随着经济的高速发展,我国超高层建筑和大型复杂工程结构的建设规模迅速增长,以钢管混凝土(Concrete-filled Steel Tube,CFST)为代表的钢-混凝土组合结构的应用日益广泛。研究开发适用于钢管混凝土结构缺陷检测的有效方法对保证其结构性能和安全具有重要意义。本文提出了基于压电材料(Piezoelectric lead zirconate titanate,PZT)驱动与传感的钢管混凝土剥离缺陷检测方法,考虑压电材料的压电效应和逆压电效应及其与CFST结构的耦合效应,通过数值模拟研究PZT波动法检测界面剥离缺陷的物理机制。由于混凝土是一种由粗细骨料、砂浆、界面层、初始缺陷和孔隙等组成的多相复合材料,其细观结构的随机性影响应力波的传播。为此,建立考虑混凝土的细观结构数值混凝土模型,分别从材料层次及构件层次上验证所建立的细观尺度数值混凝土模型。进而建立压电材料与CFST的多尺度模型耦合模型,通过数值模拟研究基于波动测量的CFST界面剥离缺陷检测机理,验证了在考虑混凝土细观结构随机性的情况下所提出方法的可行性。最后,为解决基于体波测量需要预埋PZT压电功能元的局限性,提出基于表面波测量及多通道表面波分析(Multichannel analysis of surface waves,MASW)的界面剥离缺陷检测方法,通过实验研究和多尺度模拟验证了其用于CFST界面缺陷检测的可行性。本文的主要研究内容如下:(1)提出了基于PZT材料驱动与传感的钢管混凝土构件界面剥离缺陷检测方法,开展试验验证及基于多物理场耦合模拟的机理研究。设计了3组含有不同界面剥离缺陷的CFST试件,研究了界面剥离缺陷对PZT输出电压响应的影响。在匀质材料假设的基础上,建立了PZT-CFST多物理场耦合分析模型。系统分析了应力波在CFST构件中的传播过程,研究了界面剥离缺陷对波场的影响。多物理场耦合分析结果与实验观测数据吻合较好,充分验证了基于PZT波动法识别CFST界面剥离缺陷的可行性。(第2章)(2)为考虑混凝土细观结构的钢管混凝土构件中应力波传播的影响,结合随机骨料方法建立数值混凝土细观模型,并将其应用到混凝土的静力和动力行为研究中,从材料层次上验证细观数值混凝土模型与多尺度模拟效果。系统研究骨料形状和位置变化、界面层等因素对承受轴向拉压荷载作用的混凝土试块的宏观应力-应变曲线、细观裂缝萌生及演化过程的影响。研究Abaqus显式动力分析和隐式动力分析对混凝土率相关效应的细观预测结果的异同,进而分析混凝土骨料细观参数变异、塑性损伤本构(CDP)中是否计入动力放大系数DIF、加载方法和隐式动力分析中粘性系数对开裂形态、宏观力学响应和DIF-应变率关系的影响。(第3章)(3)开展钢筋混凝土构件的多尺度分析,开发面向Abaqus三维梁单元的单轴材料本构子程序Umat和Vumat,建立基于CDP及扩展有限元(XFEM)的多尺度分析模型,分别对钢筋混凝土柱的裂缝产生发展过程以及用非接触式搭接的几何形状不连续的桥梁墩柱-钻孔灌注桩的力学行为进行模拟。系统分析不同混凝土本构模型、混凝土细观参数变异对钢筋混凝土柱宏观力学性能的影响。结合试验研究,对采用非接触式搭接的几何形状不连续的桥梁墩柱-钻孔灌注桩连接界面的开裂行为开展多尺度模拟,讨论横向配箍率和钢筋搭接长度等因素对构件开裂形态和宏观力学行为的影响。(第4章)(4)将混凝土多尺度建模技术引入到基于PZT波动法的CFST界面剥离检测机理研究中,建立PZT-CFST多物理场耦合分析的多尺度模型,系统研究应力波在CFST中的传播过程及细观骨料参数变化对波场分布和输出电压信号的影响,进一步研究基于该技术识别核心混凝土骨料离析缺陷的可行性。(第5章)(5)提出基于表面波测量的CFST界面剥离缺陷检测方法,设计含有不同程度界面剥离缺陷的CFST试件,通过实验观测了连续正弦信号和脉冲电压信号作用下输出电压响应随界面剥离尺寸的变化。建立CFST构件的3D细观模型,探讨骨料分布和位置变化对波场分布的影响,重点研究界面剥离缺陷对表面波传播时程的影响。最后,基于多物理场耦合分析模型验证实验观测结果的合理性,探讨该方法识别界面剥离缺陷的物理机制。(第6章)(6)引入多道面波分析方法(MASW),分析有无界面剥离缺陷构件的频散特性。结合多尺度数值模拟验证MASW方法识别CFST构件界面剥离缺陷的可行性。探究界面剥离缺陷对输出信号时程曲线的影响,对比正演频散图像的基础模态(M0)和Rayleigh波及Lamb波理论频散曲线的异同,实现对有无界面剥离的CFST中表面波属性的识别。引入均匀化等效方法,以实现对应力波细观时程分析的加速计算。(第7章)