压电智能材料用于建筑结构健康检测综述

(1.中国石化集团胜利石油管理局有限公司 山东 东营 257000；2.中交一公局第一工程有限公司 北京 102205)

引言

由于建筑的老龄化严重以及建筑结构内部损伤无法用肉眼去观测，使得对结构的健康检测越来越受到人们的重视，而目前对于结构的检测方法是通过X射线、声波等作为工具来辅助人们进行建筑结构的损伤识别。由于这种方法效率较低导致其仅适用于小型居民住宅楼或大型建筑局部损伤检测。由于这种局限性，使得人们追求更加高效和简便的方法去对建筑结构进行健康检测成为一种需求。因此，压电材料作为传感器的检测方法应运而生。

压电材料具有的正逆压电效应使得其可以同时作为驱动器和传感器来使用，由于其较强的环境适应力使得其性能稳定，同时还具备了价格低廉且数据分析可以智能化等特点使得其发展潜力较大。本文以压电材料为主体，简单叙述压电材料在结构健康检测中的原理及应用。

一、建筑结构内压电材料监测的原理及分析方法

(一)压电材料检测原理

在压电材料在结构健康检测原理中，主要有阻抗法和波动法两种方法。这两种方法都是信号处理的方法，在波动法的应用中，压电材料同时充当驱动器和接收器，首先通过驱动电源将电信号输入给驱动器后，驱动产生的波通过结构传递给接收器，而随着混凝土结构内部产生损伤必然会导致裂缝的产生，这样势必造成波信号的衰减，而通过分析接收到的信号衰减程度便可以判断结构的健康状况。如图1所示。

图1 波动法示意图

(二)信号的处理

一般情况下，通过驱动器发射一段固定频率区间的扫频正弦波信号来激励压电材料驱动器，而随着结构的损伤使得接收器接收到的信号衰弱，这样直接导致信号的幅值会随之减小，通过观测信号幅值的变化可以判断结构从健康状态到损伤状态的变化情况。然而，这种对波的分析手段还不够简便。因此增加了能量分析的方法对采集到的信号进行分析，这种分析方法的基本思路是将采集到的信号进行分解，针对分解到的每层不同频带的信号选择相对应的频谱进行叠加，最终得到基于采集到的信号的精确的能量值。这种能量值相对于直接分析波信号来说，更加直观更加简洁，使得普通人在经过简单培训情况下便可进行信号的分析。

二、压电材料在结构健康监测上的应用

近几十年来，国内外许多学者将压电材料作为主要工具来对结构损伤进行识别，并取得丰硕的成果。在混凝土结构中，孙威等[1]为了更好了解应力波在混凝土结构中的衰减特性，通过试验并分析结果，得到了应力波在混凝土结构中的有效传播公式，为压电材料的合理布置提供了依据，随后通过在混凝土梁两端布置压电智能骨料并人工切割裂缝来模拟混凝土的损伤，取得了较好的效果。殷新锋等[2]使用压电材料对混凝土早期强度、裂缝损伤均进行检测，发现压电材料不仅能对裂缝的损伤进行判断，还能有效地监测混凝土早期强度的变化。蒙彦宇等[3]使用压电智能骨料测量混凝土梁在各受力阶段纯弯段的混凝土破坏特点及裂缝的开展程度。赵晓燕等[4]通过自制的压电材料传感器来对混凝土的裂缝产生过程进行检测，将得到的损伤指数与应变片测量的数值进行对比，结果吻合良好。

在钢管混凝土结构中，压电材料也展现强大的功能，Xu等[5]通过人工模拟缺陷，并以压电材料为传感器，通过检测应力波的变化来判断钢管与混凝土之间的界面剥离状况，试验结果表明这种方法的有效性。而蔡萍等[6]也进行过类似地试验，通过在钢管内壁粘贴各种干扰材料(环氧树脂、亚克力等)来模拟钢管和混凝土之间的界面剥离，同时以干扰材料的厚度的不同来模拟剥离损伤程度的不同，结果均表明剥离损伤程度越大，接收到的应力波信号越小。

三、压电材料的不足之处

目前基于压电材料的健康监测无论是基于波动法还是阻抗法，均需要一个初始状态作为参照物去评价结构的损伤。倘若结构从最初就存在一个裂缝，这种损伤是无法被检测到的。同时，由于压电材料的特性，使得其必定需要通过导线来与驱动装置和收集装置相连接，这会导致建筑结构走线繁琐，安装起来麻烦。因此，压电材料真正意义上应用到实际工程检测中，还有很长的路要走。