（固体力学专业论文）混凝土结构健康监测与诊断光力学新方法研究.pdf

中文摘要 中文摘要 鉴于混凝土在土木工程中的应用和现有建 构 筑物的现状 大力 加强对建 构 筑物的诊断 维修和加固技术的研究是必需的和迫切的 本文将光力学方法引入混凝土结构健康监测与诊断中 为其 量身定做 出适合于长期监测和健康诊断的新技术 本文提出一种新的混凝土结构健康监测与诊断的光力学方法 并开 发了相应图像处理软件 这种方法可以生命全过程 随时间变化连续监 测混凝土结构 为混凝土结构健康监测与诊断提供一种新的行之有效的 方法 针对不同的混凝土结构 新建的或既有的 分别设计研制了不同的 光弹性长效传感器 传感器结构合理 尺寸在一定范围可调 具有很高 的耐久性 安装方便 价格低廉 可以满足混凝土的特殊性质及混凝土 结构长期监测和诊断的要求 利用自 制的光弹性传感器通过模型实验对混凝土结构监测和诊断的 光力学新方法进行研究 实验结果表明 新方法应用于混凝土结构监测 和诊断是可行的 而且对于既有混凝土结构还可以将光力学方法和钻芯 法结合起来 既吸收钻芯法直观可靠的检测优势 又可将光力学新方法 应用于混凝土结构进行长期的监测 混凝土实际应力水平是反映混凝土结构受力状态的最重要的指标之 一 本文首次将数字图像相关方法应用到基于钻芯法的混凝土结构现存 应力的检测中 为混凝土结构监测管理和维修保养提供可靠的依据 针对混凝土结构加固的现状和趋势 本文首次将电子错位散斑技术 引入到混凝土结构 c f r p 加固界面粘接质量的检测中 采用不同的加载方 式 对c f r p 加固粘接质量进行检测和评价 为混凝土结构无损诊断提供 一 种新思路 关键词 混凝土结构 健康监测与诊断 光力学方法 光弹性传感器 现存应力 c f r p 加固 界面粘接质量 abs t r ac丁 abs tract i t s e x i g e n t o f t h e s t u d y o n t h e t e c h n i q u e o f d i a g n o s i s m a i n t a i n a n d r e i n f o r c e f o r c o n s t r u c t i o n w h e r e a s t h e u s i n g o f c o n c r e t e i n c i v i l e n g i n e e r i n g a n d t h e a c t u a l i t y o f e x i s t i n g c o n s t r u c t i o n i n t h i s t h e s i s n e w t e c h n i q u e o f l o n g t i m e m o n i t o r i n g a n d h e a l t h d i a g n o s i s f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s i s p u t f o r w a r d a c t a c c o r d i n g t o a c t u a l c i r c u ms t a n c e s b y i m p o r t i n g o f p h o t o m e c h a n i c s m e t h o d s i n h e a l t h m o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s s y s t e m n e w p h o t o m e c h a n i c s t e c h n i q u e o f h e a l t h m o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s w a s p r e s e n t e d a n d a u t o p r o c e s s i n g p r o g r a m f o r p h o t o e l a s t i c i m a g e i s d e v e l o p e d a l s o c o n c r e t e s t r u c t u r e s c a n b e m o n i t o r e d a n d d i a g n o s e d c o n t i n u o u s l y i n a l l i t s l i f e b y t h i s t e c h n i q u e t h i s w o r k o f f e r s a n e w e f f e c t i v e m e t h o d a n d o p e n s a n e w r o a d f o r t h e h e a l t h m o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s d i s s i mi l a r p h o t o e l a s t i c l o n g v a l i d i t y s e n s o r s w e r e d e s i g n e d a n d ma