随着我国基建工程的发展,空间结构越来越多地被用于航站楼、候车厅、体育场等公共建筑。螺栓球节点连接形式因其安装便捷、施工周期短、不产生附加偏心距等优点,是目前最常见的空间结构节点连接形式之一。但在安装和长期使用过程中,存在一些不可避免的问题,比如螺栓旋拧不到位、环境侵蚀、疲劳效应等,而作为公共建筑,一旦发生事故会造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此,对螺栓球节点空间结构进行健康监测具有十分重大的意义。目前,对空间结构安全性的研究,大部分都是针对其疲劳破坏机理、极限承载能力等方面的,而空间结构在线健康监测方面的研究较少,基于此,本文将对螺栓球节点在安装、使用过程中由于螺栓、套筒破坏或外界载荷和干扰导致螺栓球节点受力状态和连接状态达不到预期值,进而发生节点连接失效的问题,利用压电陶瓷传感器,基于小波包能量分析法和时间反演法对螺栓球节点连接区进行健康监测方法研究。设计并制作了一个由螺栓球节点组成的缩尺网架模型,通过模型试验验证上述两种方法的有效性。具体研究内容如下:(1)介绍了利用小波包能量分析法和时间反演法对螺栓球节点连接区进行健康监测的基本原理,包括压电陶瓷传感器工作原理、螺栓球节点接触面积理论以及小波包能量分析法和时间反演法基本理论。通过简化图形、特性分析及计算推导,在理论上验证了小波包能量分析法和时间反演法监测螺栓球节点的可行性,这部分研究是整个论文工作的理论基础。(2)设计制作了一个螺栓球空间网架模型,并在该模型上进行了校核试验,建立螺栓球节点连接在不同松动状态下,扭矩与杆件轴力之间的对应关系。首先,介绍了模型的组成单元,各个部件的规格以及材料属性;接着分别以向连接区施加不同扭矩,模拟不同连接状态为试验工况,并使用应变片测量不同扭矩作用下被连接杆件的应变,进而得到被连接杆件轴力;最终,获得施加在套筒的扭矩与杆件轴力之间的对应关系。这一关系为基于小波包能量分析法和时间反演法的螺栓球节点连接区受力监测提供了基础。(3)以一个缩尺的螺栓球节点网架试验模型为研究对象,利用压电陶瓷传感器片,验证了基于小波包能量分析法的螺栓球节点连接区健康监测技术的有效性。通过对螺栓球节点连接区的套筒施加不同扭矩的试验工况,使连接区处于不同的松紧状态。对压电陶瓷传感器接收到的不同工况下应力波进行小波包分析,得到相应的应力波能量大小并进行对比,验证对螺栓球节点连接区连接状态进行监测的有效性。再根据扭矩与杆件轴力关系,建立能量值与杆件轴力的关系,验证小波包能量分析法对连接区受力状态监测的有效性,并以能量值计算危险指数RMSD作为指标衡量结构安全性。之后进行抗干扰性试验,并结合BP神经网络方法,进一步提高识别精度,验证了该方法具有一定的抗干扰性。(4)考虑到在实际监测工作中,监测结果会受到各种噪声的影响,为了提高健康监测方法的抗噪性,进一步引入时间反演法。以一个缩尺的螺栓球节点网架试验模型为研究对象,利用压电陶瓷传感器,验证了基于时间反演法的螺栓球节点连接区健康监测技术的有效性和抗噪性。试验工况为向连接区施加不同扭矩。信号波在结构中传递,最终形成一个有峰值的聚焦信号,通过对比不同扭矩状态下聚焦信号的峰值大小,验证时间反演法对螺栓球节点连接区连接状态监测的有效性。再结合扭矩与杆件轴力的关系,建立聚焦信号峰值与杆件轴力的关系,验证时间反演法对连接区进行受力监测的有效性。为了验证了时间反演法具有一定的抗噪性,能够应用于实际工程,在试验工程中,通过使用金属棒摩擦杆件的方式模拟噪声,最终结果证明在有外界噪声干扰情况下,时间反演法仍能有效地对螺栓球节点连接区进行有效地监测。