壓電阻抗法及用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的研究

宋霞萍

（浙江喬興建設(shè)工程有限公司，浙江 湖州 313000）

在科學(xué)技術(shù)和工業(yè)不斷發(fā)展的今天，機(jī)械、建筑、軍事、航空航天、核反應(yīng)堆等工程結(jié)構(gòu)，在服役期內(nèi)的安全性和可靠性越來越受到人們的重視；正確評(píng)價(jià)服役期內(nèi)結(jié)構(gòu)的性能和狀態(tài)，是保證結(jié)構(gòu)安全可靠工作的基本前提；當(dāng)今社會(huì)所關(guān)心的焦點(diǎn)就是定期監(jiān)測(cè)這些結(jié)構(gòu)的安全性以及評(píng)估工程結(jié)構(gòu)在地震、火災(zāi)等重自然災(zāi)害后的損傷程度；目前我國土木工程事故頻繁發(fā)生，造成了多方面的損失。越來越多的重點(diǎn)工程結(jié)構(gòu)中開始采用一定的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段和損傷識(shí)別技術(shù)來診斷和評(píng)估結(jié)構(gòu)的服役期內(nèi)的安全狀態(tài)，避免事故發(fā)生。大型結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展以及重大工程事故的頻發(fā)需要提高防災(zāi)減災(zāi)的意識(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別提出了客觀上的要求。

一、壓電阻抗法基本原理

在結(jié)構(gòu)診斷上，最常用的就是阻抗法，它采用的是壓電材料機(jī)電耦合效應(yīng)。其原理是：結(jié)構(gòu)在某種狀態(tài)時(shí)，其機(jī)械阻抗是恒定的。結(jié)構(gòu)的狀態(tài)一旦生變化，其機(jī)械阻抗也就會(huì)發(fā)生一定的改變。所以，可以借助測(cè)量結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗值來考察該結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)問題，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。

間接測(cè)量結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗的方法就是通過測(cè)量貼在結(jié)構(gòu)表面的壓電片的電阻抗。對(duì)那些粘貼在結(jié)構(gòu)表面的壓電片施加一定量的交流電場(chǎng)，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的那些壓電片，就會(huì)帶動(dòng)本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。本體結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動(dòng)又將反作用于壓電片，機(jī)械振動(dòng)就能夠使壓電片產(chǎn)生電響應(yīng)，自然就會(huì)表現(xiàn)為電阻抗的一些變化，結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的信息就包含在壓電材料電阻抗的信號(hào)中。通過與結(jié)構(gòu)在無缺陷時(shí)的電阻抗信號(hào)進(jìn)行比較，可以診斷結(jié)構(gòu)的損傷情況。因此，可以說本體的結(jié)構(gòu)損傷能夠引起導(dǎo)納信號(hào)的改變。在此之后，又有許多學(xué)者對(duì)不同邊界條件下的導(dǎo)納表達(dá)式進(jìn)行了推導(dǎo)。

二、壓電阻抗法在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的研究進(jìn)展

壓電阻抗技術(shù)運(yùn)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面，是利用基于全局的振動(dòng)來檢測(cè)結(jié)構(gòu)局部損傷的新技術(shù)。壓電阻抗法是近年來才發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的一種新方法。1993年新提出的智能結(jié)構(gòu)的壓電阻抗分析法，從理論層面上分析了壓電材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成的單自由度彈簧一質(zhì)量一阻尼系統(tǒng)(SMD)模型，得出了壓電材料動(dòng)態(tài)機(jī)械阻抗與結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的關(guān)系，并借助懸臂梁的實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證;壓電材料與結(jié)構(gòu)耦合電阻抗的理論推導(dǎo)出壓電材料驅(qū)動(dòng)的忽略橫向變形的一維SMD系統(tǒng)的耦合電導(dǎo)納表達(dá)式，分析了結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗變化對(duì)粘貼在主體結(jié)構(gòu)表面的壓電材料電導(dǎo)納的影響;Sun根據(jù)耦合電阻抗提取自由的柔性梁的固有頻率，得到的試驗(yàn)結(jié)果與理論值非常接近;隨后，Rogers，Ayre等人利用簡單的結(jié)構(gòu)對(duì)壓電材料電阻抗與結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，證實(shí)了它的可行性。Chaud最早將壓電阻抗法使用在航空結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)，Castanien提出交叉耦合電導(dǎo)納概念，并利用統(tǒng)計(jì)方法分析耦合電導(dǎo)納的變化識(shí)別了飛機(jī)機(jī)身的損傷；Giurgiutin用壓電阻抗法對(duì)以陳舊的航空結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評(píng)估，顯示出其在航空領(lǐng)域損傷檢測(cè)的廣闊前景;Lalande，Kohetal等分別研究了復(fù)合材料修復(fù)層和復(fù)合粘結(jié)智能結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別情況，Raju和Saffi將其成果分別應(yīng)用到復(fù)合材料加固的混凝土，證實(shí)它的可行性;對(duì)于機(jī)械領(lǐng)域，如何有效地識(shí)別出其初始微小損傷成為公認(rèn)焦點(diǎn)，Lalande利用高頻阻抗法診斷出齒輪傳動(dòng)裝置的不足，在機(jī)械構(gòu)件的損傷檢測(cè)方面是一大進(jìn)步。

