基于非线性超声特征的混凝土初始损伤识别和评价研究

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1、武汉理工大学博士学位论文基于非线性超声特征的混凝土初始损伤识别和评价研究姓名：陈小佳申请学位级别：博士专业：船舶与海洋结构物设计制造指导教师：沈成武20071101武汉理丁大学博士学位论文摘要混凝土材料在基础设施建设中占了绝大比例，随着基础设施的老龄化，对其现状的评估日益受到重视。在役结构中混凝土多处在损伤的早期积累阶段，对其损伤进行识别和累计损伤进行定量描述，是非常有益的。超声扫描技术能够观测到材料内部的变化情况，然而对于混凝土材料而言，基于线性波动理论的传统超声方法具有较大局限性。目前对混凝土材料损伤的识别和定量无损评估仍然是具有挑战性的

2、课题。由于混凝土材料的复杂性以及由此产生的不同力学性能，混凝土本身就是一种非线性材料，一般损伤后其非线性更加明显。因此，研究利用材料非线性所表现出的超声特征，对其损伤进行探测和定量化的表征，无疑具有重要的理论意义，对在役结构材料的定量化评估也具有较高的实用价值。本文从材料细观损伤力学角度出发，以波动理论为基础，通过混凝土材料损伤后表现出的非线性超声特征，对材料裂纹的出现、发展进行表征，从而实现对混凝土材料初始损伤的探测和累计损伤的定量评估。主要的工作和成果如下：总结提出了基于相对非线性系数的超声高阶谐波和超声调制两种方法。即利用基频谐波幅值平

3、方和二阶谐波幅值的比值作为相对非线性系数；和在两个谐波输入情况下，利用非线性超声旁频幅值和两个谐波输入幅值积比值的作为相对非线性调制参数，表征材料内部结构改变的信息。两者可以作为相互间的印证。探讨了裂缝开合产生的非线性超声调幅机理，采用弹簧模型模拟裂缝裂隙上的力学行为，提出了针对开裂材料的非线性超声调制方法。指出了裂缝在多个位移场下产生的非线性超声高阶谐波和超声调幅特征，与按照经典非线性理论所得到的结果相似。提出了改进的非线性超声调制测试方法。该方法利用材料非线性超声特性所产生的旁频能量代替旁频幅值，作为描述材料非线性程度的定量指标。采用基于

4、相对非线性超声调幅参数的方法，消除了由于混凝土衰减等不利因素的影响，使得测试方法更为实用。并设计了一种非线性超声调制测试方案。总结了武汉理工大学博士学位论文非线性超声数值信号处理的关键技术。对在碱骨料反应下混凝土试件的累积损伤进行了跟踪试验研究，首次通过非线性超声特征定量观测到了碱骨料反应下试件从初始微裂出现、发展和连通等不同阶段的全过程损伤演化的过程。表明本文提出的非线性高阶谐波方法和非线性超声调制方法均能表征材料内部裂缝的产生和发展的演变过程，且对裂缝的产生十分敏感。证明所提出的方法和测试技术是十分有效的，为利用非线性超声方法检测材料的损

5、伤程度奠定了基础。最后探讨了材料非线性系数与损伤变量之间的内在联系。利用材料退化后表现出的非线性超声特性，定量表征材料的损伤程度，为损伤评估建立起了一条较为合理的路线。探讨了利用混凝土弹性参数反演其强度的可行性，初步推导了混凝土强度退化与非线性系数变化的关系式。关键词：非线性超声特性；非线性超声技术；初始损伤识别；碱骨料反应；混凝土材料评价lI武汉理工大学博+学位论文AbstractThereareenormousapplicationsofconcreteintheinfrastructureconstructionanditstechni

6、queconditionattractsmuchconcemedasitbecomesaging．Mostofthestructuralconcretematerialinserviceisexperiencingitsinitialandcumulativedamage，itisverybeneficialtOidentifyandquantifyitstechnicalstate．UltrasonicscanningtechniqueisabletOsensetheinnerchangeofthematerials，butthefeasi

7、bilityusingtraditionalmethodsbasedonlinearacoustictheoryislimitedforconcretematerial．Thedevelopmentofaquantitativenondestructiveevaluationproceduretotrackandquantifydamageinconcrete，isstillachallengingproblem．Duetothecomplexstructureandmultipleconstituentswithdifferentmecha

8、nicalproperties，concretematerialsaleinherentlynonlinear．Ingeneral，whendamaged,they