謝景洲，高宇甲，師營營，劉 闖，王鵬舉

（1 華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院 河南 鄭州 450000）

（2 中建七局第四建筑有限公司 陜西 西安 710000）

0 引言

隨著時(shí)代發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)越來越多地出現(xiàn)在人們生活中，保障結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全是對人民生命財(cái)產(chǎn)的負(fù)責(zé)。然而處在自然環(huán)境中的結(jié)構(gòu)會不可避免地遭受使用荷載和自然災(zāi)害的影響，造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷，強(qiáng)度剛度降低等問題。因此對于工程結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)健康檢測、損傷監(jiān)測是非常重要的一項(xiàng)工作。如超聲檢測法、X射線等的檢測方法，僅是在事故后期對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行查驗(yàn)，而且檢測儀器貴重不便攜帶，很難實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展過程。所以出現(xiàn)一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展過程且操作簡便的方法，是保障土木工程結(jié)構(gòu)安全的必然趨勢。

智能材料的提出為土木工程建設(shè)的研究開辟了新的世界，其本身的自感知、診斷修復(fù)等功能[1]，能夠感知外部刺激從而判斷出結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況。

1 壓電智能材料敘述

壓電材料是智能材料的一種，其又分為無機(jī)壓電材料（壓電晶體和壓電陶瓷）、有機(jī)壓電材料（壓電聚合物，如聚偏氟乙烯）以及復(fù)合壓電材料。如今壓電材料的制備與應(yīng)用有了很大的發(fā)展，其具有頻率響應(yīng)寬、較好的線性關(guān)系、使用電信號輸入輸出便于測量和控制的優(yōu)點(diǎn)。在各種壓電材料中，由于鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀、不受外界環(huán)境影響、成本低等特點(diǎn)而在實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛。壓電陶瓷片如圖1所示。

圖1 壓電陶瓷片

1880年法國的居里兄弟發(fā)現(xiàn)在一些晶體受到壓力時(shí)，其表面會產(chǎn)生電荷，且電荷量與壓力成正比，他們稱這種現(xiàn)象為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是壓電材料的一個(gè)重要特征，其可以分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)[2]。根據(jù)壓電材料的正逆壓電效應(yīng)可以將材料制成傳感器和驅(qū)動(dòng)器。而壓電陶瓷具有傳感與驅(qū)動(dòng)雙重功能，利用其制成能夠接收和傳輸信號的裝置，并用一定的方式將其黏結(jié)在結(jié)構(gòu)表面或埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，連接設(shè)備對其施加電信號，根據(jù)壓電效應(yīng)原理，利用機(jī)械波在不同介質(zhì)中傳播的形式不同，其傳輸出的電信號趨勢不同，以電信號的變化來對結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行檢測和評估。壓電智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究對于大型結(jié)構(gòu)的檢測有著很大的幫助，能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，及時(shí)修復(fù)，對經(jīng)濟(jì)和生命安全有著重要的保障作用。PZT壓電效應(yīng)如圖2所示

圖2 PZT壓電效應(yīng)

2 智能骨料的研究應(yīng)用

對于壓電陶瓷貼片在結(jié)構(gòu)中的放置有兩種方式：粘貼于結(jié)構(gòu)表面或者埋置結(jié)構(gòu)內(nèi)部。粘貼結(jié)構(gòu)表面操作簡便，但易受環(huán)境噪聲的影響，增加監(jiān)測結(jié)果的誤差。相較于此，埋入內(nèi)部的貼片受環(huán)境的影響較小，但是壓電陶瓷材質(zhì)較脆，直接埋入內(nèi)部極易損壞。因此杜國鋒等[3]提出將PZT貼片嵌入保護(hù)層中保障其安全，由此出現(xiàn)了新的壓電陶瓷傳感器—智能骨料。如圖3所示。

