壓電阻抗法及用于土木工程結構健康監測中的研究

宋霞萍

（浙江喬興建設工程有限公司，浙江 湖州 313000）

在科學技術和工業不斷發展的今天，機械、建筑、軍事、航空航天、核反應堆等工程結構，在服役期內的安全性和可靠性越來越受到人們的重視；正確評價服役期內結構的性能和狀態，是保證結構安全可靠工作的基本前提；當今社會所關心的焦點就是定期監測這些結構的安全性以及評估工程結構在地震、火災等重自然災害后的損傷程度；目前我國土木工程事故頻繁發生，造成了多方面的損失。越來越多的重點工程結構中開始采用一定的實時監測手段和損傷識別技術來診斷和評估結構的服役期內的安全狀態，避免事故發生。大型結構的迅速發展以及重大工程事故的頻發需要提高防災減災的意識，對結構健康監測和損傷識別提出了客觀上的要求。

一、壓電阻抗法基本原理

在結構診斷上，最常用的就是阻抗法，它采用的是壓電材料機電耦合效應。其原理是：結構在某種狀態時，其機械阻抗是恒定的。結構的狀態一旦生變化，其機械阻抗也就會發生一定的改變。所以，可以借助測量結構的機械阻抗值來考察該結構是否出現問題，達到對結構健康狀態監測的目的。

間接測量結構的機械阻抗的方法就是通過測量貼在結構表面的壓電片的電阻抗。對那些粘貼在結構表面的壓電片施加一定量的交流電場，產生機械振動的那些壓電片，就會帶動本體結構產生振動。本體結構的機械振動又將反作用于壓電片，機械振動就能夠使壓電片產生電響應，自然就會表現為電阻抗的一些變化，結構損傷狀態的信息就包含在壓電材料電阻抗的信號中。通過與結構在無缺陷時的電阻抗信號進行比較，可以診斷結構的損傷情況。因此，可以說本體的結構損傷能夠引起導納信號的改變。在此之后，又有許多學者對不同邊界條件下的導納表達式進行了推導。

二、壓電阻抗法在土木工程結構健康監測中的研究進展

壓電阻抗技術運用于結構健康監測方面，是利用基于全局的振動來檢測結構局部損傷的新技術。壓電阻抗法是近年來才發展起來的結構損傷檢測的一種新方法。1993年新提出的智能結構的壓電阻抗分析法，從理論層面上分析了壓電材料與結構系統構成的單自由度彈簧一質量一阻尼系統(SMD)模型，得出了壓電材料動態機械阻抗與結構機械阻抗的關系，并借助懸臂梁的實驗對其進行了驗證;壓電材料與結構耦合電阻抗的理論推導出壓電材料驅動的忽略橫向變形的一維SMD系統的耦合電導納表達式，分析了結構機械阻抗變化對粘貼在主體結構表面的壓電材料電導納的影響;Sun根據耦合電阻抗提取自由的柔性梁的固有頻率，得到的試驗結果與理論值非常接近;隨后，Rogers，Ayre等人利用簡單的結構對壓電材料電阻抗與結構機械阻抗的關系進行了試驗研究，證實了它的可行性。Chaud最早將壓電阻抗法使用在航空結構的損傷檢測，Castanien提出交叉耦合電導納概念，并利用統計方法分析耦合電導納的變化識別了飛機機身的損傷；Giurgiutin用壓電阻抗法對以陳舊的航空結構進行了評估，顯示出其在航空領域損傷檢測的廣闊前景;Lalande，Kohetal等分別研究了復合材料修復層和復合粘結智能結構的損傷識別情況，Raju和Saffi將其成果分別應用到復合材料加固的混凝土，證實它的可行性;對于機械領域，如何有效地識別出其初始微小損傷成為公認焦點，Lalande利用高頻阻抗法診斷出齒輪傳動裝置的不足，在機械構件的損傷檢測方面是一大進步。

