螺栓球节点具有适应性强,不产生附加的节点偏心、避免大量的现场焊接工作量和运输安装方便等优点,在大跨度空间钢结构工程中得到了广泛的使用。然而,螺栓球节点在实际应用和监测过程中,也面临着一些困难,包括:(1)设计阶段对螺栓球节点连接刚度的忽略;(2)安装阶段出现的杆件错位和螺栓假拧现象;(3)使用阶段各连接部件不可避免出现材料老化;(4)螺栓连接位置位于节点内部,从外部无法直接观测到,对传统的监测手段造成一定的困难;(5)由于节点是空间结构受力较为集中的部位,与杆件损伤相比,节点的损伤更易造成安全事故的发生。因此,利用压电陶瓷传感器,基于时间反演技术对新建和在役阶段空间结构中的螺栓球节点连接松动状态进行实时、准确的监测具有重要的研究意义。目前,国内外针对螺栓球节点的研究多集中在半刚性、适用性、受力性能、施工拼装等方面,对在役阶段的螺栓球节点连接状态知之甚少。因此,本文提出基于时间反演技术对螺栓球节点的连接状态进行监测,分别采用理论分析、数值模拟和模型试验的方法进行研究,通过提取压电陶瓷传感器(PZT)上所接收的聚焦信号峰值判断节点的连接状态,具体内容如下:(1)基于螺栓联接结合面接触理论,通过分析接触面的接触状态,推导接触刚度与接触面积函数之间的关系方程,建立了接触面积与连接状态关系模型,得到结论:接触面积增大时,接触面的接触刚度也随之增大,由于接触刚度可以反映节点的连接状态,因此通过节点连接区的接触面积变化可以表征节点的连接状态。(2)建立螺栓球节点的有限元模型,进行螺栓预紧力的仿真模拟,得到节点连接区接触面积随螺栓预紧力的变化趋势,推导节点连接状态与节点连接区接触面积之间的关系,进一步验证理论推导的正确性。(1)首先,根据试验模型1:1建立单根螺栓球节点有限元模型,对螺栓逐渐施加预紧力,以2.5 k N为增量,施加至20 k N结束;接着,导出节点连接区接触面积变化云图,通过对比分析发现节点连接区接触面积随螺栓预紧力的增加而增大。(2)总结数值模拟结果,分析得到:随着螺栓预紧力的增加,节点连接区接触面积越来越大,节点的连接越来越紧密。这与螺栓联接结合面接触理论推导结论一致。即节点的连接状态可以通过节点连接区的接触面积表征。(3)通过时间反演聚焦原理的相关理论推导,得到聚焦信号峰值、信号的传递函数、连接区接触面积依次成正相关,由此可得:根据传感器接收到的聚焦信号的峰值可以间接的反映出节点连接区接触面积的大小。考虑到前期的理论推导和数值模拟所得的结论,即通过节点连接区的接触面积可以反映节点的连接状态,结合时间反演聚焦原理的推导结果,可以得到:通过提取传感器上聚焦信号峰值可以监测节点的连接状态。(4)基于以上理论基础,提出利用时间反演技术监测螺栓球节点连接状态,设计并制作了一个正放三角锥型螺栓球平板网架缩尺模型,定义不同扭矩值下的八种损伤工况,通过模型试验验证所提方法的有效性。具体内容如下:(1)针对与中心螺栓球节点连接的上弦杆,即5号杆件进行试验。在中心螺栓球节点的中心位置粘贴压电陶瓷传感器PZT1作为发生器,在杆件近中心螺栓球节点的一端粘贴压电陶瓷传感器PZT2作为传感器。对PZT1进行电信号激励,检测应力波信号沿杆件传递,由杆件上的传感器PZT2接收后进行时间反演,沿原路径重新发射,信号最终在PZT1处实现聚焦。依次采集八种扭矩工况下的应力波信号,经过PC端进行信号转换与数据处理,得到5号杆件在八种损伤工况下的应力波聚焦信号。提取每种工况下的聚焦峰值,发现聚焦峰值随扭矩值的增大而增大,折线走势逐渐趋于平缓。通过对试验结果的分析可得:随着扭矩值的增大,传感器所接收的应力波信号越来越多,聚焦峰值越来越大并逐渐接近于健康状态,节点连接趋于紧密。(2)为了验证方法的有效性,以试验模型中与中心球节点连接的其他五根上弦杆为试验对象,进行了五次重复性试验。依次采集各杆件在不同扭矩值下所接收到的应力波信号,发现在每一种扭矩下,信号呈现了不同程度的聚焦,分别提取各扭矩值下聚焦信号峰值并绘制图像,通过图像发现:五根杆件在不同扭矩值下的聚焦信号峰值不尽相同,但是随着扭矩值的增加,聚焦峰值均呈现上升趋势。由此可得,随着扭矩值的增大,传感器接收的信号变多,聚焦峰值逐渐变大,节点连接也随之变得紧密。重复性试验与5号杆件试验所得结果基本一致,因此进一步验证了试验的有效性。(3)为了进一步清楚明确地表征节点连接所处的不同松动状态,基于传感器所接收的应力波能量信号,定义损伤指标—松动指数I即所接收到的应力波能量的均方根差RMSD(Root-Mean-Square-deviation)。分别计算六根杆件在不同拧紧程度下传感器接收能量的松动指数,绘制六根杆件在不同的扭矩值下松动指数的变化图,通过图像发现:以20 lb·ft状态下的聚焦信号作为基准线,随着松动指数的增大,其他扭矩水平下的并行测量值离基准线越来越远,数据差异越来越大。松动指数的增大代表节点在变得松动,随着松动指数的增大,松动状态与健康状态差异越来越大。因此,松动指数的变化可以表征节点所处的不同松动状态。综上,分别通过理论分析、数值模拟和模型试验,对基于时间反演技术的螺栓球节点连接状态监测方法进行了研究。对于在建和服役期间的结构而言,监测信号常常受环境、荷载和人等不确定因素的影响,而时间反演技术具有一定的抗噪性和良好的鲁棒性,因此,本文所提出的监测方法对实际工程中螺栓球节点的健康监测具有一定的参考意义。