圖3 智能骨料

基于第一代的智能骨料其保護(hù)層在固化時(shí)易產(chǎn)生裂紋，對其信號穩(wěn)定產(chǎn)生影響，所以Wang等[4]研發(fā)出了利用大理石做為保護(hù)層的二代智能骨料。大理石保護(hù)層相較于一代智能骨料而言，其對壓電陶瓷的電阻值沒有影響，構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度高，使得壓電陶瓷的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率得到充分利用[5]。此外，將多個(gè)壓電陶瓷疊加分析其對智能骨料輸出電壓、諧振頻率和機(jī)電耦合系數(shù)的影響[6]，也是對提高智能骨料靈敏度能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研究。張娟等[7]也對智能骨料的靈敏度進(jìn)行了研究，得出靈敏度不會隨加載力改變而改變。Narayanan等[8]研究了襯底尺寸對附著在結(jié)構(gòu)襯底上的PZT貼片耦合動(dòng)態(tài)機(jī)電響應(yīng)的影響以及響應(yīng)隨尺寸的縮放。根據(jù)現(xiàn)有研究在相同條件下，面積較大、較厚的PZT貼片，智能骨料信號靈敏度越好。

智能骨料地提出在結(jié)構(gòu)中執(zhí)行著三個(gè)主要的任務(wù)：沖擊檢測、健康監(jiān)測和強(qiáng)度監(jiān)測。在對結(jié)構(gòu)沖擊損傷演化特性的研究中，結(jié)果表明根據(jù)在不同沖擊次數(shù)下電導(dǎo)信號的變化，在沖擊損傷累積過程中，裂縫初始萌生及發(fā)展階段壓電信號變化相對平穩(wěn)。損傷達(dá)到一定程度后，持續(xù)沖擊，電信號峰值會突降[9]。在健康監(jiān)測方面，對結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測上，首先確定智能骨料對結(jié)構(gòu)損傷的敏感范圍，來確定結(jié)構(gòu)的損傷程度及結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的發(fā)展趨勢[10]。因?yàn)閺?qiáng)度是土木工程結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要性能指標(biāo)，其可以直接影響結(jié)構(gòu)的安全，所以對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求也是非常嚴(yán)格的。但由于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)早期固化不夠，傳統(tǒng)的抗壓試驗(yàn)不能夠檢測其強(qiáng)度，因此利用壓電陶瓷材料制成的智能傳感器這種方便快捷的方法得到廣泛應(yīng)用。對埋入結(jié)構(gòu)的智能材料傳感器施加電荷載，其引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部振動(dòng)又通過智能骨料傳輸出電信號，根據(jù)其早期諧波響應(yīng)幅值的發(fā)展來監(jiān)測結(jié)構(gòu)早期強(qiáng)度的發(fā)展，強(qiáng)度越大，諧波響應(yīng)幅值相對減小[11]。

3 壓電陶瓷材料監(jiān)測技術(shù)

利用壓電陶瓷對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷檢測的方法主要有主動(dòng)監(jiān)測法和被動(dòng)監(jiān)測法。主動(dòng)監(jiān)測法是給安裝在結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)器發(fā)射激勵(lì)信號，引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)通過結(jié)構(gòu)中的傳感器使其轉(zhuǎn)變成電信號發(fā)射出來，分析電信號圖像變化來對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評估；而被動(dòng)監(jiān)測法，結(jié)構(gòu)中只存在傳感器，利用壓電陶瓷材料的高阻抗性，對結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行測量。

3.1 結(jié)構(gòu)健康主動(dòng)監(jiān)測技術(shù)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主動(dòng)監(jiān)測技術(shù)包含了壓電波動(dòng)法和阻抗分析法。在壓電波動(dòng)法方面，斯坦福大學(xué)的學(xué)者利用壓電陶瓷應(yīng)力波的散射對板塊內(nèi)部的異常進(jìn)行診斷，從而提出了對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測的壓電波動(dòng)法。國內(nèi)外研究中，熊飛[12]基于壓電波動(dòng)法的監(jiān)測理論，采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)方法對壓電陶瓷智能骨料性能、裂縫缺陷進(jìn)行研究，研究表明主頻的對應(yīng)振幅降至最低時(shí)裂縫出現(xiàn)；杜永峰[13]利用壓電波動(dòng)法進(jìn)行了套筒灌漿料早期強(qiáng)度監(jiān)測試驗(yàn)，研究表明監(jiān)測信號幅值的變化趨勢能很好地反映灌漿材料強(qiáng)度的發(fā)展趨勢。Lim等[14]建立了表面黏結(jié)壓電陶瓷波動(dòng)法技術(shù)的半解析模型，用于評價(jià)不同摻量砂漿在養(yǎng)護(hù)過程中的強(qiáng)度。