n u f a c t u r e d f o r d i f f e r e n t c o n c r e t e s t r u c t u r e s n e w l y b u i l t o r e x i s t i n g i t c a n b e t r u e o f t h e c h a r a c t e r i s t i c o f c o n c r e t e a n d t h e l o n g t i me mo n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s b e c a u s e o f i t s l o g i c a l b u i l d u p a d j u s t a b l e s i z e g o o d d u r a b i l i t y h a n d y b u i l d i n a n d l o w c o s t p h o t o e l a s t i c t e c h n i q u e o f m o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s w a s s t u d i e d b y m o d e l e x p e r i me n t s u s i n g t h e h o m e m a d e p h o t o e l a s t i c s e n s o r s t h e r e s u l t s s h o w i t s a f e a s i b l e t e c h n i q u e p h o t o m e c h a n i c s t e c h n i q u e c a n a l s o b e b a n d e d t o g e t h e r w i t h c o r e d r i l l i n g m e t h o d i t n o t o n l y h a s t h e i n t u i t i o n i s t i c a n d d e p e n d a b l e a d v a n t a g e o f c o r e d r i l l i n g t e s t i n g b u t a l s o p h o t o m e c h a n i c s m e t h o d c a n b e a p p l i e d f o r l o n g t i m e m o n i t o r i n g o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s t h e e x i s t i n g s t r e s s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s i s o n e o f t h e mo s t i mp o r t a n t p a r a me t e r s t o r e p r e s e n t t h e c o n d i t i o n o f t h e s t r u c t u r e d i c m w a s u s e d f i r s t l y f o r t e s t i n g t h e a c t u a l s t r e s s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s b a s e d o n c o r e d r i l l i n g m e t h o d i t c a n p r o v i d e a d e p e n d a b l e b a s i s f o r mo n i t o r i n g abs tract ma n a g e a n d ma i n t a i n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s a i m e d a t t h e s t a t u s q u o a n d t r e n d o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s s t r e n g t h e n e d e s s p i i s f i r s t l y i n t r o d u c e d i n t o t h e s t u d y o n t h e i n t e r f a c e p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s r e i n f o r c e d w i t h c f r p d i f f e r e n t l o a d i n g m e t h o d s w e r e u s e d t o t e s t t h e b o n d q u a l i t y b e t w e e n c f r p a n d c o n c r e t e