壓電阻抗技術在土木工程結構健康監測中的研究和應用的歷史只有十幾年，目前處于不成熟階段。Ayres等對大型土木結構損傷進行了研究，微小的損傷就能夠引起導納信號的豎向變化，能監測初始損傷。Soh等人采用EMI技術監測混凝土構件中的初始損傷及損傷的發展情況;粘貼在混凝土構件表面的壓電片對遠場的混凝土裂縫不敏感，對其區域附近的混凝土裂縫卻很敏感。Bhalla通過研究了鋼構件的初始損傷診斷，表明該方法能有效地檢測到結構的初始缺陷。Giurgiutin等利用壓電阻抗法檢測點焊接頭的疲勞損傷，從阻抗譜中提取的損傷因子隨疲勞裂紋的增加而增加。Tseng認為阻抗法是一種較為有效的非參數結構損傷檢測方法，在鋁板上模擬三種破壞狀態，PZT能感知這些損傷而不需要任何的模態參數。由于環境侵害引起的材料性能退化，Tseng還用阻抗法檢測混凝土，通過有限元模型分析和實驗數據對比，驗證了阻抗法可用于混凝土損傷擴展的檢測。Bhalla和Soh提出了等效機械阻抗概念，簡化PZT與主結構的相互作用模型，接著又得出PZT驅動系統的耦合電導納表達式。隨后他們報道了通過建立結構參數同獲取的結構有效驅動點阻抗關系的新的結構損傷檢測方法，將該方法成功用于實際的鋼筋混凝土梁的損傷識別與評估，顯示其潛在的巨大應用價值。

但是，目前阻抗法還只是一種定性的檢測方法。在定量損傷識別方面，Park、Lopes等采用壓電阻抗法結合應力波傳播方法、阻抗法結合人工神經網絡分析等作了一些探索，不足之處是需要大量訓練數據和計算。Tebaldi等利用遺傳算法計算損傷的大小和程度，并可識別多處損傷。在解決這些問題上，嚴蔚和陳偉球考察壓電片一粘結層一主體結構耦合系統的動力響應，考慮軸向振動的一維桿模型，引入剪滯模型以研究壓電片與主體結構之間的界面特性，充分利用傳遞矩陣法進行分析，導出壓電片電導納的解析式。為了克服EMI技術中存在的傳遞矩陣法在高頻分析中數值不穩定的弊端，嚴蔚和陳偉球又把適合高頻分析的回傳矩陣法引入EMI技術的理論分析中，取得很好的結果。

三、壓電阻抗法在土木工程結構健康監測中的進一步展望

目前壓電阻抗法的結構健康監測技術還處于建立基礎理論和實驗研究的階段，隨著發展的加快，將在工程領域廣泛應用。根據目前整體的研究，今后主要可以從以下幾個方面展開進一步的研究:

1、進一步改善研究傳感器的優化設計。盡量少使用傳感器而獲取盡可能多的結構健康狀況信息。嘗試利用神經網絡、遺產算法對實驗數據進行綜合處理，以至精確定位。

2、針對系統集成的研究。放信號大、濾波、功效可控電源、計算機等儀器在壓電智能結構的實驗系統中必不可少，而在實際工程結構中添加更多的輔助設備，困難較大。

3、對在線實時分析的研究。結合數值分析技術和現場測試，研制新的完整系統，由計算機進行控制處理電導納的測量、數據采集、數據處理和判斷與決策。

4、目前在粘貼壓電片于主體結構表面的研究中集中較多的理論與試驗，為了更好地應用，應把研究擴展到將壓電片埋入結構內部，這就需要考慮壓電片在厚度方向的振動和彎曲振動。

5、針對大型的土木工程結構的健康監測多數理論和試驗研究往往只針對一個壓電片的情況，如何通過多組數據信號的數據融合，以更好地識別結構損傷，這值得深入研究探討。

6、土木工程結構不僅暴露在外界環境中，而且情況復雜多變，就需要進行系統的研究多種外界條件對壓電阻抗技術的影響，探索新的方法。這個任務是長期的。

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