鄭合營侯爽

（1.大連理工大學土木工程學院2.華南理工大學亞熱帶建筑科學重點實驗室）

壓電智能骨料激勵應力波在混凝土中傳播規(guī)律*

鄭合營1侯爽2

（1.大連理工大學土木工程學院2.華南理工大學亞熱帶建筑科學重點實驗室）

由于壓電智能骨料（SA）的敏感元件PZT具有正逆壓電效應，因此其在混凝土損傷監(jiān)測中既可用作傳感器又可用作驅動器。本文通過試驗方法研究了應力波在混凝土中的傳播規(guī)律。在素混凝土構件內部沿長度方向在截面中心位置等間距布置了8個SA，分別采取敲擊和對SA施加交變電壓2種方法在混凝土中產生應力波。研究表明，應力波在混凝土中傳播過程中呈線性衰減，SA激勵應力波的有效傳播距離不小于3.5 m。

壓電智能骨料；應力波；調制脈沖；混凝土結構

0 引言

近年來，建筑業(yè)已成為我國國民經濟快速增長不可或缺的重要力量，而混凝土材料以其優(yōu)越的性能被廣泛用于各類工程結構的建設，其結構類型已開始向大型化、復雜化的方向發(fā)展。諸如高層建筑、地下大空間結構以及大跨度橋梁等大型混凝土結構不斷涌現(xiàn)。然而，在混凝土結構施工和正常使用過程中，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應等因素的耦合作用，不可避免會產生裂縫等潛在損傷，而這些損傷會在一定程度上導致結構可靠性降低，甚至造成工程事故，危害國家及人民生命財產安全。因此，有必要對混凝土結構采取適當?shù)谋O(jiān)測措施，以消除可能出現(xiàn)的安全隱患[1]。目前，針對混凝土結構的檢測技術已有很多[2]，如光纖傳感器監(jiān)測法[3]、超聲檢測法[4]、射線法[5]及聲射法[6]等。

壓電陶瓷材料（PZT）是近年來逐漸受到重視的智能材料之一，它具有集傳感與驅動功能于一體的優(yōu)越性，且具有響應速度快、造價低廉、易于加工、結構簡單、能耗低、線性好、可靠性好等特點，為土木工程結構健康監(jiān)測提供了新的方法，具有巨大的應用潛力[7-10]。相關研究表明：混凝土材料出現(xiàn)裂縫后應力波傳播的能量顯著衰減[11-12]。本試驗采用的壓電智能骨料（smart aggregate，SA）[13]由上下兩塊厚度為12 mm花崗巖和中間一片厚度為0.3 mm的PZT片組成，尺寸為25 mm×25 mm×25 mm，可將其等效為一個粒徑為25 mm的石子。試驗中將SA埋入素混凝土試塊內部，分別通過外部敲擊和SA自激勵2種方式在混凝土中產生應力波，通過SA對應力波的傳播過程進行監(jiān)測，進而研究應力波在混凝土中的傳播特性。

1 試驗概況

試驗試件為素混凝土試塊，尺寸如圖1所示，構件長為1600 mm，橫截面尺寸為400 mm×400 mm。沿長度方向在試塊截面中部布置8個壓電智能骨料，間隔200 mm，記為SA1~SA8。試件制作過程中，用細鐵絲將SA綁扎在兩邊的木模具上，以固定其位置，如圖2所示。在模中澆筑混凝土，并振搗密實，混凝土等級為C30，骨料最大粒徑30 mm。試件養(yǎng)護成型后，經檢測除SA8外，其余各SA工作正常。

2 外部敲擊試驗

通過敲擊試塊左端截面中心位置研究應力波在混凝土中的傳播及衰減規(guī)律。利用SA監(jiān)測敲擊引起的應力波過程。敲擊瞬間在敲擊點產生應力波并在試塊中傳播，圖3為一次敲擊后各SA監(jiān)測到的信號，其首波部分如圖4所示。選取SA1做參照，對比應力波波峰到達各SA的時間及其與SA1的距離（見圖5）可確定應力波的波速為3500 m/s。敲擊時由于慣性效應在敲擊點附近會產生較強的側向約束，引起SA1處監(jiān)測的首波幅值遠大于其余SA。因此，研究應力

波衰減時去掉SA1的結果，而取SA2至SA7的幅值進行對比。本文取5次撞擊的歸一化的結果，如圖6所示。由圖6可知應力波在混凝土的傳播呈線性衰減規(guī)律，1 m的距離內應力波幅值衰減34%。

圖1 試驗尺寸及SA布置圖

圖2 SA布置及試塊照片

圖3 敲擊試驗信號

圖4 首波局部放大圖像

圖5 撞擊瞬間各SA的應力峰值所用時間（相對SA1）

圖6 應力波幅值衰減規(guī)律及其擬合擬線

3 SA自激勵應力波傳播試驗

為研究SA自激勵應力波在混凝土中的傳播規(guī)律，試驗通過SA陣列監(jiān)測應力傳播過程。對激勵SA施加高斯調制脈沖，如式(1)所示。

其中，i表示虛數(shù)單位；ω=2π f，f為中心頻率；τ表示脈沖寬度。本試驗中SA1作為激勵SA，激勵中心頻率取30 kHz，脈沖寬度取20 kHz，激勵信號如圖7所示。