i t w i l l o f f e r a n e w w a y f o r n o n d e s t r u c t i v e d i a g n o s i s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s ke y wo r d s c o n c r e t e s t r u c t u r e s h e a l t h p h o t o me c h a n i c s t e c h n i q u e m o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s p h o t o e l a s t i c s e n s o r a c t u a l s t r e s s c f r p r e i n f o r c e i n t e r f a c e b o n d q u a l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以 标注和致谢之处外 论文中不包含其他人己经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 也 不 包 含 为 获 得 二 k 全垫乞或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的材料 与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学 位 论 文 作 者 签 名 河 o 签 字 期 a 4 f 月 夕 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 五建 大崖 有 关 保 留 使 用 学 位 论 文 的 规 定 特 授 权 k 叁 l 一 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 广诱 勺 才 户厂白 砂爹 蒲 学 位 文 it t 19 名 i f x 签 字 日 期 a v 44 a 月夕 日 导师签名 拼 含 第一章综述 第一章综 述 混凝土是一种用量巨大 历史悠久而又蓬勃发展的工程材料 2 0世纪 由于混凝土 钢筋混凝土和预应力混凝土的出现与使用 使交通 能源工 程 高层建筑等都达到了前所未有的辉煌 大跨度桥梁 5 0 层以上的高层 建筑比比皆是 2 1 世纪 随着人口的增长和人们对物质文明要求的提高 新型现代化工业建筑和公共服务设施 超高层建筑 伸向高空 l 0 0 0 m以 上 的太阳能工程 大型大跨度 3 0 0 m以上 桥梁工程 大型水电站 大 型水坝工程 3 0 0 m以上 等都将提到议事日 程和走进人类社会 这些建筑 无论是体积范围 强度 刚度 稳定性要求 还是其耐候 性 耐久性和抗苛刻环境的耐腐蚀性要求都将是以前的建筑所无法比拟 的 要满足这些建筑工程的要求 目前所使用的材料中 无一可与混凝土 相比 结构技术的革新和结构需求的增加 加强了混凝土作为结构材料的 主体地位 尤其是近年来 6 0 m p a 1 5 0 m p a以上的高性能混凝土的出现和使 用以 及 2 0 0 m p a 6 0 0 m p a混凝土的研制成功 更增加了混凝土在未来建筑 中 的 魅 力 lz一 我国目前每年混凝土用量约2 0 亿m 用于混凝土结构的耗资达4 0 0 0 亿元以上 随着已有建 构 筑物的不断增多和老化 用于检测 维修和 改造的费用也在逐年增加 只有可靠的检测 监测技术才能提供可靠的数 据 为修补 加固措施提供依据 以减少维修费用 而重要工程在竣工后 更需要长期的监测和经常性的管理 加强对混凝土结构的质量监测与诊断 控制已经成为当今建筑工程技术中的重要课题 随着人们对结构监测重要 险的认识深入 以及国家有关法规的实施 结构监测已成为继勘察 设计 施工 监理之后的 又一 个 产业 一 创 1 1混凝土结构无损检测技术的形成与发展 混凝土本身是一种非均匀的 多孔的和各向异性的多相复合体系 具 有极为复杂的内部结构 在土木工程中 混凝土在原材料组成 配制 浇 注及养护过程中影响其质量的因素较多 己硬化混凝土的质量变异性较 大 这就给混凝土宏观性能的测试带来极大的随机性 研究在结构上直接 第一章综述 第一章综 述 混凝土是一种用量巨大 历史悠久而又蓬勃发展的工程材料 2 0世纪 由于混凝土 钢筋混凝土和预应力混凝土的出现与使用 使交通 能源工 程 高层建筑等都达到了前所未有的辉煌 大跨度桥梁 5 0 层以上的高层 建筑比比皆是 2 1 世纪 随着人口的增长和人们对物质文明要求的提高 新型现代化工业建筑和公共服务设施 超高层建筑 伸向高空 l 0 0 0 m以 上 的太阳能工程 大型大跨度 3 0 0 m以上 桥梁工程 大型水电站 大 型水坝工程 3 0 0 m以上 等都将提到议事日 程和走进人类社会 这些建筑 无论是体积范围 强度 刚度 稳定性要求 还是其耐候 性 耐久性和抗苛刻环境的耐腐蚀性要求都将是以前的建筑所无法比拟 的 要满足这些建筑工程的要求 目前所使用的材料中 无一可与混凝土 相比 结构技术的革新和结构需求的增加 加强了混凝土作为结构材料的 主体地位 尤其是近年来 6 