空间结构中拉力测试的弹性工程磁学法理论与实践研究

摘要

悬索结构是最古老的结构形式之一。中国现代悬索结构之发展始于50年代后期和80年代。目前应用悬索结构的结构形式主要有悬挂体系、斜拉体系、张弦梁屋架、平面索桁架、单层索网、空间索网格以及张拉整体结构等。近几十年来，随着索结构被应用的越来越广泛，其设计计算理论也得到了很大的完善和发展。索是工程设施的重要结构构件，索力是索结构的一个重要参数，如何确定施工过程中和使用过程中结构的索张力大小就成为了摆在工程设计人员面前的一个重大问题。本文论述的弹性磁学EM(Elasto-magnetic EM)技术方法是测量预应力结构和拉索桥中索力的新方法。这种方法能够克服现有方法的缺点，是一种具有较好稳定性和较高精度的无损检测方法。弹性工程磁学法又称为磁通量法，由电磁感应现象，两个线圈组成一个电磁感应系统，主要线圈通入直流电，通电瞬时，由于有铁芯存在，会产生电磁感应现象，也就是说，会在次要线圈中产生瞬时电流，因此在次要线圈中会测得一个瞬时电压。此感应电压为瞬时，须通过放大器经由数据采集系统得到。电磁感应产生的电流强度以及电压的大小依赖于铁芯材料本身，或者说与铁芯材料的磁导率有着直接的关系。而且，铁芯材料的磁导率又与铁芯的应力状态相关，实际上我们可以通过该电磁感应系统测量得到的输出电压以及铁芯材料的其他的一些材料参数(例如横截面积，温度)等换算得到材料的磁导率。因而也就可以间接地得到铁芯材料的应力状态。首先，本文讨论了悬索结构和拉索结构的研究现状与发展前景，介绍了现行的各种对拉索张力进行测量的方法理论。其次，从基本理论着手，详细介绍了作为弹性工程磁学法理论基础的几个学科的基本理论内容。阐述了金属晶体学的基本理论，包括晶体的结构及其基本性质、金属的基本结构及其性质、晶体的结构缺陷以及金属晶体的能量理论等内容一一作了论述；详细叙述了电磁学的基本理论，介绍了铁磁性物质的磁化理论、磁化的微观机制、磁畴结构以及磁能等各个方面的内容。也阐述了索结构的力学计算理论，推导了单索的平衡方程、几何方程和变形协调方程，并简要介绍了钢索的材料性质和钢索锚具的相关内容。然后，本文讲述了弹性工程磁学法的基本原理与测量方法。形成了比较完整的测量原理与测量方法，并研制了基本的测量仪器，有了这些理论、方法以及设备，就可以进行试验工作了。接着，论述了一个针对弹性工程磁学法基本理论和测量方法的验证性的初步试验。分析了试验结果及结论，通过试验结果，可以得到，输出电压值对于不同拉力状态具有较好的灵敏度，因此应用弹性工程磁学法测量索拉力的方法的实用性也在试验中得到了证实。接下来又介绍了应用弹性工程磁学法进行实际工程测量的试验，包括安徽大学体育馆模型试验、中国航海博物馆模型试验以及广东省博物馆预应力钢索拉力检测。结果说明，弹性工程磁学法测量拉索拉力的方法是可行并且具有较高的精度的。最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。关键词：拉索 弹性工程磁学法 张力测量

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1悬索结构发展概况

1.2索张力的常用测量原理及方法的研究与发展

1.2.1压力表测定法

1.2.2压力传感器测定

1.2.3频率法

1.2.4振动法

1.2.5三点弯曲法

1.3磁弹性力学概述

1.4弹性工程磁学法概述

1.4.1简述

1.4.2弹性工程磁学法概述

1.5本章小结

第二章 弹性工程磁学法的理论基础

2.1材料科学的基本理论

2.1.1晶体及其基本性质

2.1.2金属材料的性质

2.2电磁学的基本理论

2.2.1铁磁性物质的磁化性质

2.2.2介质磁化的微观机制

2.2.3铁磁性物质的磁畴理论

2.2.4外加作用力时的磁弹性能

2.2.5静磁能

2.2.6各向异性能

2.3力学的基本理论

2.3.1索的平衡方程

2.3.2索的平几何方程

2.3.3索的变形协调方程

2.4钢索的材料性质

2.4.1钢索的种类与制作

2.4.2钢索的锚具

2.5本章小结

第三章 弹性工程磁学法测量索张力的方法原理

3.1基本原理

3.1.1原理概述

3.1.2实现方法

3.2测试方法

3.2.1材料物理参量的测量

3.2.2构件受力的测量方法

3.3本章小结

第四章 测量仪器的研制与开发

4.1试验目的

4.2试验方法

4.2试验设备

4.2.1拉力试验机

4.2.2测试系统

4.3试件

4.4试验步骤

4.5试验结果

4.6、试验结果整理

4.7、试验结果分析与结论

4.7.1试验现象分析

4.7.2、试验结论

4.7.3、实际工程应用方法

4.8本章小结

第五章 安徽大学体育馆工程模型试验研究

5.1试验简介

5.1.1总体试验简介

5.2.2 EM部分试验简介

5.3试验目的

5.4试验设备

5.5、试验步骤

5.5.1、试验室标定

5.5.2、工程现场检测

5.6、试验数据

5.6.1、试验室标定数据

5.6.2、现场检测数据

5.7试验结论

第六章 中国航海博物馆工程模型试验研究

6.1、工程概况

6.2、试验目的

6.3、试验模型

6.3.1、原型结构描述

6.3.2、缩尺模型

6.4、试验概况

6.5、索网安装

6.6、索网张拉方案

6.7、试验内容

6.8、试验数据及数值计算分析

6.8.1、试验数据与有限元分析结果(包括方案1和方案2两种张拉情况)

6.8.2、试验数据分析

6.8.3试验结论

第七章 广东博物馆钢屋盖桁架预应力拉索张力的检测

7.1工程概况

7.2试验目的

7.3试验内容

7.3.1测点布置及编号

7.3.2测量内容

7.3.3试验步骤

7.4标定试验

7.4.1试验内容

7.4.2试验步骤

7.4.3标定试验数据

7.4.4试验结论

7.5张拉阶段试验

7.5.1检测方法概述

7.5.2张拉方案概述

7.5.3检测试验步骤

7.5.4测量数据整理

7.5.5数据分析及检测结论

7.6结语

第八章 总结与展望

8.1总结

8.1.1绪论

8.1.2弹性工程磁学法的理论基础

8.1.3弹性工程磁学法测量索张力的方法原理

8.1.4初步验证试验

8.1.5安徽大学体育馆工程模型试验研究

8.1.8中国航海博物馆工程模型试验研究

8.1.7广东省博物馆工程预应力钢索拉力测量试验研究

8.2前景与展望

8.2.1应用前景

8.2.2展望

8.3结语

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果