基于壓電陶瓷智能材料利用壓電阻抗法監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)時(shí)；Ahmadi等[15]利用壓電阻抗法監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康和無損腐蝕診斷，根據(jù)腐蝕過程中阻抗曲線的變化，提出了一種檢測腐蝕速率、腐蝕方向和腐蝕起始時(shí)間的方法；Fan等[16]采用一種新型嵌入式球形智能骨料（SSA）利用壓電阻抗技術(shù)對混凝土早期養(yǎng)護(hù)進(jìn)行監(jiān)測，驗(yàn)證了SSA監(jiān)測水化過程的可行性，在結(jié)構(gòu)變形和剛度變化的監(jiān)測方面SSA更加敏感；石耀坤[17]利用阻抗分析儀監(jiān)測預(yù)埋壓電陶瓷片的信號變化，驗(yàn)證壓電阻抗法在螺栓松緊監(jiān)測中的可行性，通過分析不同位置螺栓的阻抗曲線變化，尋找螺栓松動(dòng)情況的變化規(guī)律，結(jié)果表明，阻抗儀所采集的阻抗曲線可以定性地判斷螺栓損傷狀態(tài)；劉金城等[18]在結(jié)構(gòu)裂縫寬度識別的研究中，區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測提出了基于壓電陶瓷傳感器的裂縫識別方法，通過對含有裂縫的構(gòu)件進(jìn)行阻抗分析，得出阻抗損傷指標(biāo)隨裂縫增加而增加，證明了阻抗法監(jiān)測結(jié)構(gòu)裂縫寬度的有效性。

3.2 結(jié)構(gòu)健康被動(dòng)監(jiān)測技術(shù)

利用壓電陶瓷對結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測的被動(dòng)監(jiān)測，不需要對壓電陶瓷施加驅(qū)動(dòng)，在結(jié)構(gòu)承受荷載時(shí)就可以測出結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度。根據(jù)壓電陶瓷材料高阻抗的特性，壓電陶瓷傳感器僅僅適用于動(dòng)態(tài)力學(xué)的測量，不適用頻率慢以及靜態(tài)的力學(xué)測量。由于壓電陶瓷的高敏感性，基于壓電陶瓷的被動(dòng)監(jiān)測主要集中在對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和沖擊荷載的識別上。

在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測的研究中，杜國鋒等[19]研究了壓電陶瓷智能骨料在單向動(dòng)力荷載作用下的工作機(jī)理和性能，對壓電陶瓷片建立電壓與電荷量數(shù)學(xué)關(guān)系來推導(dǎo)電壓與應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果相似性較高，說明智能骨料可以較好地用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力。

4 總結(jié)與展望

本研究敘述了壓電陶瓷材料在智能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，論述了其在智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷檢測方面開展進(jìn)行的大量研究，驗(yàn)證了壓電陶瓷傳感器在結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面的可行性和有效性，這種新型的智能材料無損檢測技術(shù)為工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量監(jiān)測的未來指引了新方向?，F(xiàn)有研究大多基于實(shí)驗(yàn)室條件下利用壓電傳感器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，為工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。同時(shí)，在未來對工程應(yīng)用的探索研究中應(yīng)加強(qiáng)利用智能材料對常見工程結(jié)構(gòu)的研究，進(jìn)一步開發(fā)智能材料在結(jié)構(gòu)中的可利用性，進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，能更加快捷的使智能材料無損監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到工程實(shí)際中。