0 m p a 1 5 0 m p a以上的高性能混凝土的出现和使 用以 及 2 0 0 m p a 6 0 0 m p a混凝土的研制成功 更增加了混凝土在未来建筑 中 的 魅 力 lz一 我国目前每年混凝土用量约2 0 亿m 用于混凝土结构的耗资达4 0 0 0 亿元以上 随着已有建 构 筑物的不断增多和老化 用于检测 维修和 改造的费用也在逐年增加 只有可靠的检测 监测技术才能提供可靠的数 据 为修补 加固措施提供依据 以减少维修费用 而重要工程在竣工后 更需要长期的监测和经常性的管理 加强对混凝土结构的质量监测与诊断 控制已经成为当今建筑工程技术中的重要课题 随着人们对结构监测重要 险的认识深入 以及国家有关法规的实施 结构监测已成为继勘察 设计 施工 监理之后的 又一 个 产业 一 创 1 1混凝土结构无损检测技术的形成与发展 混凝土本身是一种非均匀的 多孔的和各向异性的多相复合体系 具 有极为复杂的内部结构 在土木工程中 混凝土在原材料组成 配制 浇 注及养护过程中影响其质量的因素较多 己硬化混凝土的质量变异性较 大 这就给混凝土宏观性能的测试带来极大的随机性 研究在结构上直接 第一章综述 检测混凝土材料及结构的质量 而又不损害结构的使用 就成为混凝土科 技工作者的重要课题l7 混凝土无损检测技术 n d t 就是指在不破坏混凝土内部结构和不影 响结构使用性能的前提下 利用声 热 电 磁和射线等方法 直接在结 构物上测量与材料性能 结构质量有关的物理量 借以确定或评价结构性 能的测试方法 早在 3 0年代 人们就开始探索和研究混凝土无损检测方 法 并获得了迅速发展 1 9 3 0年首先出现了表面压痕法 1 9 3 5年格里姆 g g r i m e t 艾德 j m 工 d e 把共振法用于测量混凝土的弹性模量 1 9 4 8 年施米特 e s c h m i d 研制成功回弹仪 1 9 4 9年加拿大的莱斯利 l e s l i e 和奇斯曼 c h e e s m a n 英国的琼斯 r j o n e s 等运用超声脉冲进行混凝 土检测获得成功 接着 琼斯又使用放射性同位素进行混凝土密实度和强 度检测 这些研究为混凝土无损检测技术奠定了基础 6 0 年代声发射技术 被引入混凝土检测体系 吕施 h r u s c h 格林 a t g r e e n 等人先后研 究了混凝土的声发射特性 为声发射技术在混凝土结构中的应用打下了基 础 罗马尼亚的弗格瓦列 i f 6 c a o 6 r u 提出了用声速 回弹法综合估算 混凝土强度的方法 为混凝土无损检测技术开发了多因素综合分析的新途 径 x sl 无损检测的另一个分支一钻芯法 拔出法 射击法等半破损法的发展 使得混凝土无损检测技术形成了一个较为完整的检测体系 半破损法是在 结构或构件上直接进行局部破坏性实验 或直接钻取芯样进行破坏性实 验 半破损法虽然造成混凝土结构表面局部损伤 但对结构整体没有影响 不会危害到结构的安全 所以广义地理解 也将其归入无损检测范畴 此 种方法造成结构物的局部破坏需要修补 因而不宜用于大面积的全面检 测 但为了提高无损检测方法的可靠性 可以将半破损方法和非破损方法 综合应用 这两种方法的合理综合 可以同时提高检测效率和检测精度 因而受到广泛重视 混凝土结构无损检测技术分类及测定内容见表 1 1 w 0 目前 世界范围内无损检测技术发展很快 许多现代科学技术已进入 到混凝土无损检测领域 现代电子技术和计算机科学的发展为无损检测技 术提供了现代化的测试工具 混凝土无损检测技术突破了原有的范畴 涌 现了一批新的测试方法 包括微波吸收 雷达扫描 红外热谱 电子散斑 第一章综述 表 卜1混凝土无损检测技术分类与测定内容 种类测定内容说明 压痕法已不大使用 表 面硬度法 回弹法 对混凝土表面进行 撞击 测定凹痕的深 度 直径和面积等 对混凝土表面进行 打击 测定其反弹硬 度 测定混凝土强度 内部缺陷 测定混凝 土的厚度及震动弹性 系数 运用较多 但准确 度相应较差 超声脉冲法 超声波法 冲击波法 表面波法 超声波法采用较 多 冲击波法和表面 波法未被采用 综合法 超声法与回弹法 超 声与 声波衰 减率法 振动 弹 性 系数 与对数衰减率法 能提高测试梢度 正处于研究状态 钡 1 定混凝土强度 尚未使用 混凝土非破损检测方法 x射 线法 射线法 射线法 线辐射法 内部缺 陷探伤 探 测 钢 筋 一 因 射 线 和 中 子 一 使 用 的 限 制 故 尚 未 日 实际使用 测定混凝土的含水率 混凝土半破损 检m方法 中子法 钻 取 芯法 拔出法 拔脱法 射击法 测定混凝土强度有使用 干涉 超声脉冲回波 冲击回波等新技术 1 i 6 而且 测试内容由强度推 定 内部缺陷探测等扩展到更广泛的范畴 其功能由事后质量检测 发展 成事前的在线检测和质量反馈控制 在罗马召开的第 1 5届世界无损检测 会议 w c n d t 上可看出无损检测技术正向无损评价 n d e n o n d e s t r u c t i v e 第一章综述 e v a l u a t i o n 方向发展 无损检测技术不但要在不损伤被检对象使用性能 的前提下 探测其内部或表面的各种宏观缺陷 判断缺陷位置 大小 形 状和性质 还应能对被评价对象的固有属性 功能 状态和发展趋势 安 全性和剩余寿命 