sma智能混凝土梁損傷自監(jiān)測(cè)和自修復(fù)的研究

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1、工學(xué)博士學(xué)位論文SMA智能混凝土梁損傷自監(jiān)測(cè)與自修復(fù)研究STUDYONDAMAGESELF-MONITORINGANDSELF-REPAIROFSMASMARTCONCRETEBEAM劉志強(qiáng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2006年3月國內(nèi)圖書分類號(hào):TU398+.9TG139+.6國際圖書分類號(hào):624.01工學(xué)博士學(xué)位論文SMA智能混凝土梁損傷自監(jiān)測(cè)與自修復(fù)研究博士研究生:劉志強(qiáng)導(dǎo)師:王光遠(yuǎn)院士副導(dǎo)師:李惠教授申請(qǐng)學(xué)位:工學(xué)博士學(xué)科、專業(yè):力學(xué)、工程力學(xué)所在單位:土木工程學(xué)院答辯日期:2006年3月授予學(xué)位單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TU3

2、98+.9TG139+.6U.D.C.:624.01DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONDAMAGESELF-MONITORINGANDSELF-REPAIROFSMASMARTCONCRETEBEAMCandidate:Zhi-qiangLIUSupervisor:Prof.Guang-yuanWANGAssociateSupervisor:Prof.HuiLIAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:Enginee

3、ringMechanicsAffiliation:SchoolofCivilEngineeringDateofDefence:March,2006Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要城市基礎(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(duì)已建成的結(jié)構(gòu)和設(shè)施急需采用有效的手段監(jiān)測(cè)和評(píng)定其安全狀況、修復(fù)和控制其損傷;對(duì)新

4、建結(jié)構(gòu),也十分有必要增設(shè)長期的“健康”監(jiān)測(cè)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(cè)、健康診斷與損傷修復(fù)和控制已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)新的熱點(diǎn)課題。形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,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(dòng)功能,可以發(fā)展損傷自監(jiān)測(cè)與自修復(fù)SMA智能工程結(jié)構(gòu),對(duì)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(jià)值。本文以SMA智能結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,系統(tǒng)地研究SMA的感知特性、驅(qū)動(dòng)特性以及SMA智能混凝土結(jié)構(gòu)損傷自監(jiān)測(cè)與自修復(fù)的理論和方法。主要研究內(nèi)容如下:首先,針對(duì)SMA微小

5、電阻特點(diǎn),研制了SMA電阻測(cè)試系統(tǒng)。通過試驗(yàn),研究了NiTi和NiTiCuSMA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(duì)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(cè)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(cè)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)力特性,分析了電流施加方案、電流強(qiáng)度和預(yù)應(yīng)變對(duì)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

6、SMA回復(fù)力動(dòng)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(dòng)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(shí)利用其感知特性和驅(qū)動(dòng)功能,形成損傷自監(jiān)測(cè)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(cè)與自修復(fù)的性能,分析了修復(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(duì)SMA智能混凝土梁撓度恢復(fù)和裂縫閉合程度的影響規(guī)-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文律,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),

7、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(duì)SMA智能混凝土梁損傷控制與永久修復(fù)全過程進(jìn)行計(jì)算分析,并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了該計(jì)算分析方法的正確性和合理性。采用建立的有限元模型,對(duì)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(duì)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

8、筋率對(duì)損傷控制與修復(fù)能力指標(biāo)的影響規(guī)律,建立了基于撓度恢復(fù)率的SMA智能混凝土梁損傷控制與修復(fù)能力指標(biāo)的回歸

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