基于压电陶瓷的混凝土柱应力监测模拟研究

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1、2016年第9期(总第323期)Number9in2016(TotalNo．323)混凝土Concrete理论研究T脏ORETICALRESEAI比Hdoi：10．39690．issn．1002—3550．2016．09．008基于压电陶瓷的混凝土柱应力监测模拟研究杜国锋，刘向东。何明星，管文强(长江大学城市建设学院，湖北荆州434023)摘要：为研究根据压电陶瓷灵敏度系数反推结构内部应力的可行性，将压电陶瓷片埋置于混凝土短柱内部，利用有限元分析软件ABAQUS建模进行仿真模拟，选用C3D8E压电单元模拟压电陶瓷片，选用C3D8R单元模拟混凝土短柱，采用位移加载制度对混凝土短柱施加竖向荷载

2、。根据数值模拟获取的压电陶瓷片电压值及其理论灵敏度值反推出混凝土短柱内部的应力，将此结果与有限元模拟得到的应力值进行对比分析，两者之间相差较小。研究结果表明，所建分析模型合理，利用压电陶瓷传感器可以较好地实时监测混凝土结构内部应力。关键词：压电陶瓷；混凝土短柱；应力监测；数值模拟中图分类号：TU528．01文献标志码：A文章编号：1002—3550(2016)09—0029—05SimulationstudyondynamicstressmonitoringwithembeddedpiezoceramicforconcretecolumnDUGuofeng，LIUXiangdong，HEM

3、ingxing，GUANWenqiang(SchoolofUrbanConstruction，YangtzeUniversity，Jingzhou434023，China)Nastraet：Forresearchingthefeasibilityofbacksteppingstructureinnerstressaccordingtosensitivitycoefficient，embeddingpiezoelec-tricceramicchipintheconcreteshortcolumn，usingfiniteelementsoftwareABAQUStodonumericalsim

4、ulation，chooseC3D8EunittosimulatepiezoelectricceramicchipandC3D8Rtosimulateconcreteshortcolumn，Applyingverticalloadontheconcreteshortcolumnthroughapplicationofthedisplacementloadsystem．Accordingtothevoltagevaluesofpiezoelectricceramicchipobtainedbyfiniteele-meritsimulationanditssensitivitycoeffici

5、ent，thendeducetheinnerstressofconcreteshortcolumn．Contrastthetworesults，theoreticalvalueagreeswellwithsimulationvalue．Theresultsshowthatthesimulationresultsindicatethemodelisreasonableandpiezoelectrictransducercallbewellusedtomonitorinternaldynamicstressofconcretestructure．Keywords：piezoelectricce

6、ramic；concreteshortcolumn；stressmonitoring；numericalsimulation0引言压电陶瓷类材料具有正压电效应，在受到外荷载作用时在它的上下两个表面产生极性相反的电荷，其内部电压随着所受应力的改变而产生变化且具有线性关系，压电陶瓷片输出电压与所受应力之比定义为压电陶瓷应力检测的灵敏度[1-4]，压电陶瓷材料在结构健康监测方面发挥了重要作用，目前已经应用于混凝土早期强度监测、混凝土结构裂缝监测、混凝土弹性模量测定、结构碰撞监测等方面IS-Ⅻ。混凝土结构是高层建筑、大跨桥梁和大型水坝等工程的主要承重结构，近年来多次发生强地震、风灾和爆炸等灾害造成

7、工程结构严重破坏。了解结构内部应力分布状况是评估结构的损伤程度和耐久性的重要手段。通过在混凝土结构内部不同截面、不同位置埋置多枚压电陶瓷片理论上可以实现对结构内部应力的实时监测[1l-Ia。为探讨这一方法的可行性，本研究利用大型有限元软件ABAQUS对埋置多枚压电陶瓷片的混凝土短柱进行仿真模拟，通过获取的混凝土短柱内部压电陶瓷片的电压值，以及理论上的灵敏度值反推出混凝土短柱的内部应力，并将之与有限元模拟得到的数值进行对比