等进行分析 预测 并做出综合评价 一 幻 可以预料 随着科学技术的发展和工程建设规模的不断扩大 无损检 测技术的发展前景是广阔的 许多国家已逐步将其标准化 成为法定的检 测手段之一 1 2结构健康监测与诊断的研究现状 结构健康监测指利用现场的无损传感与结构系统特性分析 包括结构 响应 获得结构内部的信息 探测结构的变化 揭示结构损伤与结构性 能的劣化 2 0 1 结构健康诊断是指结构在受到自然的 如地震 强风等 人为的破坏或者经过长期的使用后 通过测定其关键的性能指标 检查其 是否受到损伤 如果受到损伤 损伤位置 损伤程度如何 可否继续使用 及剩余寿命等 结构健康监测与诊断不只是传统的无损检测技术的简单改进 而是运 用现代化传感设备 光电通讯及计算机技术 实时监测结构在各个阶段的 状况 由此分析结构健康状况 评估结构的可靠性 为结构管理与维护提 供科学依据 详见第二章 近 3 0年来 土木 宇航和机械工程界一直在寻找一种能适用于复杂 结构的整体探伤评估方法 2 6 3 目前得到普遍关注的是综合模态测试 数字 信号处理 模态分析与系统识别等跨学科知识于一体的基于结构动力特征 改变识别的监测方法 土木工程界试图将其应用于大型结构如桥梁等己做 出了近 2 0年的努力 现代测试技术 分析技术 计算机技术 数学理论 及无线电通讯技术的进步及相互融合 极大地促进了这一技术的初步完善 并在桥梁工程中探索式的应用l p 7 3 3 1 国际上 尤其是日本 美国和德国 健康监测系统在土木工程中应用 相对较多 已经扩展到大型混凝土工程 高层建筑等复杂系统的监测 日 本在一次较大规模的地震后 在一幢允许一定程度损伤的大楼上安装了 f b g 光纤传感器 用以监测结构的完整性和大楼的地震反应 3 德国在柏 林新建的莱特火车站 l e h r t e r b a h n h o f b e r l i n 大楼安装了健康监测 第一章综述 e v a l u a t i o n 方向发展 无损检测技术不但要在不损伤被检对象使用性能 的前提下 探测其内部或表面的各种宏观缺陷 判断缺陷位置 大小 形 状和性质 还应能对被评价对象的固有属性 功能 状态和发展趋势 安 全性和剩余寿命 等进行分析 预测 并做出综合评价 一 幻 可以预料 随着科学技术的发展和工程建设规模的不断扩大 无损检 测技术的发展前景是广阔的 许多国家已逐步将其标准化 成为法定的检 测手段之一 1 2结构健康监测与诊断的研究现状 结构健康监测指利用现场的无损传感与结构系统特性分析 包括结构 响应 获得结构内部的信息 探测结构的变化 揭示结构损伤与结构性 能的劣化 2 0 1 结构健康诊断是指结构在受到自然的 如地震 强风等 人为的破坏或者经过长期的使用后 通过测定其关键的性能指标 检查其 是否受到损伤 如果受到损伤 损伤位置 损伤程度如何 可否继续使用 及剩余寿命等 结构健康监测与诊断不只是传统的无损检测技术的简单改进 而是运 用现代化传感设备 光电通讯及计算机技术 实时监测结构在各个阶段的 状况 由此分析结构健康状况 评估结构的可靠性 为结构管理与维护提 供科学依据 详见第二章 近 3 0年来 土木 宇航和机械工程界一直在寻找一种能适用于复杂 结构的整体探伤评估方法 2 6 3 目前得到普遍关注的是综合模态测试 数字 信号处理 模态分析与系统识别等跨学科知识于一体的基于结构动力特征 改变识别的监测方法 土木工程界试图将其应用于大型结构如桥梁等己做 出了近 2 0年的努力 现代测试技术 分析技术 计算机技术 数学理论 及无线电通讯技术的进步及相互融合 极大地促进了这一技术的初步完善 并在桥梁工程中探索式的应用l p 7 3 3 1 国际上 尤其是日本 美国和德国 健康监测系统在土木工程中应用 相对较多 已经扩展到大型混凝土工程 高层建筑等复杂系统的监测 日 本在一次较大规模的地震后 在一幢允许一定程度损伤的大楼上安装了 f b g 光纤传感器 用以监测结构的完整性和大楼的地震反应 3 德国在柏 林新建的莱特火车站 l e h r t e r b a h n h o f b e r l i n 大楼安装了健康监测 第一章综述 系统 7 5 坐落在意大利在北部科摩湖畔的著名教堂 近年来因为城市交通 流量的增加和湖面的变化而导致了教堂的损坏 为了保护这个重要的历史 文化遗产 设计了长期监测系统 7 6 美国m i c h a e l 等研究了振动板在压实 土壤时的健康监测系统 r o b e r t 等开展了轻轨架空水泥结构的在线监测 和结构健康诊断系统的研究 测试在建设时逐渐增加荷载 移动火车荷载 等情况下的在线监测情况 j fi 瑞士在混凝土桥 s i g g e n t h a l b r i d g e 建 设过程中安装了健康监测系统 用了5 8 个光纤传感器 2 个倾角仪 8 个 温度传感器用于监测在建设过程中和以后长期的变形 屈曲和位移 9 由于监测系统的成本高 我国目前仅在大跨度桥上安装使用 如上海 的徐浦大桥 江阴长江大桥 香港青马大桥 汲水门大桥和l a n t a u f i x e d g r o s s i n g 大桥等都安装了类似的系统 一 2 现有的土木工程结构健康监测和损伤诊断的技术和方法 相当一部分 是从航空 航天和机械结构 移植 而来的 在土木工程领域的研究才刚 