基于非線性超聲特征的混凝土初始損傷識別和評價研究.pdf

1、混凝土材料在基礎設施建設中占了絕大比例，隨著基礎設施的老齡化，對其現(xiàn)狀的評估日益受到重視。在役結構中混凝土多處在損傷的早期積累階段，對其損傷進行識別和累計損傷進行定量描述，是非常有益的。超聲掃描技術能夠觀測到材料內部的變化情況，然而對于混凝土材料而言，基于線性波動理論的傳統(tǒng)超聲方法具有較大局限性。目前對混凝土材料損傷的識別和定量無損評估仍然是具有挑戰(zhàn)性的課題。由于混凝土材料的復雜性以及由此產生的不同力學性能，混凝土本身就是一種非線性材料

2、，一般損傷后其非線性更加明顯。因此，研究利用材料非線性所表現(xiàn)出的超聲特征，對其損傷進行探測和定量化的表征，無疑具有重要的理論意義，對在役結構材料的定量化評估也具有較高的實用價值。 本文從材料細觀損傷力學角度出發(fā)，以波動理論為基礎，通過混凝土材料損傷后表現(xiàn)出的非線性超聲特征，對材料裂紋的出現(xiàn)、發(fā)展進行表征，從而實現(xiàn)對混凝土材料初始損傷的探測和累計損傷的定量評估。主要的工作和成果如下： 總結提出了基于相對非線性系數(shù)的超聲高階

3、諧波和超聲調制兩種方法。即利用基頻諧波幅值平方和二階諧波幅值的比值作為相對非線性系數(shù)；和在兩個諧波輸入情況下，利用非線性超聲旁頻幅值和兩個諧波輸入幅值積比值的作為相對非線性調制參數(shù)，表征材料內部結構改變的信息。兩者可以作為相互間的印證。 探討了裂縫開合產生的非線性超聲調幅機理，采用彈簧模型模擬裂縫裂隙上的力學行為，提出了針對開裂材料的非線性超聲調制方法。指出了裂縫在多個位移場下產生的非線性超聲高階諧波和超聲調幅特征，與按照經典非

4、線性理論所得到的結果相似。 提出了改進的非線性超聲調制測試方法。該方法利用材料非線性超聲特性所產生的旁頻能量代替旁頻幅值，作為描述材料非線性程度的定量指標。采用基于相對非線性超聲調幅參數(shù)的方法，消除了由于混凝土衰減等不利因素的影響，使得測試方法更為實用。并設計了一種非線性超聲調制測試方案?？偨Y了非線性超聲數(shù)值信號處理的關鍵技術。 對在堿骨料反應下混凝土試件的累積損傷進行了跟蹤試驗研究，首次通過非線性超聲特征定量觀測到了堿

5、骨料反應下試件從初始微裂出現(xiàn)、發(fā)展和連通等不同階段的全過程損傷演化的過程。表明本文提出的非線性高階諧波方法和非線性超聲調制方法均能表征材料內部裂縫的產生和發(fā)展的演變過程，且對裂縫的產生十分敏感。證明所提出的方法和測試技術是十分有效的，為利用非線性超聲方法檢測材料的損傷程度奠定了基礎。 最后探討了材料非線性系數(shù)與損傷變量之間的內在聯(lián)系。利用材料退化后表現(xiàn)出的非線性超聲特性，定量表征材料的損傷程度，為損傷評估建立起了一條較為合理的路