基于压电的预应力混凝土—钢组合构件的损伤监测试验研究

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在环境问题与能源问题日益严峻的当代,风能作为一种蕴藏丰富的清洁可再生资源越来越受到人们的关注。近年来,国内外通过建设大型风电塔架来实现对风能的利用,随着风力发电单机装机容量的不断上升,传统的混凝土塔架和纯钢塔架弊端逐渐凸显。预应力混凝土-钢组合塔架作为一种新型的风电塔架形式,将混凝土塔段和钢塔段进行组合,充分结合两种材料各自的优势,为大型风电机组的研发的提供一种新途径。组合风电塔架在实际工作服役中,其混凝土段的开裂对其使用寿命以及可靠性具有重大影响,对组合塔架进行结构健康监测具有重要意义。由于传统的监测方法很难对组合塔架裂缝损伤情况进行有效的评估,本文针对预应力混凝土-钢组合塔架提出了一种基于压电陶瓷应力波的主动监测方法,主要开展以下工作:(1)本文对压电陶瓷材料的选取、压电陶瓷传感器的制作方法进行了详细的介绍,概述了压电应力波分析理论的发展以及应用背景,解释了试验所需激励信号选取方式以及监测信号的处理分析方法。(2)本文对预应力混凝土-钢组合塔架连接段的缩尺模型混凝土段三个监测面开展了损伤监测试验研究。试验所用加载方式为水平往复加载,驱动器和传感器均采用外贴式压电陶瓷片,对结构从健康状态到最终损伤多个工况分别采用一发一收和一发多收两种方式进行应力波信号采集。(3)基于压电传感器的激励信号选取了正弦信号和扫频信号。在一发一收模式中,定义了基于信号频域幅值的归一化损伤指标和基于信号小波包能量的能量归一化指标。在一发多收模式中,定义了信号在传播路径中的幅值衰减指标。通过信号分析,发现监测结果与裂缝实际开展情况相吻合。当损伤越严重时,信号衰减也越严重,所定义的损伤指标值也越大。两种不同激励信号所对应的损伤指标均可实现监测区段初始裂缝的产生以及发展进行有效的识别。
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