剧起步 一 绝 失多7 研究诬仅仅局很于实 脸路 哦 县 然主 木工 程健康 监侧 一 一 系统在近年来取得了长足的进步 但鉴于土木工程结构的特殊性 如结构 型式多样 服役周期长 影响结构性能的因素复杂多变等 对其进行监测 比一般的机械系统要复杂得多 对于高层建筑 桥梁等复杂结构的健康监 测和损伤诊断 还有许多问题有待于进一步研究和解决 通过测量信号对 结构进行健康评价还没有建立完善的科学理论 整个研究工作和技术的成 熟还有待时日 2 1 2 6 44 目 前 结构健康监测与诊断是世界土木工程界的难题 也是研究的热 点 尚没有成熟的理论与应用技术 本文将光力学方法引入混凝土结构健 康监测中 为混凝土结构健康监测与诊断提供新的思路和方法 1 3光测力学方法的进展及应用 光测力学 p h o t o m e c h a n i c s 这一术语是由杜瑞利 a j d u r e l i 于 1 9 6 5 年在 光测力学导论 一书中最早提出的 顾名思义 光测力学是用 光学的方法和技术进行力学测量的一门实验科学 它是在经典光测弹性 简称光弹性 力学的基础上扩充和发展起来的 目前主要有光弹性法 云纹法 全息干涉 散斑法 衍射光波等 每种方法各有其应用 在此简 单介绍本文研究中用到的光力学方法的进展及应用 第一章综述 系统 7 5 坐落在意大利在北部科摩湖畔的著名教堂 近年来因为城市交通 流量的增加和湖面的变化而导致了教堂的损坏 为了保护这个重要的历史 文化遗产 设计了长期监测系统 7 6 美国m i c h a e l 等研究了振动板在压实 土壤时的健康监测系统 r o b e r t 等开展了轻轨架空水泥结构的在线监测 和结构健康诊断系统的研究 测试在建设时逐渐增加荷载 移动火车荷载 等情况下的在线监测情况 j fi 瑞士在混凝土桥 s i g g e n t h a l b r i d g e 建 设过程中安装了健康监测系统 用了5 8 个光纤传感器 2 个倾角仪 8 个 温度传感器用于监测在建设过程中和以后长期的变形 屈曲和位移 9 由于监测系统的成本高 我国目前仅在大跨度桥上安装使用 如上海 的徐浦大桥 江阴长江大桥 香港青马大桥 汲水门大桥和l a n t a u f i x e d g r o s s i n g 大桥等都安装了类似的系统 一 2 现有的土木工程结构健康监测和损伤诊断的技术和方法 相当一部分 是从航空 航天和机械结构 移植 而来的 在土木工程领域的研究才刚 剧起步 一 绝 失多7 研究诬仅仅局很于实 脸路 哦 县 然主 木工 程健康 监侧 一 一 系统在近年来取得了长足的进步 但鉴于土木工程结构的特殊性 如结构 型式多样 服役周期长 影响结构性能的因素复杂多变等 对其进行监测 比一般的机械系统要复杂得多 对于高层建筑 桥梁等复杂结构的健康监 测和损伤诊断 还有许多问题有待于进一步研究和解决 通过测量信号对 结构进行健康评价还没有建立完善的科学理论 整个研究工作和技术的成 熟还有待时日 2 1 2 6 44 目 前 结构健康监测与诊断是世界土木工程界的难题 也是研究的热 点 尚没有成熟的理论与应用技术 本文将光力学方法引入混凝土结构健 康监测中 为混凝土结构健康监测与诊断提供新的思路和方法 1 3光测力学方法的进展及应用 光测力学 p h o t o m e c h a n i c s 这一术语是由杜瑞利 a j d u r e l i 于 1 9 6 5 年在 光测力学导论 一书中最早提出的 顾名思义 光测力学是用 光学的方法和技术进行力学测量的一门实验科学 它是在经典光测弹性 简称光弹性 力学的基础上扩充和发展起来的 目前主要有光弹性法 云纹法 全息干涉 散斑法 衍射光波等 每种方法各有其应用 在此简 单介绍本文研究中用到的光力学方法的进展及应用 第一章综述 1 3 1光弹性法 经典的光测弹性力学是以 1 8 1 6年布鲁斯特 d b r e w s t e r 发现某些 透明的 光学各向同性的固体受力时具有暂时双折射效应这一性能开始 的 1 8 4 1年纽曼和 1 8 5 3年马克斯威尔等人 在实验基础上建立了应力 光学定律 证明了主折射率与主应力成线形关系 从而得到了应力与光学 量之间的定量关系 为光测弹性力学奠定了理论基础 1 9 0 6 年赛璐路被用 作光弹材料 推动了光测弹性力学的发展 英国的柯克 e g c o k e r 和 菲隆 l n g f i i o n 做了一系列的研究工作 在 1 9 3 1 年出版了第一本光 弹性的书 书名 a t r e a t i s e p h o t o e l a s t i c i t y c a m b r i d g e 1 9 3 1 该 书包括了经典的光弹性实验和理论的全部研究 成为光测弹性力学开始发 展的标志 5 0 年代以来 由于采用了高灵敏度的环氧树脂材料做光弹性结 构模型 尤其是 6 0年代初 激光器的出现 极大地推动了光测弹性法的 发展 使得光弹性实验成为当今测量复杂三维空间结构内部应力的唯一方 祛 犷 田 七 屁光测弹性力学获得很头发展 满是子宏 视应办分析 尤其是礁 定危险截面和最大应力或应力集中系数的要求 并已广泛而有效地应用于 各个生产领域 成为工程设计 强度分析的重要方法之一 4 9 5 3 1 光弹性贴片法是普通光弹性法的发展 