壓電阻抗技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的研究和應(yīng)用的歷史只有十幾年，目前處于不成熟階段。Ayres等對(duì)大型土木結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行了研究，微小的損傷就能夠引起導(dǎo)納信號(hào)的豎向變化，能監(jiān)測(cè)初始損傷。Soh等人采用EMI技術(shù)監(jiān)測(cè)混凝土構(gòu)件中的初始損傷及損傷的發(fā)展情況;粘貼在混凝土構(gòu)件表面的壓電片對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的混凝土裂縫不敏感，對(duì)其區(qū)域附近的混凝土裂縫卻很敏感。Bhalla通過研究了鋼構(gòu)件的初始損傷診斷，表明該方法能有效地檢測(cè)到結(jié)構(gòu)的初始缺陷。Giurgiutin等利用壓電阻抗法檢測(cè)點(diǎn)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(rèn)為阻抗法是一種較為有效的非參數(shù)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，在鋁板上模擬三種破壞狀態(tài)，PZT能感知這些損傷而不需要任何的模態(tài)參數(shù)。由于環(huán)境侵害引起的材料性能退化，Tseng還用阻抗法檢測(cè)混凝土，通過有限元模型分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了阻抗法可用于混凝土損傷擴(kuò)展的檢測(cè)。Bhalla和Soh提出了等效機(jī)械阻抗概念，簡化PZT與主結(jié)構(gòu)的相互作用模型，接著又得出PZT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的耦合電導(dǎo)納表達(dá)式。隨后他們報(bào)道了通過建立結(jié)構(gòu)參數(shù)同獲取的結(jié)構(gòu)有效驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗關(guān)系的新的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，將該方法成功用于實(shí)際的鋼筋混凝土梁的損傷識(shí)別與評(píng)估，顯示其潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值。

但是，目前阻抗法還只是一種定性的檢測(cè)方法。在定量損傷識(shí)別方面，Park、Lopes等采用壓電阻抗法結(jié)合應(yīng)力波傳播方法、阻抗法結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等作了一些探索，不足之處是需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)和計(jì)算。Tebaldi等利用遺傳算法計(jì)算損傷的大小和程度，并可識(shí)別多處損傷。在解決這些問題上，嚴(yán)蔚和陳偉球考察壓電片一粘結(jié)層一主體結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，考慮軸向振動(dòng)的一維桿模型，引入剪滯模型以研究壓電片與主體結(jié)構(gòu)之間的界面特性，充分利用傳遞矩陣法進(jìn)行分析，導(dǎo)出壓電片電導(dǎo)納的解析式。為了克服EMI技術(shù)中存在的傳遞矩陣法在高頻分析中數(shù)值不穩(wěn)定的弊端，嚴(yán)蔚和陳偉球又把適合高頻分析的回傳矩陣法引入EMI技術(shù)的理論分析中，取得很好的結(jié)果。

三、壓電阻抗法在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的進(jìn)一步展望

目前壓電阻抗法的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)還處于建立基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究的階段，隨著發(fā)展的加快，將在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。根據(jù)目前整體的研究，今后主要可以從以下幾個(gè)方面展開進(jìn)一步的研究:

1、進(jìn)一步改善研究傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。盡量少使用傳感器而獲取盡可能多的結(jié)構(gòu)健康狀況信息。嘗試?yán)蒙窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺產(chǎn)算法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，以至精確定位。

2、針對(duì)系統(tǒng)集成的研究。放信號(hào)大、濾波、功效可控電源、計(jì)算機(jī)等儀器在壓電智能結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中必不可少，而在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中添加更多的輔助設(shè)備，困難較大。

3、對(duì)在線實(shí)時(shí)分析的研究。結(jié)合數(shù)值分析技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研制新的完整系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制處理電導(dǎo)納的測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和判斷與決策。

4、目前在粘貼壓電片于主體結(jié)構(gòu)表面的研究中集中較多的理論與試驗(yàn)，為了更好地應(yīng)用，應(yīng)把研究擴(kuò)展到將壓電片埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這就需要考慮壓電片在厚度方向的振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。

5、針對(duì)大型的土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)多數(shù)理論和試驗(yàn)研究往往只針對(duì)一個(gè)壓電片的情況，如何通過多組數(shù)據(jù)信號(hào)的數(shù)據(jù)融合，以更好地識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷，這值得深入研究探討。

6、土木工程結(jié)構(gòu)不僅暴露在外界環(huán)境中，而且情況復(fù)雜多變，就需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究多種外界條件對(duì)壓電阻抗技術(shù)的影響，探索新的方法。這個(gè)任務(wù)是長期的。

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