摘要
钢绞线作为核心受力构件大量运用于土木工程结构中，如预应力混凝土桥梁、斜拉桥拉索、拱桥吊杆等。长期服役过程中钢绞线不可避免会发生应力水平下降以及截面损伤，威胁缆索体系桥梁结构安全。开展在役桥梁钢绞线检测技术的研究，提出有效的健康监测技术方法有着重要的意义。 本文以钢绞线中导波频散特性为契入点，基于编写的半解析有限元算法，分析材料阻尼、应力水平对导波模态的影响，研究了不同应力水平下钢绞线中导波传播特性，得到高强钢丝及钢绞线中导波理论频散曲线，提出钢绞线陷频中心频率-应力水平对应关系，为开展钢绞线应力水平的无损检测提供理论基础。主要研究成果如下： （1）基于半解析有限元方法实现对高强钢丝中导波频散曲线求解。推导了笛卡尔坐标系半解析波动方程，利用MATLAB编程自主实现了SAFE算法，绘制了导波频散曲线。基于正交分离算法，对比分析Pochhammer-Chree方程解与SAFE解，误差不足1.5%，证实半解析有限元算法在分析导波传播特性中的有效性。 （2）改进半解析算法研究了阻尼及初应力效应对导波模态传播的影响，纵波波速随应力水平提升而线性下降。定义并计算衰减因子曲线、能量速度曲线。对不同应力水平下的L(0,1)、F(1,1)导波模态波速变化展开了分析，得到应力-能量速度变化率曲线，总体来说初应力效应带来影响是线性的，纵波波速随着应力增加而线性减小，波速变化率最大达1.85%。最终基于应力敏感度、振动位移、衰减因子提出最优导波监测模态选取方法，计算显示低频段最优监测模态为L(0,1)纵波。 （3）对螺旋钢丝进行半解析有限元求解，螺旋钢丝中出现导波模态分离及模态转换。曲线坐标系下对螺旋钢丝半解析求解发现，由于螺旋钢丝是非对称的波导体，其频散曲线出现模态分离及模态转换现象，螺旋钢丝中频散特性与直钢丝差异较大。同时随着螺旋角增大，弯曲模态分离逐渐剧烈，纵波截止频率在螺旋角为45°时有最大值16.3KHz。 （4）钢绞线频散曲线中低阶纵波出现频带缺失现象且缺失频带随着应力水平的提升向高频移动。对钢绞线频散求解后观察到L(0,1)模态在69KHz处出现频带缺失，波速急剧变化并衰减剧烈，计算相关的两根及三根钢丝频散曲线同样出现该现象，证实频带缺失与钢丝间的接触效应有关。求解不同应力水平下钢绞线频散曲线，提取对应模态分析发现缺失频带中心频率随应力水平增大而呈现对数增长。 （5）开展了钢绞线导波实验研究，得到导波波速随张拉力变化的规律。对张拉钢绞线激励不同单一频率的信号，得出导波波速随张拉力增加而近似线性降低，钢绞线200KHz波速在0.8UTS有最大变化率为为-1.32%，300KHz处为-2.02%。对比分析了钢绞线半解析有限元结果与实验结果，误差不超过4%，验证了钢绞线的半解析有限元解。
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