是实验应力分析的又一个重要 手段 它除了具有一般光弹法的优点外 还可以象电测应变测量方法一样 在现场测试实物表面的应变和应力 这样就不需要再耗费大量的精力来制 作光弹性模型 从而大大缩短了实验周期 此外 贴片法还可以应用于弹 塑性应力分析 以及动荷应力 热应力 残余应力和疲劳裂缝扩展的研究 现在除了经典的透射式光弹性法 光弹性贴片法外 还有全息光弹性法 激光散光法等 1 3 2电子散斑干涉法 散斑是在相干照明的情况下 在漫射式的反射和透射表面观察到的随 机分布的具有 闪烁 颗粒状外貌的微小光斑 散斑来自于粗糙表面不同 面积元的光波之间的自身千涉现象 因而它也是粗糙表面的位移或变形等 信息的携带者 电子散斑干涉技术 e s p i 是测量光学粗糙表面位移或变形等物理量 的干涉测量技术 并且被应用在无损检测中 具有波长量级的灵敏度1 5 4 1 第一章综述 1 3 1光弹性法 经典的光测弹性力学是以 1 8 1 6年布鲁斯特 d b r e w s t e r 发现某些 透明的 光学各向同性的固体受力时具有暂时双折射效应这一性能开始 的 1 8 4 1年纽曼和 1 8 5 3年马克斯威尔等人 在实验基础上建立了应力 光学定律 证明了主折射率与主应力成线形关系 从而得到了应力与光学 量之间的定量关系 为光测弹性力学奠定了理论基础 1 9 0 6 年赛璐路被用 作光弹材料 推动了光测弹性力学的发展 英国的柯克 e g c o k e r 和 菲隆 l n g f i i o n 做了一系列的研究工作 在 1 9 3 1 年出版了第一本光 弹性的书 书名 a t r e a t i s e p h o t o e l a s t i c i t y c a m b r i d g e 1 9 3 1 该 书包括了经典的光弹性实验和理论的全部研究 成为光测弹性力学开始发 展的标志 5 0 年代以来 由于采用了高灵敏度的环氧树脂材料做光弹性结 构模型 尤其是 6 0年代初 激光器的出现 极大地推动了光测弹性法的 发展 使得光弹性实验成为当今测量复杂三维空间结构内部应力的唯一方 祛 犷 田 七 屁光测弹性力学获得很头发展 满是子宏 视应办分析 尤其是礁 定危险截面和最大应力或应力集中系数的要求 并已广泛而有效地应用于 各个生产领域 成为工程设计 强度分析的重要方法之一 4 9 5 3 1 光弹性贴片法是普通光弹性法的发展 是实验应力分析的又一个重要 手段 它除了具有一般光弹法的优点外 还可以象电测应变测量方法一样 在现场测试实物表面的应变和应力 这样就不需要再耗费大量的精力来制 作光弹性模型 从而大大缩短了实验周期 此外 贴片法还可以应用于弹 塑性应力分析 以及动荷应力 热应力 残余应力和疲劳裂缝扩展的研究 现在除了经典的透射式光弹性法 光弹性贴片法外 还有全息光弹性法 激光散光法等 1 3 2电子散斑干涉法 散斑是在相干照明的情况下 在漫射式的反射和透射表面观察到的随 机分布的具有 闪烁 颗粒状外貌的微小光斑 散斑来自于粗糙表面不同 面积元的光波之间的自身千涉现象 因而它也是粗糙表面的位移或变形等 信息的携带者 电子散斑干涉技术 e s p i 是测量光学粗糙表面位移或变形等物理量 的干涉测量技术 并且被应用在无损检测中 具有波长量级的灵敏度1 5 4 1 第一章综述 它采用 c c d或 t v摄像机采集相干散斑场的光强信息 电子信号经过电子 或数字处理后就以条纹图的形式显示在图像监视器上 条纹可代表物体表 面的振动模式 离面位移 面内位移 位移导数及物体形状的等值线 它 们的获得依赖不同的光路布置 1 9 7 0 年 l e e n d e r t z开创了以干涉方法实现信息的记录和表征的光学 粗糙表面检测的新方法一一散斑干涉计量术 6 5 6 6 1 9 7 1年 b u t t e r s和 l e e n d e r t z首先应用光电子器件 摄像机 代替全息干板记录散斑场的光 强信息 并存储于磁带上 由电视摄像机输入物体变形后的散斑图通过电 子处理的方法不断与磁带中变形前的散斑图进行比较处理 从而在监视器 上能观察到散斑干涉条纹 这种方法就称为电子散斑干涉法 e s p i 此 后各国的学者经过近十年的努力完成了对 电子散斑技术的基本原理和性 质的研究 提出了改善 e s p i条纹质量的系统参数选取方法 为以后的研 究和应用打下了基础 一 进入书9 8年 a 潘 善详算机接术分龟子技术和数字哥像处理技术的发 展 出现了数字电子散斑干涉术 d s p i 它把物体变形前后的散斑图量 化为数字图像 存储于帧存体中 由计算机用数字的方法进行运算 从而 在监视器上再现干涉条纹图 数字散斑干涉减小了电子散斑的噪声 大大 提高了干涉条纹的清晰度 目前该技术已基本上代替了以往的用电子方法 处理的电子散斑干涉法 但在习惯上 e s p i 和 d s p i 统称为电子散斑干涉 法 e s p i 为了达到现场检测的目的 就必须提高 e s p i 的抗震性能 1 9 8 5 年h u n g 提出将错位技术引入电子散斑的设想 提出了电子错位术的概念 e l e c t r o n i c s h e a r o g r a p h y 简称e s 此后 电子错位散斑技术 e s s p i 得到了很大的发展 1 9 8 9 年秦玉文教授 6 