混凝土由于其强度高、操作工艺简单、价格低等优点是土木工程建设领域应用最广泛的建筑材料。然而,随着服役时间的增长,在役结构中的混凝土大多处于早期损伤累积阶段,一旦结构出现明显损伤,结构的承载力已大幅度降低,因此对混凝土结构的早期损伤评估尤为关键。另一方面,在结构加固领域,FRP加固混凝土构件常常因缺少可靠锚固措施导致分界面出现剥离损伤,使得加固结构发生明显的脆性破坏。针对混凝土早期损伤材料特征评估与FRP加固剥离损伤无损检测等问题,目前大多基于线性超声检测,对早期损伤特征和小尺寸剥离缺陷不敏感,故本课题提出基于材料的非线性行为及弹簧模型的界面接触非线性诱导超声波滋生二阶谐波的原理,通过激光超声仿真模拟和等效压电超声实验研究,论证本方法对检测混凝土材料的早期损伤和FRP加固结构剥离损伤的可行性。运用虚功原理建立了热-位移单向耦合微分方程的等效积分形式,离散化得到激光超声热弹耦合方程的有限元形式。利用界面非线性反射技术推导了二维Rayleigh波在非线性介质中传播的基波和二次谐波位移,得出Rayleigh波作用下材料的非线性系数。分析了界面分层弹簧模型与超声波相互作用的开合效应所产生的二阶谐波响应。建立了等效细观混凝土模型和FRP加固结构剥离损伤模型。细观混凝土模型采用均质化方法将三相随机骨料模型按特定尺寸等效成力学性质近似相同的均质单元体,经过概率统计分析得到最佳单元尺寸12.5 mm,对每个单元赋予等效力学参数相对应的非线性本构关系。FRP混凝土局部剥离分层损伤模型通过创建一致对与接触对边界条件,形成允许接触但不互相穿透的剥离分层损伤界面。提出了有限元模拟强度调制激光激发窄带超声表面波技术,检测不同孔隙率混凝土模型的材料非线性和FRP加固结构剥离损伤。强度调制的激光超声波在非线性细观混凝土模型中产生了高次谐波,发现随着混凝土力学性质的退化,非线性力学行为增强,使得超声波微扰作用下的非线性响应越显著。通过压电超声二次谐波实验系统检测多种配合比混凝土在不同损伤状态下的材料非线性系数,以及敲击共振基频系统检测混凝土试件的动弹性模量,拟合得到混凝土材料非线性系数与宏观力学性能的指数函数关系;二次谐波法所测得的非线性系数β’的灵敏度远大于共振法的线性频率f₀,验证了混凝土材料非线性作为早期损伤评价指标的可行性和优越性。有限元模拟了强度调制激光超声与剥离损伤模型的相互作用,通过FRP表面接收点信号的非线性系数以及频谱图中二阶谐波的空间分布特征,成功定位检测出剥离损伤的位置和尺寸。搭建压电超声系统对FRP加固人工剥离损伤试件进行检测,实验根据表面接收点信号的非线性系数峰值成功定位出了剥离损伤的位置,针对实验中出现的一个误判峰值,提出的改进措施是使用非接触式探头避免耦合引起基频幅值过低的问题。进一步验证本文所提方法对混凝土早期损伤材料特征评价与FRP加固剥离损伤定位的可行性。