采用PZT对混凝土管片进行损伤试验研究

胡显燕，宋金强 （湖北第二师范学院建筑与材料工程学院，湖北 武汉 430205）

1 概述

随着结构健康监测技术的快速发展，智能传感器越来越多地运用于土木工程结构的健康监测中，相对于一般的介质材料，压电陶瓷所具备的特殊性能即它的压电性能，压电性能的获得则是因为电场的极化作用，同时极化工程也使它具备了各向异性的特点，也就是其性能参数在不同的方向上具有不同的数值，这个特点也是压电陶瓷材料具有广泛用途的重要基础。

最初通过试验发现PZT阻抗技术能够监测砌体构件中的初始裂缝，结果表明PZT传感器具有比声发射、脉冲回波和应变片更大的传感面积，PZT阻抗技术既能够成功识别化学腐蚀引起的混凝土材料特性的变化，也能够准确识别出混凝土微小损伤的位置；因此基于PZT阻抗的结构损伤识别与健康监测方面开始了一些研究。Liang等根据耦合电阻抗提取了自由柔性梁的固有频率，还利用压电陶瓷片作为自传感驱动器第一次对组合桁架结构进行了损伤识别试验研究。

Yee提出用压电阻抗的一维和二维方程判断损伤，用在混凝土试块、铝梁和铝桁架上，铝梁上设置多孔损伤，设置不同的采样频率，通过RMSD指数判断损伤，比较不同数量损伤时RMSD的区别，如果频率段选择合适，能有效判断损伤量。

Yang对压电片用于结构健康监测做了一系列研究，推导了壳体的机械阻抗理论值，设计了圆拱壳模型，表明粘贴一处压电片，设置2 mm孔洞损伤，比较峰值的大小和位置，试验得到阻抗值和理论值吻合较好。

朱宏平和王丹生团队对压电阻抗法用于结构健康监测做了一系列研究工作，采用基于压电导纳计算得到的损伤指数进行梁的损伤定位研究，采用数值模拟，与试验结果相比较，模拟情况相一致。

研究者采用压电阻抗法对不同结构进行损伤测试，做了大量的实验工作，以此验证相关理论，探索压电阻抗法测试的规律和技术取得了很大的成绩。

2 PZT-结构相互作用模型

工程结构从刚度上可以分为两类，即远大于PZT材料的刚度和远小于此材料的刚度，另外，PZT与结构结合的方式有两种，即表面粘贴和埋入式。通过过去几十年的研究工作，人们提出了几种PZT-结构相互作用的模型理论，Liang提出的理论模型运用较多，Zhou将一维阻抗法扩展到二维结构上。物理模型如图1所示。

图1 二维机电耦合阻抗模型

通过运用达朗贝尔定理并施加相应的边界条件，Zhou（1995）提出了公式2。

3 试验设计

试验采用管片作为测试对象，测试模拟管片在螺栓松动情况下的损伤，采取管片表面粘贴PZT-5压电片的方式，阻抗仪选用Agilent 4294A，试验时室内温度为10℃。将要粘贴PZT的管片部位打磨光滑，再用乙醇清洁干净，在管片表面粘贴PZT，PZT粘贴采用环氧树脂胶粘贴，在每个PZT上连接导线，每个PZT焊接两个正负导线，并对每对导线进行编号，如图2所示。针对混凝土管片结构，设计损伤工况，通过设置螺栓松动来模拟损伤情况。

图2 管片表面粘贴PZT布置图

损伤设计方法，在螺栓拧紧状态时做好标记，然后通过拧松螺帽使螺栓松动：螺栓松动情况通过旋转角度实现，螺栓松动第一次30°，松动第二次45°，松动第三次60°。

3.1 螺栓松动过程曲线

首先对1号螺栓进行松动，分别松动30°，45°，60°，其损伤曲线如图 3所示。然后对2号螺栓进行松动，也分别松动30°，45°，60°，其损伤曲线如图4所示。

图3 1号螺栓松动PZT1曲线图（150～300kHz）

图4 2号螺栓松动PZT3曲线图（150～300kHz）

1号螺栓、2号螺栓松动损伤指数RMSD如图5、图6所示。由损伤指数图可以看出，螺栓第一次松动和第二次松动损伤指数相近，但是第三次松动的损伤指数较前两次较大，主要原因是，第一次松动和第二次松动后螺栓还是处于较紧密状态，而第三次松动后螺栓较松，因此其损伤指数增长较多。

图5 螺栓松动损伤指数RMSD

图6 螺栓松动损伤指数1-CC

对测试曲线进行计算分析，得到1号螺栓、2号螺栓松动的损伤指数RMSD和(1-CC)损伤指数，绘制如图5(a)、(b)和图 6(a)、(b)所示，频率范围为150～300 kHz。由损伤指数图5(a)、(b)可以看出，螺栓第一次松动和第二次松动的损伤指数相近，但是第三次松动的损伤指数较前两次较大，分析其主要原因是，第一次松动和第二次松动后螺栓还是处于较紧密状态，而第三次松动后螺栓较松，因此其损伤指数增长较多。

由损伤指数图6(a)、(b)显示，螺栓第一次松动和第二次松动的损伤指数相近，但是第三次松动的损伤指数较前两次较大，这种现象更明显，分析其主要原因是，第一次松动和第二次松动后螺栓还是处于较紧密状态，而第三次松动后螺栓较松，因此其损伤指数增长较多。

3.2 1号螺栓松动损伤指数讨论

由1号螺栓松动RMSD损伤指数可以看出，随着螺栓松动的角度增大，损伤指数曲线升高明显，可以判断损伤的加大程度；而且1号螺栓附近的PZT损伤指数较大，也可以由此判断损伤发生的位置。为了直接读出可能发生损伤的区域，将RMSD损伤指数绘制成三维的柱状图，如图7所示，柱状图的布置按照PZT的方位布置。从柱状图可以很明确地看出PZT测试的结果，1号螺栓距离PZT1和PZT2较近，柱高度较大，损伤在其附近，前面分析了，可以结合其他损伤指数对结果进行校核，因而能判断损伤发生在PZT1的附近。

图7 1号螺栓松动RMSD损伤指数柱状图

图8 2号螺栓松动RMSD损伤指数柱状图

3.3 2号螺栓松动损伤指数讨论

为了直接读出可能发生损伤的区域，将RMSD损伤指数绘制成三维的柱状图，如图8所示，柱状图的布置按照PZT的方位布置，从柱状图可以很明确地看出PZT测试的结果。2号螺栓距离PZT3较近，柱高度较大，损伤在其附近，可以判断损伤在PZT3的附近。

4 结论

在实际工程中，螺栓松动对管片结构的安全性会造成很大的破坏性，在结构的健康监测中也非常重要，本次试验通过对混凝土管片表面粘贴PZT，进行损伤模拟实验研究，模拟损伤是通过设计螺栓松动，角度分别松动30°，45°，60°来模拟损伤工况。损伤指标采用RMSD指数和1-CC指数，通过数据分析显示，随着螺栓松动的角度增大，RMSD指数和1-CC指数损伤指数曲线升高明显，由此判断损伤的加大程度；而且螺栓附近的PZT测试得到的损伤指数较大，通过绘制RMSD损伤指数柱状图可以准确地判断损伤发生的位置。通过本次试验研究可以得到混凝土管片表面粘贴PZT进行损伤定位和损伤定量的规律，压电阻抗法对混凝土结构进行损伤检测需要设计的损伤程度较大，距离PZT越近，测得的损伤指数越准确。