5 首先提出了实时时间差技术 解 决了大变形物体检测的问题 同年 天津大学在国内首次成功地研制出了 电子错位散斑干涉系统 e s s 由 e s p i发展而来的 e s s p i完全不需要防 震 可以走出实验室 进入现场测试 给测试工作带来了很大的方便 总之 由于电子散斑测量方法所具有的设备简单 非接触测量 全场 记录和较高的灵敏度等优点 已经成为实验应力分析的一个新的重要手 段 在微变形测量 6 9 6 6 无损检测 应力应变分析 6 2 3 振动测量 6 7 断 裂力学等方面都获得了有效的应用 第一章综述 1 3 3数字图像相关测量方法 光电技术 视频技术和计算机视觉技术的不断发展 为变形分析的图 像测量技术提供了必要的条件 6 4 6 5 1 基于变形前后两幅散斑图像 数字图 像 的比较而达到测量位移场和应变场的目的新测量方法应运而生 数 字图 像 相 关 测 量 方 法 d i c m 是山口 一 朗 66 1 p e t e r s w h 和r a n s o n w f 6 7 1 等在 8 0年代初同时独立提出的 随后 国内外许多学者在数字图 像相关技术及应用方面开展了一系列卓有成效的研究工作 相继提出了相 关搜索法 6 6 6 9 1 十字搜索法 7 0 1 加权相关法 7 1 1 及双相机立体视频系统 fl 等技术 从不同的角度满足了各种力学量及工程测试的需要 对数字图像 相关技术的发展和完善起到了推动作用 使其在实际应用的领域逐步前 进 在数字图像相关测量方法的应用研究方面 正朝着从常规材料到新型 材料的测量 7 7 7 4 1 从弹性问题到弹塑性问 题的测量 7 5 1 从常温到高温测量 7 6 1 从宏观到细观测量 7 7 一 叫的趋势向前发展 经过国内学者们的努力 位 移 测 量 的 精 度 可以 达 到0 o 1 p l x e l s 06 a 数字图像相关测量方法除了具有一般光测方法具有的非接触 全场测 量的优点外 还具有原始数据 散斑图 采集方便简单 a 9 量环境要求低 便于实现整个测量过程的自 动化等优点 数字图像相关测量方法是应用计 算机视觉技术的一种图像测量方法 是现代光电技术 图像处理与识别技 术和计算机技术相结合的产物 是现代光测力学的又一个新发展 必将在 细观测量 新材料研究和弹塑性应力应变分析以及高温测量方面发挥重要 作用 1 4选题的背景和意义 目 前 在土木工程中 无损检测技术的应用还不像在其他工业部门那 样普遍 产生这种现象的原因是多方面的 但其主要原因是检测环境条件 太复杂 现代建筑物的主要材料钢筋混凝土是非均匀的 多孔的 多变的 各向异性复合材料 它不仅有着复杂的结构 而且其性质的分散性极大 通常 混凝土的性质随着原材料的性质 水分含量 生产季节甚至原材料 的产地和批号等因素 都可能发生很大的变化 另一方面 建筑物和桥梁 通常都有复杂的结构 而且体积庞大 这些因素使得一些在机械行业十分 第一章综述 1 3 3数字图像相关测量方法 光电技术 视频技术和计算机视觉技术的不断发展 为变形分析的图 像测量技术提供了必要的条件 6 4 6 5 1 基于变形前后两幅散斑图像 数字图 像 的比较而达到测量位移场和应变场的目的新测量方法应运而生 数 字图 像 相 关 测 量 方 法 d i c m 是山口 一 朗 66 1 p e t e r s w h 和r a n s o n w f 6 7 1 等在 8 0年代初同时独立提出的 随后 国内外许多学者在数字图 像相关技术及应用方面开展了一系列卓有成效的研究工作 相继提出了相 关搜索法 6 6 6 9 1 十字搜索法 7 0 1 加权相关法 7 1 1 及双相机立体视频系统 fl 等技术 从不同的角度满足了各种力学量及工程测试的需要 对数字图像 相关技术的发展和完善起到了推动作用 使其在实际应用的领域逐步前 进 在数字图像相关测量方法的应用研究方面 正朝着从常规材料到新型 材料的测量 7 7 7 4 1 从弹性问题到弹塑性问 题的测量 7 5 1 从常温到高温测量 7 6 1 从宏观到细观测量 7 7 一 叫的趋势向前发展 经过国内学者们的努力 位 移 测 量 的 精 度 可以 达 到0 o 1 p l x e l s 06 a 数字图像相关测量方法除了具有一般光测方法具有的非接触 全场测 量的优点外 还具有原始数据 散斑图 采集方便简单 a 9 量环境要求低 便于实现整个测量过程的自 动化等优点 数字图像相关测量方法是应用计 算机视觉技术的一种图像测量方法 是现代光电技术 图像处理与识别技 术和计算机技术相结合的产物 是现代光测力学的又一个新发展 必将在 细观测量 新材料研究和弹塑性应力应变分析以及高温测量方面发挥重要 作用 1 4选题的背景和意义 目 前 在土木工程中 无损检测技术的应用还不像在其他工业部门那 样普遍 产生这种现象的原因是多方面的 但其主要原因是检测环境条件 太复杂 现代建筑物的主要材料钢筋混凝土是非均匀的 多孔的 多变的 各向异性复合材料 它不仅有着复杂的结构 而且其性质的分散性极大 通常 混凝土的性质随着原材料的性质 水分含量 生产季节甚至原材料 的产地和批号等因素 都可能发生很大的变化 另一方面 建筑物和桥梁 通常都有复杂的结构 而且体积庞大 这些因素使得一些在机械行业十分 第一章综述 有效的无损检测方法