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阅读 2792 次 压电智能混凝土梁主动控制试验研究与有限元分析

摘要:通过对压电智能混凝土梁施加驱动力,可以有效地实现智能混凝土梁的应变、变形和裂缝的主动控制,其中应变恢复率达到30%左右,变形恢复百分比在21%~42%之间,裂缝宽度闭合程度大致在12%~l5%之间。另外,基于非线性有限元原理,编制压电智能混凝土梁的分析程序,实现压电智能混凝土梁主动控制的全过程分析。...

压电智能混凝土梁主动控制试验研究与有限元分析

薛伟辰  李杰  杨枫

同济大学  上海  200092

    20世纪70年代,人们将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中,使制成的结构具有人们期望的智能功能,这种具备智能功能的结构就被称之为智能结构。

    压电智能结构是指在基体结构中采用压电材料作为传感和驱动元件的新型智能结构,它不仅具有自感知、自适应、自诊断和自修复的优点,而且还具有集传感和驱动一体化的优越特性。压电智能梁通常指以压电材料作为驱动元件的梁,它在土木工程领域有着比其他类型智能结构更为广阔的应用前景。

    压电陶瓷驱动器通过分布排列或组合驱动能够获得较大的驱动力,可实现对结构变形和振动等主动控制。目前,国外已开展了针对压电陶瓷驱动器的智能梁控制试验研究,但主要限于航空航天领域,研究方向大多集中在振动控制方面。国内在这一领域的研究还处于起步阶段,已开展的研究工作也主要集中在航空航天领域的变形和振动控制方面,对适用于土木工程的压电智能结构的研究则几乎是空白,这大大影响了压电智能结构在土木工程领域中的推广和应用。 

    鉴于此,本文在国内外首次进行基于压电驱动器的智能混凝土梁应变、变形和裂缝的主动控制试验研究与非线性有限元分析。

1、试验设计

    1.1试件设计

    共设计8根压电智能混凝土梁,试件采用微粒混凝土制作,采用细直径钢丝作为配筋。微粒混凝土配合比为,R325水泥:石灰:细砂:水=11203800788根梁的跨度与截面尺寸相同,编号分别为: ZN1ZN2ZN3ZN4ZN5ZN6ZN7 ZN8。梁试件设计参数:纵向配筋率,分为016%、045%和082%;梁的跨高比,分为85171,相应的梁跨度分别为510 mm420 mm驱动器埋设位置,压电驱动器均埋设在试件端部,距中和轴的偏心矩分别为10 mm20 mm8根压电智能混凝土梁的配筋详图如图l所示,试件设计参数及配筋详见表l,梁试件材料的力学性能见表2和表3

1梁试件配筋图

1试件明细表

 

2钢丝的力学性能(单位:MPa)

 

3混凝土的力学性能(单位:MPa)

 

    1.2试验装置

    试验加载方式采用砝码挂载,砝码的重量通过分配粱传递到梁的三分点加载处,试验装置见图2。梁端埋设压电陶瓷叠合式驱动器(3),型号为PST  150/20/18 VS25,内部为叠堆式陶瓷片,外部由不锈钢封装。陶瓷电容量11IxF,承受电压范围-30150V 

    1.3加载方案

       试验加载主要分为两个过程,即施加外荷载阶段  司驱动力作用的主动控制阶段:第一阶段施加竖向荷载,以试件开裂后的裂缝宽度作为控制参数,当裂缝宽度达到控制宽度时,停止竖向加载并维持荷载不变;第二阶段通过电源对压电驱动器输入电压,使驱动器对梁的端部产生驱动力,从而调整梁的整体受力状态。试件的加载过程参见图4

2加载装置图

3压电陶瓷驱动器

4主动控制阶段

    1.4量测内容及方法

    主要量测内容包括:压电驱动器的驱动力,通过在连接驱动器的四根钢拉杆粘贴应变片的方法进行测量;梁的跨中变形,采用位移计测量;混凝土和钢丝的应变,采用应变片测量;裂缝宽度和裂缝高度,采用读数显微镜测量。

2、主动控制试验过程

    (1)首先在挂载装置两侧悬挂砝码,通过分配梁将荷载传到梁的三分点处,对梁施加竖向荷载。梁的初裂裂缝出现在纯弯段,裂缝很细,裂缝高度也较小。

    (2)控制最大裂缝宽度达到控制宽度(0.1 mm0.16 mm0.2 mm)时,停止加载,并维持其大小不变。此时,除了梁纯弯段的裂缝以外,弯剪段也出现竖向裂缝和45°斜裂缝,裂缝逐渐向分配梁的两个加载点延伸。

    (3)施加驱动力的主动控制阶段,通过配套电源对叠合式驱动器通电压,使得压电陶瓷片膨胀做功,在梁的端部施加一个偏心力,从而调整梁的整体受力状态。通过控制驱动电压值,可以对梁施加不同大小的偏心力作用,实现对智能梁的应力、变形和裂缝闭合状态的主动控制。

    (4)在主动控制阶段,驱动器对梁施加控制力和控制弯距,可以观察到梁的变形在恢复,可以实现主动控制梁的变形的效果。

    (5)在主动控制阶段,混凝土受压区和受拉区的应力均在逐渐减小,相比而言,受拉区混凝土应力减小得更多,而受压区应力恢复相对较小。钢丝的应力变化也较为明显,受拉区钢丝的应力值相比受压区恢复得更多,变化幅度较大,受压区钢丝的应力变化则不如受拉区明显。

