钢管混凝土脱粘的振动特性及损伤定位研究

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近年来,钢管混凝土柱凭借其优良的受力特性在工程界引起了广泛的关注,是重要的结构构件之一。钢管混凝土构件将核心混凝土与外包钢管组合形成整体,共同受力。钢管对核心混凝土的“套箍作用”使其承载力成倍提高;内填混凝土弥补了钢结构的劣势,有效防止钢管局部屈曲。然而,钢管混凝土普遍存在的脱粘问题对结构受力性能具有相当程度的影响,同时存在一定隐蔽性,是结构检测关心的重点及难点问题。本文从实际工程问题出发,在国内外现有的钢管混凝土检测技术的基础上,以结构非线性动力特性为出发点对钢管混凝土柱的脱粘损伤进行检测,并系统地对结论进行分析。由于材料、边界和几何条件的影响,非线性因素总是不可避免地出现在工程中。钢管混凝土柱在振动过程中,脱粘缝的对构件非线性振动的影响可以称为“呼吸效应”,即脱粘缝在振动过程中的张开和闭合使构件的非线性动力特征加强,因此可以通过研究构件频率随振幅变化的情况来检测脱粘损伤。基于钢管混凝土的脱粘的问题及振动特性,本文的主要工作如下:(1)本文从钢管混凝土脱粘的实际工程背景出发,对钢管混凝土脱粘的定义进行明确,深入分析脱粘问题产生的原因,并就脱粘问题给钢管混凝土结构受力性能造成的不良影响进行了探讨。(2)在理论上,把本文试验的钢管混凝土构件模拟成分布参数体系的悬臂柱,通过理想化的物理模型深入分析了对此类结构的动力学行为;阐述了信号处理的基本内容,讨论了本文数字信号处理的使用的滤波及解析方法,证实了利用AMD及Hilbert变换对脱粘识别的有效性。(3)设计了5根钢管混凝土柱构件,在实验室进行脱粘钢管混凝土锤击试验。通过对试验构件进行不同锤击力度、锤击位置和测点位置的数据采集,得到其自由振动加速度信号并进行处理,分析钢管混凝土在不同脱粘状态下的非线性振动特性。(4)对构件振动过程中的瞬时频率与振幅的对应关系进行研究得出,随着振动时间增加,钢管混凝土振幅逐渐减小,其瞬时频率缓慢增大;脱粘百分比与非线性具有相关性,密实的钢管混凝土非线性大,而脱粘损伤减弱了其非线性特性;同一构件的不同脱粘位置可以根据不同测点的非线性指标进行确定,本文所进行的研究可以为钢管混凝土脱粘损伤检测提供相应的参考。
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