圖7 (a)激勵信號

圖7 激勵信號波形及頻頻

試驗布置如圖8所示，激勵信號由任意波形函數(shù)發(fā)生器激發(fā)，幅值為±5 V，經功率放大器放大后為±45 V，數(shù)據采集設備選用NI USB 6366模塊，通過Labview軟件編程采集并存儲信號數(shù)據，信號采樣速率為1 MHz，試驗噪聲水平為0.15 mV。

圖8 SA自激勵應力波傳播試驗測試圖

圖9為1.5 ms內各SA分別監(jiān)測到的應力波過程。接收信號的波形與發(fā)射信號波形顯著不同，表現(xiàn)為多波形的疊加，且SA接收信號的峰值并未隨距離增加而衰減。這是由于應力波在混凝土內部及邊界的折射和反射引起的。不同位置應力波的疊加模式不同，例如SA4和SA5接收信號的峰值最大，而SA2、SA6和SA7接收信號峰值接近。各SA信

號在混凝土試件中的傳播時間可達1 ms以上，由此可計算得到應力波在混凝土中傳播的有效距離不小于3.5 m。

圖9 壓電智能骨料激勵應力波

4 結論

本文通過試驗方法研究了SA激勵的應力波在混凝土中的傳播規(guī)律。在素混凝土構件內部布置了8個SA，分別采取敲擊和對SA施加交變電壓2種方法在混凝土中產生應力波。研究結果表明：

1)應力波在混凝土中傳播時應力波幅值呈線性關系衰減，1 m的距離內衰減約34%；

2)應力波在混凝土中傳播的波速為3500 m/s；

3)壓電智能骨料激勵應力波在混凝土中的有效傳播距離在3.5 m以上。

[1]李宏男,李東生.土木工程結構安全性評估、健康監(jiān)測及診斷述評[J].地震工程與工程振動,2002,22(3):82-90.

[2]吳新璇.混凝土無損檢測技術手冊[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]毛江鴻,崔磊,金偉良,等.基于分布式光纖傳感的混凝土裂縫識別與監(jiān)測試驗研究[J].傳感技術學報,2014,27(9): 1298-1304.

[4]CECS 21:2000超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程[S].

[5]程和森,王守家,曹更新,等.中子法無損檢測水力發(fā)電站轉輪室鋼襯混凝土脫空缺陷[J].同位素,2003,16(3-4): 138-142.

[6]紀洪廣.混凝土材料聲發(fā)射性能研究與應用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003.

[7]周智,歐進萍.土木工程智能健康監(jiān)測與診斷系統(tǒng)[J].傳感器技術,2001,20(11):1-4.

[8]Yan S,Zhang H.Numerical analysis and control for cantilever flexible beams using PZT patches[C].San Diego: 2008.

[9]孫明清,李卓球,候作富.壓電材料在土木工程結構健康檢測中的應用[J].混凝土,2003(3):22-24.

[10]李宏男,趙曉燕.壓電智能傳感結構在土木工程中的研究和應用[J].地震工程與工程振動,2004,24(6):165-172.

[11]Gu H,Song G,Dhonde H,et al.Concrete early-age strengthmonitoringusingembeddedpiezoelectric transducers[J].Smart Materials and Structures,2006,15(2): 1837-1845.

[12]Song G,Gu H,Mo Y L,et al.Concrete structural health monitoring using embedded piezoceramic transducers[J]. SmartMaterialsand Structures,2007,16(4):959-968.

[13]SongG,GuH,MoYL.Smartaggregates: multi-functional sensors for concrete structures—a tutorial and a review[J].Smart Materials and Structures, 2008,17(3):847-854.The Stress Wave Propagation Characteristic of Piezoelectric Smart Aggregate Excitation for Concrete Structures

Zheng Heying1Hou Shuang2
(1.School of Civil Engineering,Dalian University of Technology 2.School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology)

Smart Aggregate can serve as both a sensor and an actuator in the monitoring of concrete damage because its sensitive element PZT has both the positive and the inverse piezoelectric effects.This paper studied the propagation pattern of stress wave inside the concrete material.In the center position of cross-section along the length direction 8 SAs were deployed equidistantly inside a plain concrete structure.Stress wave was generated inside the concrete by both punching and applying alternating voltage on SAs separately.The study indicated that the propagation pattern of stress wave display linear decline the distance during transmitting and that the effective transmission length is not less than 3.5 m.

Smart Aggregate;Stress Wave;Modulated Pulses;Concrete Structure

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃2015CB057704）

鄭合營，男，1989年生，碩士研究生，主要研究方向：混凝土結構健康主動監(jiān)測。

侯爽（通訊作者），男，1977年生，博士，副教授，主要研究方向：鋼筋混凝土結構地震損傷監(jiān)測。E-mail:cthous@scut.edu.cn