    (6)在主动控制阶段,梁的最大裂缝宽度都有不同程度的减小,裂缝有逐渐闭合的趋势,同时裂缝高度也有所降低,可见驱动器对梁所施加的主动控制力可以有效地实现对梁裂缝的主动控制和调整。

3、试验结果分析

    3.1跨中变形

    在竖向荷载及驱动力作用下压电智能混凝土梁的跨中变形在驱动前和驱动后的恢复情况,如表48根梁的跨中截面的荷载一变形控制曲线见图5

梁跨中变形对比

 

 

9荷载一裂缝控制曲线

    从表7以及图8、图9可以得到以下规律:

    (1)8根智能梁的裂缝宽度和裂缝高度均表现一定的闭合特性。裂缝宽度闭合百分比大致在12-15%之间,裂缝高度的恢复比例相对较小,大约在7%~l0%左右。

    (2)由于裂面效应的影响,智能梁试件开裂以后,在主动驱动力的作用下,骨料问传递剪力,梁的开裂面之间重新受压,裂缝宽度随之逐渐减小,呈现出裂缝闭合的现象。

    (3)比较8根智能梁,随着配筋率的增加,试件裂缝宽度和高度的恢复程度大致呈逐渐提高的趋势。在主动控制阶段,配筋率的增大有利于提高试件裂缝的闭合特性,裂缝的发展高度恢复程度也更好。

    (4)比较跨高比同为8.512根智能梁ZN-5ZN-6,可以发现驱动器偏心矩较大的梁zN-5的裂缝宽度和裂缝高度恢复百分比要比ZN62531个百分点,试件zN-7比试件zN-8也具有更好的裂缝闭合能力,反映了驱动器偏心矩的增大能够有效地改善智能梁的裂缝闭合特性。

4、压电智能混凝土梁非线性有限元分析

    为了对压电智能混凝土梁的主动控制过程进行更深入的研究,详细地了解压电智能混凝土梁的基本受力特点、变形恢复情况、裂缝闭合性能以及各种参数对其受力性能的影响,本文编制了压电智能混凝土梁基于本构关系的非线性分析程序。程序实现了压电智能混凝土梁的主动控制全过程分析和统一计算。采用 LDLT法求解增量区间内的线性方程,该方法具有分解和回代简单、节约内存、计算速度快的优点。

    应用本文编制的压电智能混凝土梁非线性分析程序,对8根压电智能混凝土梁在外荷载和驱动力协调作用下的全过程进行了模拟计算。图l0给出2根具有代表性的智能梁ZN-3ZN-7的变形恢复曲线的分析结果,其中智能梁ZN-3的主要参数为跨高比71,驱动器埋设偏心距为20 mm,纵筋率045%;智能梁ZN-7的主要参数为跨高比71,偏心距20 mm,纵筋率082%。

    从图l0典型压电智能梁荷载一变形曲线的有限元计算值与试验结果的对比可见,二者吻合良好,误差在10%以内。本文编制的非线性有限元分析程序实现了压电智能混凝土梁的主动控制全过程模拟分析,为压电智能混凝土梁的主动控制研究提供了有效的分析途径。

10荷载位移控制曲线的程序值与试验值对比

5、结论

    对8根压电智能混凝土梁进行了主动控制试验和有限元分析研究,主要结论如下:

    (1)驱动前后的梁跨中变形对比表明,在主动控制阶段变形恢复百分比在21%~42%之间,梁试件呈现出较为明显的反拱

    (2)在施加驱动力的主动控制阶段,混凝土应变和钢丝应变均呈现逐渐恢复的现象。混凝土应变恢复程度在31%~45%之间,钢丝应变恢复百分比范围是

22-42%。

    (3)智能梁的最大裂缝宽度有不同程度的减小,裂缝有逐渐闭合的趋势,裂缝宽度闭合百分比大致在12%~l5%之间;同时裂缝高度也有所降低,恢复比例大致在7%~l0%左右,可见驱动器对梁所施加的控制力和控制弯距可以实现对智能梁裂缝的主动控制。 

    (4)随着配筋率的增加,试件裂缝宽度和高度的恢复程度大致呈逐渐提高的趋势。

    (5)增大驱动器的偏心矩可以提高梁的变形恢复情况,提高幅度在5%左右;驱动器偏心矩的增大也有利于提高试件裂缝的闭合特性,裂缝宽度和高度的恢复程度提高了约2.5%~3.1%。

    (6)编制了基于材料本构关系的压电智能混凝土梁主动控制的全过程模拟分析程序,程序计算值与试验结果吻合良好。

参考文献

[1]尹林,沈亚鹏。压电类智能结构的力学行为和工程应用。力学进展,1998

[2]王社良,苏三庆。压电类智能结构的力学特性及其工程应用。工业建筑,2000

[3]陶宝祺。智能材料结构。北京:国防工业出版社,l997  

[4]Hanagud S, Obal M W, Calise A J. Optimal vibration con- trol by the use of piezoceramic sensors and actuators. Journal of Guidance, Control and Dynamics,1992

(本文来源:陕西省土木建筑学会     文径网络:尹维维 编辑  文径 审核