基于应力波的pzt型钢筋混凝土梁构件的数值模拟

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1、基于应力波的PZT型钢筋混凝土梁构件的数值模拟李万筠1，吴凡*（1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院土木工程系，上海200240）摘要：研究采用导向波法及压电陶瓷传感器，通过数值模拟对钢筋混凝土梁构件内部的损伤探测进行了研究。首先，建立钢筋混凝土梁构件的二维轴对称有限元模型，然后对压电陶瓷激励器施加电压，利用其在结构中产生的导向应力波，对脱粘及裂缝损伤展开有限元模拟和分析，并与试验数据进行对比，较高的吻合度验证了有限元模型的正确性，进一步分析得出输出信号可用于探测构件内部的通长裂缝损伤。为解决输出电压信号较小的问题，对有限元

2、模型进行优化，通过改变PZT的嵌入方式和PZT的面积，表明优化后的模型能够显著增强输出信号，减小噪音的影响。关键词：压电陶瓷（PZT）；钢筋混凝土梁构件；损伤检测；数值模拟中图分类号：TU528.1文献标识码：A文章编号：NumericalsimulationonreinforcedconcretebeamcomponentbasedonstresswaveswithPZTtransducersLIWanjun1，WUFan*(1.SchoolofNavalArchitecture,Ocean&CivilEngineering

3、,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240)Abstract：Thenumericalsimulationusingtheguidedwavemethodandpiezoelectricsensorwascarriedoutfordetectionofinternaldamageofthereinforcedconcretebeamcomponentinthispaper.A2Daxi-symmetricmodelforthebeamcomponentattachedwithPZTsi

4、sestablished,andavoltageisappliedtoPZTactuators.Theinducedguidedstresswavesarethenusedtoanalyzethedebondingandcrackdamagesinthemodelwithnumericalsolution.Thesimulationresultsmatchwellwiththeexperimentaldata.Thegoodconsistencybetweensimulationandtestshowsthatthenumer

5、icalmethodisreasonablyaccurate,and theoutputsignalscanalsobeusedtodetectthego-throughcracks.Thestudyalsoshowstheoptimizationofmodelforincreasingtheoutputsingle,bychangingboththewayofembeddedPZTsandsizesofPZTs.Theoptimizedmodelshowsthedoubleofoutputsinglesandreductio

6、nofthenoiseimpact.Keyword:PZT;reinforcedconcretebeam;damagedetection;numericalsimulation60引言6收稿日期：2014-10-30第一作者：李万筠(1990-),女,湖北宜昌,硕士研究生,主要研究结构的健康监测,smile.wanjun@163.com通讯作者：吴凡(1968-),女,美国,副教授,fanwu@sjtu.edu.cn基金项目：国家自然基金项目（51278300，61227011）为保证结构的耐久性、安全性以及对可持续发展的要求

7、，基于智能材料压电陶瓷（PZT）的结构健康监测因其可以主动监测到被混凝土覆盖的损伤区域（如桥墩、桥桩及梁柱节点区域），近年来一直被众多学者广泛研究[1]。采用智能材料PZT对结构进行健康监测的方法主要分为被动法和主动法，而后者又可分为压电阻抗法和波传播法[2]。Ayres等[3]最早将压电阻抗法用于小型桁架及其节点的损伤探测；Tseng等[4]随后将其用于探测混凝土梁的裂缝损伤及其发展，并且通过试验和模拟分别进行了验证。但该方法仅对表面局部的损伤很敏感，对大型土木结构的健康监测较难以实现。研究采用基于智能材料压电陶瓷（PZT）

8、的主动导向波传播法，该方法是通过激励粘贴于结构表面或埋于结构内部的压电陶瓷激励器，利用PZT的压电效应在主体结构中产生并传播应力波，根据输出信号的变化对结构进行损伤探测。这种方法最初是由Chang等[5]探测复合材料的脱层6及疲劳损伤时提出；Wu等[6-8]针对钢筋混凝土结构