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基于压电主动传感的CFRP-RCESC梁粘结滑移监测研究

发布于：2022-11-24 13:57:24 来自：道路桥梁/桥梁工程 [复制转发]

一

研究意义

普通钢筋组成的钢骨混凝土组合(RCESC)梁，易在腐蚀环境下发生钢筋锈蚀问题，会削弱钢骨混凝土组合梁的承载能力，缩短其使用寿命。本文提出了将高强度耐腐蚀的碳纤维增强复合材料CFRP筋代替普通钢筋设计出CFRP筋钢骨混凝土组合梁，即CFRP-RCESC梁。这种新型钢骨混凝土组合梁在服役期内受收缩徐变、温度变化以及超载等因素的影响下，内置工字钢和外包混凝土间产生滑移损伤风险，会降低新型CFRP-RCESC梁适用性。因此，探究CFRP-RCESC梁粘结滑移特性及其损伤状态监测具有现实意义。据此，本文提出了一种基于压电主动传感的CFRP-RCESC梁粘结滑移损伤特性监测方法，研究了CFRP-RCESC梁粘结滑移特性，建立了基于时域和频域信号的粘结滑移损伤特征表征方法。

二

研究内容

试验试件与加载过程

本研究制作了3个试件(TSA、TSB、TSC)，在每个试件的不同部位分别嵌入5对压电陶瓷(PZT)和智能骨料(SA)，试件细节构造如图1所示，三个试件的横截面如图2所示。

图1 试件构造图（单位：mm）

图2 试件横截面图（单位：mm）。(a)TSA的左端或右四分之一跨截面；(b) TSA的右端、中跨或左四分之一跨截面；(c) TSB截面的左端或右四分之一跨截面；(d)TSB的右端、中跨或左四分之一跨截面；(e) TSC的左端或右四分之一跨截面；(f) TSC的右端、中跨或左四分之一跨截面。

试验装置如图3所示，工字钢与混凝土两端的粘结滑移由两个粘结滑移传感器监测。

图3 试验装置

基于压电陶瓷的主动传感监测原理如图4所示。加载前，未发生粘结滑移损伤，SA传感器的接收波为较强的信号，这表明试件是非破坏性的，如图4a所示。随着载荷的增加，试件开始逐渐发生粘结滑移损伤，SA传感器接收到的信号相对之前较为减弱，如图4b所示。

图4 基于压电陶瓷的主动传感监测原理。(a)粘结滑移破坏前的初始状态；(b)粘结滑移破坏状态

试验结果与分析

(1) 试件的破坏形式

试件破坏形式如图5所示。可知，TSA出现竖向弯曲裂缝的荷载比TSB和TSC都大，这主要是由于普通钢筋的弹性模量大于CFRP筋的弹性模量。另外，TSA的剪切斜裂缝比TSB梁少得多，且TSB梁主筋断裂失效时，从支座到加载点形成了贯通斜裂缝。

(a) 试件A (TSA)

(b) 试件B (TSB)

图5 试件的破坏形式

(2) 试件的粘结滑移特性

由试验结果得到三个试件的端部荷载-滑移曲线，如图6所示。

图6 试件的端部荷载-滑移曲线

从上图可以发现，TSA端部的粘结滑移损伤在240kN开始，而TSB在200kN出现明显的粘结滑移损伤。这主要是由于TSA中钢筋的弹性模量大于TSB中CFRP筋的弹性模量，这使得TSA的抗弯刚度大于TSB中的抗弯刚度。通过比较TSB和TSC的曲线，可以发现TSC的粘结滑移损伤发生的时间早于TSB。在实验加载过程中，TSC的粘结滑移损伤在120kN加载水平开始发生，并在150kN加载水平引起急剧增加。然而，TSB最明显的粘结滑移损伤发生在200kN的外加载荷下，TSB的最大滑移小于TSC。因此，在主筋与混凝土接触面积相同的情况下，通过增加配筋率可以提高新型组合梁的抗粘滑能力和使用性能。

(3) 试件的粘结滑移损伤监测

对采集到的信号进行时域和频域分析，并在时频域分析的基础上进行小波包能量分析，如图7-9所示。从图中可以看出，时域信号和小波包能量幅度均随着荷载的增加而减小。但与时频域分析相比，小波包能量分析能更直观地反映界面滑移损伤过程。同时，还可以识别和评价试件界面的粘结滑移损伤。