3.1 纵向分布传感器组模拟结果与实验结果的分析  41-46
    3.3.2 斜向分布传感器模拟结果与实验结果的分析  46-51
  3.4 水泥基压电复合材料传感器在钢筋混凝土梁中的线性性能  51-53
  3.5 不同加载频率的监测  53-56
  3.6 本章小结  56-57
第4章钢筋混凝土框架的试验与数值模拟  57-80
  4.1 引言  57
  4.2 水泥基压电复合材料传感器在混凝土结构中布点讨论  57-63
    4.2.1 柱子上传感器组的布点讨论  58-60
    4.2.2 梁上传感器组的布点讨论  60-63
  4.3 对冲击荷载作用下钢筋混凝土框架应力的监测  63-67
  4.4 对周期荷载作用下钢筋混凝土框架应力的监测  67-75
  4.5 水泥基压电复合材料传感器在框架中的线性性能  75-76
  4.6 不同加载频率的监测  76-79
  4.7 本章小结  79-80
结论  80-82
参考文献  82-87
致谢  87

水泥基压电复合材料传感器在钢筋混凝土结构中应用研究

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