碳纖維智能層的特性及其場域監(jiān)測.pdf

1、隨著大跨度結(jié)構(gòu)和超高層建筑的不斷發(fā)展，大型土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)的研究與應(yīng)用越來越受到學術(shù)界和工程界的重視。本文系統(tǒng)地開展碳纖維智能層傳感特性理論與實驗研究，提出一種用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可視化新方法，該方法將智能層覆蓋于土木工程結(jié)構(gòu)表面，形成類似于皮膚的薄膜，利用其功能特性和導電性，將結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或者應(yīng)力轉(zhuǎn)化為智能層的易于檢測的電參數(shù)，結(jié)合電阻率層析成像技術(shù)，實現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)場域監(jiān)測的可視化。主要創(chuàng)新成果包括以下幾個方面：

2、 1．提出一種新的碳纖維智能層作為應(yīng)變傳感器，通過大量實驗分別對樹脂基碳纖維智能層和水泥基碳纖維智能層的傳感特性、界面安裝方法等進行了研究，建立了一種基于敏感場的“場”信息的工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測的新方法。 2．建立了基于碳纖維智能層在復雜應(yīng)力狀態(tài)下的壓阻效應(yīng)理論模型，推導平面應(yīng)力狀態(tài)下的壓阻系數(shù)矩陣的簡化，實現(xiàn)碳纖維智能材料功能特性由實驗到理論的突破，由一維向二維的突破。 3．首次在結(jié)構(gòu)表面采用碳纖維智能層，利用智能層良好

3、傳感功能特性和導電性，借助ERT技術(shù)，成功建立了受力結(jié)構(gòu)的全場應(yīng)變監(jiān)測的理論方法。 4．研制了一套碳纖維智能層ERT系統(tǒng)，并得到了實驗的驗證。實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測結(jié)果圖像化、可視化的新型診斷方法。實現(xiàn)了智能系統(tǒng)從模型、試驗到理論的集成。 主要研究工作包括以下幾個方面： 1．進行了碳纖維氈單調(diào)拉伸、循環(huán)加載實驗，研究碳纖維氈的應(yīng)變-電阻效應(yīng)，通過實驗結(jié)果分析得到其應(yīng)變靈敏度和傳感極限數(shù)據(jù)結(jié)果；考慮到環(huán)境因素對碳纖維氈

4、電阻的影響，對碳纖維氈的溫度-電阻效應(yīng)也進行了測試；在微觀實驗中，初步分析碳纖維氈的傳感機理。 2．建立基于碳纖維氈智能層的壓阻理論模型，推導平面應(yīng)力狀態(tài)下的壓阻系數(shù)矩陣的簡化，為后續(xù)的場域監(jiān)測提供理論依據(jù)；將碳纖維氈鋪在樹脂中制作成樹脂基智能層，作為應(yīng)變傳感器，檢測其靜態(tài)性能；將碳纖維氈鋪在水泥中制作成水泥基智能層，作為應(yīng)變傳感器鋪設(shè)于實驗梁的表面，通過三點彎曲實驗研究水泥基智能層的壓敏性、線性、靈敏度、重復性、電阻變化率與梁

5、的平均應(yīng)變的一致性；將水泥基碳纖維智能層鋪制到有預制缺陷的混凝土結(jié)構(gòu)梁上，研究了智能層的傳感功能特性，同時還發(fā)現(xiàn)如果在水泥中摻入少量的短切碳纖維來增加基體的導電性，可以大大的提高智能層的靈敏度。 3．對求解ERT逆問題基礎(chǔ)的ERT正問題進行研究，具體利用有限元法(FEM)對ERT場域進行了數(shù)學描述，研制了ERT有限元系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了給定場域進行剖分、設(shè)置場內(nèi)電阻率分布、求解ERT正問題等功能，并用幾種典型電阻率分布下的解析解對

6、該系統(tǒng)進行了驗證，達到滿意的數(shù)值計算精度。 4．建立碳纖維智能層圖像重建模型，利用改進的修正牛頓——拉夫遜方法求解ERT逆問題，針對問題的病態(tài)特征，用正則化處理方法進行改進。開發(fā)了一套具備較強反演功能的ERT成像系統(tǒng)，并對反演部分進行了驗證。 5．對圓板結(jié)構(gòu)在不同載荷，不同工況下進行虛擬實驗，將所得數(shù)據(jù)代入ERT系統(tǒng)，反演智能層電阻率分布情況；對某一實際工程結(jié)構(gòu)進行虛擬實驗，反演電阻率分布情況；將樹脂基碳纖維智能層鋪設(shè)在