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基于压电材料的超高层建筑钢-混凝土组合结构检测新技术与应用

时间:2017-11-08     来源:厅成果处     字体显示:        阅读:{{ pvCount }}次

  随着我国土木工程建设的快速发展,各大中城市的建筑高度不断刷新,建筑高度达600米的超高层建筑不断涌现。目前,超高层建筑中广泛采用的结构型式为核心筒、外框架以及伸臂桁架结构体系,其中钢管混凝土柱、钢骨混凝土柱由于受力性能优越,施工方面等技术经济优势而被广泛使用,而且呈现出截面面积增大、界面形状不规则、多腔化以及柱内钢骨结构复杂化等诸多特点,以天津高银117项目为例,其建筑平面四角采用的多边形多腔钢管混凝土柱最大横截面积达到45平方米。由于这类构件中现场自密实混凝土浇筑体积大,水化热明显,而且柱内常设置竖向和水平横隔板,柱内核心混凝土与钢管的界面粘结状态以及核心混凝土的密实性成为普遍关心的问题。如何对超高层建筑中这类组合结构的核心混凝土与钢管或钢骨的粘结状态以及核心混凝土的质量进行有效检测是保证其质量和安全性的关键技术。我国目前的超声检测规程未对解决这类问题提供方法,开发新型检测技术成为迫切需要。为此,项目组在国家自然科学基金项目等的资助下,提出了基于压电陶瓷材料的钢管和钢骨混凝土结构状态检测新技术,开展了系列室内和室外不同截面形状、不同结构型式和不同比例的结构模型试验研究,验证了所提出方法的可行性,深入开展了基于考虑压电效应以及压电陶瓷材料与构件耦合效应的多场模型的数值分析,探究了所提出方法的物理机理,为提高高频激励下应力波场的计算效率,开发了二维谱元法数值模型,形成了基于压电陶瓷材料应力波测量和机电耦合阻抗测量的钢管和钢骨混凝土结构缺陷检测专利技术和工法,解决了大型复杂钢管、钢骨混凝土结构的缺陷检测技术难题。取得的代表性创新性成果有: 

  (1) 首次提出了基于嵌入式压电功能元与表面粘帖压电陶瓷片激励与传感以及测量信号的小波包能量分析的钢管混凝土管壁界面剥离状态检测专利方法与检测系统,同时研发出复杂钢管混凝土中隐蔽性横隔板与混凝土的粘结状态以及核心混凝土缺陷检测新方法; 

  (2) 提出了基于压电材料与钢管、钢骨混凝土耦合系统机电阻抗测量的界面状态检测方法,通过定义不同频段机电阻抗测量值的评价指标,实现了钢管壁与核心混凝土之间的界面状态、复杂多腔钢管混凝土和钢骨混凝土构件内部钢板与混凝土之间的隐蔽界面状态检测; 

  (3) 基于系列试验研究发现了界面剥离缺陷引起应力波测量信号能量在不同频段上分布发生改变的特征,定义了基于小波包能量谱改变的界面粘结状态评价指标,提出了基于测量信号小波包能量谱的剥离缺陷检测新方法,并通过考虑压电效应和压电材料与结构耦合效应的多场数值模拟,阐明了该方法的机理; 

  (4) 开发了适用于混凝土的嵌入式压电功能元,实现了在复杂钢管和钢骨混凝土结构核心混凝土内部进行宽频应力波激励与波动测量,并据此研发出基于压缩型和剪切型压电陶瓷片的混凝土的动态正应力和剪应力传感器,为混凝土材料动态本构关系研究提供了全新手段; 

  (5) 研发了基于Legendre正交多项式的高频激励下钢管混凝土构件横截面中应力波场三维谱单元分析方法,提出了减弱三维谱单元模拟压电陶瓷片中剪切闭锁现象的方法,与传统多场耦合有限元分析相比,不管提高了数值模拟精度,大大节约计算成本,提高计算效率。 

  本项目研究已经获得国家发明专利授权5项,发表包括SCI一区与二区论文在内的科研论文50余篇,其中被SCI、EI收录论文30余篇,培养毕业研究生25名。研究成果在包含600米的深圳平安金融中心和结构高度597米的天津高银117项目在内的多个有代表性的超高层建筑中得到成功应用,产生经济效益3000余万元。 

  项目成果的应用不仅解决了我国目前超高层建筑建设中遇到的急需解决的大型复杂钢管和钢骨混凝土结构的状态检测问题,保证了工程建设进度和建设质量,为大型超高层建筑的安全和投资效益提供了保障。项目成果的成功应用为相关超高层建筑项目创建优质工程和新技术示范工程等方面发挥了重要作用。例如,与中建四局开展合作研究所依托的深圳京基100项目获得鲁班奖,产生了较好的社会效益。同时,成果应用促进了应用单位的科技人员对专利技术的理解与应用,对提高工程技术人员的专业技术水平和人才培养发挥了重要作用。 

项目成果得到了我国中国建筑股份有限公司以及旗下多家工程局的普遍肯定与关注,同时本项目研究内容的重要性、紧迫性以及所提出方法的创新性得到国际学术界的充分肯定。项目成果不仅为我国正在进行的大规模超高层建筑建设中复杂钢与混凝土组合结构的缺陷检测提供了新手段和使用技术,而且为推动土木工程学科和结构非破坏检测技术的发展和技术进步,以及在大型社会基础设施的维护管理中发挥不可或缺的作用。

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