基于声发射技术的高强螺栓断裂监测

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaojas
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钢结构具有强度高、抗震性能好、易于施工、环保等优势,因此成为大型土木工程基础设施建设中的首选结构形式。高强螺栓是钢结构节点重要的连接方式和关键的传力构件,由于应力腐蚀等原因,大跨桥梁中的高强螺栓经常会发现发生断裂并缺失的现象。高强螺栓的断裂会造成极大的安全隐患,大量螺栓的突然断裂会导致钢结构体系的失稳甚至倒塌。因此及时发现即将断裂的高强螺栓并进行更换,对钢结构安全运营具有重要意义。尽管研究者对于高强螺栓断裂机理已经形成了一定的共识,但是目前尚无有效的措施能够预警高强螺栓断裂,实际工程中基本上还是靠人工巡检来发现已经断裂破坏的螺栓后进行更换。声发射技术作为一种动态无损检测技术,常被用作监测材料损伤时的声发射现象。而高强螺栓断裂前必会在材料层面有显著的声发射现象,因此采用声发射技术监测高强螺栓的断裂是可行的,但是目前尚未有学者对于高强螺栓断裂前的声发射特征进行深入研究,尤其是在应力锈蚀环境下螺栓断裂的声发射监测问题更是空白。本文首先设计了带缺口高强螺栓的单调拉伸试验,揭示了高强螺栓在断裂前的声发射信号特征;接着进行了高强螺栓的应力锈蚀断裂试验,采用声发射技术实时监测试验中高强螺栓的健康状态。论文主要研究如下:(1)通过单调拉伸试验,获取螺栓断裂全过程声发射信号。基于声发射原理分析了高强螺栓断裂的信号特征,将高强螺栓断裂过程划分为三个损伤阶段。通过对声发射信号的撞击累计经历图、参数分布图的分析,可定性的识别高强螺栓的损伤阶段。进而结合波形分析,通过小波包分解提取了信号各频段能量,在此基础上引入高强螺栓损伤机制,提出高强螺栓损伤指标,定量的识别出高强螺栓断裂损伤阶段,为高强螺栓断裂提供预警。(2)通过应力锈蚀试验,获取应力锈蚀断裂全过程声发射信号。基于锈蚀损伤中声发射参数特征,将声发射信号进行K均值聚类。分析了各类别信号特征,结合金属应力锈蚀机制,建立了声发射信号类别与声发射源之间的对应关系。利用特定信号,划分高强螺栓锈蚀损伤阶段;基于信号出现频次,提出无量纲指标获取动态门槛;通过实时处理声发射数据,可识别锈蚀高强螺栓所处的损伤阶段,为高强螺栓应力锈蚀断裂提供预警。
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