SMA智能混凝土梁損傷自監(jiān)測與自修復(fù)研究.pdf

1、城市基礎(chǔ)設(shè)施和土木工程結(jié)構(gòu)的使用期都長達(dá)幾十年、甚至上百年，在其服役過程中，由于環(huán)境載荷的作用、疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和材料老化等不利因素的影響，結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生損傷積累、抗力衰減，甚至導(dǎo)致突發(fā)事故。因此，對已建成的結(jié)構(gòu)和設(shè)施急需采用有效的手段監(jiān)測和評定其安全狀況、修復(fù)和控制其損傷；對新建結(jié)構(gòu)，也十分有必要增設(shè)長期的“健康”監(jiān)測系統(tǒng)及損傷修復(fù)與控制系統(tǒng)。重大土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測、健康診斷與損傷修復(fù)和控制已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)新的

2、熱點(diǎn)課題。
　　形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱 SMA）是一種具有多功能特性的智能材料。充分利用SMA的感知特性和驅(qū)動功能，可以發(fā)展損傷自監(jiān)測與自修復(fù) SMA智能工程結(jié)構(gòu)，對提高土木工程結(jié)構(gòu)的服役安全具有重要的理論意義和實(shí)用價值。
　　本文以SMA智能結(jié)構(gòu)為研究對象，系統(tǒng)地研究 SMA的感知特性、驅(qū)動特性以及SMA智能混凝土結(jié)構(gòu)損傷自監(jiān)測與自修復(fù)的理論和方法。
　　主要研究內(nèi)容如下：
　

3、　首先，針對SMA微小電阻特點(diǎn)，研制了SMA電阻測試系統(tǒng)。通過試驗(yàn)，研究了NiTi和NiTiCu SMA電阻變化率與應(yīng)力以及應(yīng)變之間的關(guān)系，分析了預(yù)應(yīng)變對SMA應(yīng)變感知特性的影響，進(jìn)一步發(fā)展了結(jié)構(gòu)裂縫和變形監(jiān)測的SMA應(yīng)變傳感元件。
　　其次，從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，研究了電流加熱 SMA回復(fù)力特性及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。研制了SMA溫度測試系統(tǒng)。通過試驗(yàn)，研究了不同電流施加方案下 SMA的升溫曲線和加熱速率，以及電流加熱下 SMA的回復(fù)力

4、特性，分析了電流施加方案、電流強(qiáng)度和預(yù)應(yīng)變對SMA回復(fù)力的影響規(guī)律及SMA回復(fù)力的熱疲勞特性。考慮到電流加熱中 SMA與空氣介質(zhì)熱交換的復(fù)雜性，提出了電流加熱下 SMA回復(fù)力動態(tài)本構(gòu)關(guān)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法，并建立了SMA回復(fù)力動態(tài)本構(gòu)關(guān)系神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
　　第三，將 SMA絲埋置于混凝土梁受拉區(qū)，同時利用其感知特性和驅(qū)動功能，形成損傷自監(jiān)測與自修復(fù)的SMA智能混凝土梁。通過試驗(yàn)，研究了SMA智能混凝土梁損傷自監(jiān)測與自修復(fù)的性能，分

5、析了修復(fù)前、后 SMA智能混凝土梁應(yīng)變和應(yīng)力分布變化規(guī)律、裂縫變化情況，以及 SMA絲和縱筋配置量等因素對SMA智能混凝土梁撓度恢復(fù)和裂縫閉合程度的影響規(guī)律，揭示了SMA控制和修復(fù)混凝土梁損傷的機(jī)理，建立了SMA電阻變化與智能混凝土梁撓度之間的關(guān)系。通過試驗(yàn)，研究了SMA和碳纖維板相結(jié)合的SMA智能混凝土梁損傷控制與永久修復(fù)全過程的性能。
　　第四，采用非線性有限元軟件ABAQUS，建立了SMA智能混凝土梁有限元模型，對SMA智能

6、混凝土梁損傷控制與永久修復(fù)全過程進(jìn)行計算分析，并與試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了該計算分析方法的正確性和合理性。采用建立的有限元模型，對SMA智能混凝土梁損傷控制與修復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)分析，研究了SMA配置率和預(yù)應(yīng)變以及鋼筋配筋率對SMA智能混凝土梁損傷控制與修復(fù)效果的影響規(guī)律；提出了基于撓度回復(fù)率和損傷指數(shù)的SMA智能混凝土梁損傷控制與修復(fù)能力的定量指標(biāo)體系，分析了SMA配置率和預(yù)應(yīng)變以及鋼筋配筋率對損傷控制與修復(fù)能力指標(biāo)的影響規(guī)律，建立了基于撓