高强螺栓连接作为钢结构的主要连接方式之一,因其具有安装方便、连接紧密、可拆卸替换、承载力大等优点,被广泛应用于大跨度桥梁、高层建筑等工程领域。然而,高强螺栓在长期服役过程中外部环境和时变荷载的作用下,容易出现预紧力失效甚至高强螺栓松动脱落的现象,严重威胁结构的安全运营和使用寿命。因此,对高强螺栓连接的预紧力状态进行监测具有重要的工程意义。本文凭借超声波穿透能力强、传播距离远、灵敏度高以及检测速度快的优势,利用时间反演法的自适应聚焦能力提高超声波信号在复杂结构中传播的信噪比,提出基于时间反演法的高强螺栓预紧力监测方法。本文的主要研究内容如下:(1)综述了高强螺栓预紧力监测的研究与应用现状、压电陶瓷超声波的研究与应用现状、时间反演法的发展及其在结构健康监测领域的应用。介绍了超声波和压电传感器的基本原理,分析了超声波在高强螺栓连接界面的能量传递路径与过程。(2)提出基于时间反演法的高强螺栓预紧力监测方法。采用压电陶瓷作为激励器和传感器,对响应信号进行时间反演处理以获得时反信号,然后将时反信号作为激励再次发出,经相同的路径传播后得到聚焦信号,有效地提高超声波信号的信噪比,通过建立聚焦信号的聚焦峰值与高强螺栓预紧力的对应关系,实现对于高强螺栓预紧力的监测。(3)采用谱单元法对时间反演的聚焦性能进行数值模拟。以简单的杆结构为例,验证利用超声波时间反演进行结构损伤识别的可行性,为高强螺栓预紧力监测的理论和实验研究提供基础。(4)对所提出的高强螺栓预紧力监测进行实验验证。在高强螺栓试件的不同位置安装压电陶瓷传感器进行超声波数据采集与分析,实验结果表明:相对于响应信号,时间反演聚焦信号具有明显的峰值;聚焦峰值随着高强螺栓预紧力的减小而减小,对于识别预紧力的变化更为敏感;聚焦峰值归一化结果与高强螺栓预紧力的变化关系受超声传播距离影响较小,充分证明了利用时间反演法进行高强螺栓预紧力监测的优势和工程实用价值。