隨著我國(guó)交通事業(yè)的不斷發(fā)展,隧道工程的應(yīng)用十分廣泛,由于設(shè)計(jì)缺陷、施工質(zhì)量、荷載作用和結(jié)構(gòu)自身老化等原因,隧道結(jié)構(gòu)在其全壽命周期中不可避免地產(chǎn)生不同程度的缺陷和損傷,對(duì)隧道進(jìn)行快速準(zhǔn)確的損傷檢測(cè),對(duì)降低隧道維護(hù)成本,提高襯砌結(jié)構(gòu)耐久性與可靠性,保障隧道正常運(yùn)營(yíng)功能至關(guān)重要。本文從氣-固耦合的角度出發(fā),以空氣作為襯砌結(jié)構(gòu)與檢測(cè)系統(tǒng)之間應(yīng)力波傳播的耦合介質(zhì),開(kāi)展基于空氣耦合沖擊回波的隧道襯砌內(nèi)部損傷快速檢測(cè)與評(píng)估研究。通過(guò)數(shù)值模擬、試驗(yàn)分析等方式對(duì)曲率、敲擊小球直徑、敲擊點(diǎn)位置、缺陷深度等進(jìn)行了較為全面的分析,論文主要研究成果如下:(1)針對(duì)不同曲率半徑下的曲面板結(jié)構(gòu),分析結(jié)構(gòu)沖擊回波響應(yīng)特性,對(duì)曲面板型結(jié)構(gòu)的空氣耦合沖擊回波法的適用性進(jìn)行了數(shù)值模擬的研究。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)曲面板的曲率直徑和厚度比達(dá)到20以上時(shí)敲擊點(diǎn)局部發(fā)生的沖擊回波模態(tài)與平板結(jié)構(gòu)基本相同,而曲率半徑較小時(shí)曲率不在是可忽略的因素,對(duì)沖擊回波頻率影響較大。(2)采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的手段,對(duì)曲面板損傷檢測(cè)中激勵(lì)小球的直徑、敲擊點(diǎn)位置、傳感器距敲擊點(diǎn)距離以及不同深度下的各種缺陷等多種工況進(jìn)行了對(duì)比分析。敲擊鋼球直徑越大其產(chǎn)生的入射波頻率越低,衰減越慢,而小直徑鋼球激發(fā)的應(yīng)力波衰減較快只能檢測(cè)出淺層的缺陷;敲擊點(diǎn)與缺陷的相對(duì)位置對(duì)響應(yīng)信號(hào)的峰值頻率影響較小;沖擊回波漏泄波在空氣中衰減很快,因此麥克風(fēng)距敲擊點(diǎn)越近接收的信號(hào)能量越強(qiáng)檢測(cè)效果越好;對(duì)于不同深度的缺陷,深層缺陷的沖擊回波主頻率與理論值契合度較高,而淺層缺陷回波經(jīng)分析其主要是頻率較低的彎曲模態(tài)響應(yīng)。(3)由于敲擊力度、位置等具有一定的隨機(jī)性,空氣耦合沖擊回波主頻往往也表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性,傳統(tǒng)的基于沖擊回波主頻進(jìn)行損傷成像的方法往往由于信號(hào)峰值頻率的波動(dòng)產(chǎn)生較大的誤差,本文就這一問(wèn)題提出了一種對(duì)成像判定指標(biāo)的改進(jìn)方法,該方法考慮無(wú)缺陷處頻率的波動(dòng)范圍,引入帶通濾波器并最終依據(jù)其峰值能量的比值形成新的判定指標(biāo),隨后分別對(duì)一塊平面板和一塊標(biāo)準(zhǔn)地鐵隧道曲面襯砌進(jìn)行了損傷成像驗(yàn)證,研究發(fā)現(xiàn),利用本方法進(jìn)行損傷成像結(jié)果,其缺陷的辨識(shí)范圍更加準(zhǔn)確。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：U451
【部分圖文】：

氣耦合沖擊回波法理論背景heoretical Background of Air-Coupled Impactho Method應(yīng)力波在半無(wú)限體中的傳播規(guī)律（Propagation Law of Se in Semi-Infinite Body）應(yīng)力波在可變形的彈性固體介質(zhì)中可分為彈性波和塑性波，當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)關(guān)系時(shí)，稱(chēng)之為彈性波，當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性關(guān)系時(shí)，稱(chēng)為塑性波表面施加一個(gè)沖擊力時(shí)，會(huì)在物體內(nèi)部產(chǎn)生三種不同類(lèi)型的應(yīng)力波。它半無(wú)限的平面彈性體中表現(xiàn)為沿著自由邊界表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ǎ≧ 簡(jiǎn)稱(chēng) R 波）和在彈性介質(zhì)內(nèi)部傳播的體波（Body wave），其中體波又波（compression wave 或 primary wave 簡(jiǎn)稱(chēng) P 波）和剪切波（Shear w波）。應(yīng)力波的分布如圖 2-1 所示。

圖 2-2 沖擊荷載時(shí)程曲線Figure 2-2 Time history curve of impact load 和式 2.8 可得沖擊錘半徑越小能夠產(chǎn)生的最大有效頻越低波長(zhǎng)越長(zhǎng)。因此，較大的沖擊錘能夠產(chǎn)生波長(zhǎng)較產(chǎn)生的能量也更強(qiáng)。實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)檢測(cè)構(gòu)件效頻率，并依此來(lái)確定合適直徑的沖擊錘。江[73]等人的研究確定了沖擊錘直徑與最大有效頻率 =291 為動(dòng)荷載產(chǎn)生的最大有效頻率（單位 Hz），D 為沖傳播同樣需要依存于介質(zhì)，因此應(yīng)力波同樣遵循于普波的波長(zhǎng)和頻率符合下面公式： = 為應(yīng)力波波速， 為應(yīng)力波的波長(zhǎng)， 應(yīng)力波的頻率

模態(tài)（IEmode）。通過(guò)放置在敲擊位置附近的接觸式傳感器記錄沖擊回波的時(shí)域信號(hào)，并將接收到的時(shí)域信號(hào)用快速傅里葉變換（FFT）轉(zhuǎn)換到頻域譜，頻譜中的峰值頻率將對(duì)應(yīng)于沖擊回波模態(tài)的頻率，沖擊回波法原理示意圖如圖2-4所示。占主導(dǎo)模態(tài)的沖擊回波頻率用來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的厚度，厚度和頻率的方程如下： = 2 (2.15)式中，H 為混凝土板的厚度， 為混凝土內(nèi)部 P 波的波速， 為 FFT 變換得到頻譜的主頻率， 為形狀系數(shù)，在平面板結(jié)構(gòu)中取 0.96。當(dāng)一塊無(wú)缺陷的板厚為已知，根據(jù)公式（2.10）可以推算出該厚度所對(duì)應(yīng)的沖擊回波主頻率。相反的

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本文編號(hào)：2824443