壓電智能材料用于建筑結(jié)構(gòu)健康檢測綜述

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引言

由于建筑的老齡化嚴(yán)重以及建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷無法用肉眼去觀測，使得對結(jié)構(gòu)的健康檢測越來越受到人們的重視，而目前對于結(jié)構(gòu)的檢測方法是通過X射線、聲波等作為工具來輔助人們進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的損傷識別。由于這種方法效率較低導(dǎo)致其僅適用于小型居民住宅樓或大型建筑局部損傷檢測。由于這種局限性，使得人們追求更加高效和簡便的方法去對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測成為一種需求。因此，壓電材料作為傳感器的檢測方法應(yīng)運(yùn)而生。

壓電材料具有的正逆壓電效應(yīng)使得其可以同時(shí)作為驅(qū)動器和傳感器來使用，由于其較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)力使得其性能穩(wěn)定，同時(shí)還具備了價(jià)格低廉且數(shù)據(jù)分析可以智能化等特點(diǎn)使得其發(fā)展?jié)摿^大。本文以壓電材料為主體，簡單敘述壓電材料在結(jié)構(gòu)健康檢測中的原理及應(yīng)用。

一、建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)壓電材料監(jiān)測的原理及分析方法

(一)壓電材料檢測原理

在壓電材料在結(jié)構(gòu)健康檢測原理中，主要有阻抗法和波動法兩種方法。這兩種方法都是信號處理的方法，在波動法的應(yīng)用中，壓電材料同時(shí)充當(dāng)驅(qū)動器和接收器，首先通過驅(qū)動電源將電信號輸入給驅(qū)動器后，驅(qū)動產(chǎn)生的波通過結(jié)構(gòu)傳遞給接收器，而隨著混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生損傷必然會導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，這樣勢必造成波信號的衰減，而通過分析接收到的信號衰減程度便可以判斷結(jié)構(gòu)的健康狀況。如圖1所示。

圖1 波動法示意圖

(二)信號的處理

一般情況下，通過驅(qū)動器發(fā)射一段固定頻率區(qū)間的掃頻正弦波信號來激勵壓電材料驅(qū)動器，而隨著結(jié)構(gòu)的損傷使得接收器接收到的信號衰弱，這樣直接導(dǎo)致信號的幅值會隨之減小，通過觀測信號幅值的變化可以判斷結(jié)構(gòu)從健康狀態(tài)到損傷狀態(tài)的變化情況。然而，這種對波的分析手段還不夠簡便。因此增加了能量分析的方法對采集到的信號進(jìn)行分析，這種分析方法的基本思路是將采集到的信號進(jìn)行分解，針對分解到的每層不同頻帶的信號選擇相對應(yīng)的頻譜進(jìn)行疊加，最終得到基于采集到的信號的精確的能量值。這種能量值相對于直接分析波信號來說，更加直觀更加簡潔，使得普通人在經(jīng)過簡單培訓(xùn)情況下便可進(jìn)行信號的分析。

二、壓電材料在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測上的應(yīng)用

近幾十年來，國內(nèi)外許多學(xué)者將壓電材料作為主要工具來對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行識別，并取得豐碩的成果。在混凝土結(jié)構(gòu)中，孫威等[1]為了更好了解應(yīng)力波在混凝土結(jié)構(gòu)中的衰減特性，通過試驗(yàn)并分析結(jié)果，得到了應(yīng)力波在混凝土結(jié)構(gòu)中的有效傳播公式，為壓電材料的合理布置提供了依據(jù)，隨后通過在混凝土梁兩端布置壓電智能骨料并人工切割裂縫來模擬混凝土的損傷，取得了較好的效果。殷新鋒等[2]使用壓電材料對混凝土早期強(qiáng)度、裂縫損傷均進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)壓電材料不僅能對裂縫的損傷進(jìn)行判斷，還能有效地監(jiān)測混凝土早期強(qiáng)度的變化。蒙彥宇等[3]使用壓電智能骨料測量混凝土梁在各受力階段純彎段的混凝土破壞特點(diǎn)及裂縫的開展程度。趙曉燕等[4]通過自制的壓電材料傳感器來對混凝土的裂縫產(chǎn)生過程進(jìn)行檢測，將得到的損傷指數(shù)與應(yīng)變片測量的數(shù)值進(jìn)行對比，結(jié)果吻合良好。

在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，壓電材料也展現(xiàn)強(qiáng)大的功能，Xu等[5]通過人工模擬缺陷，并以壓電材料為傳感器，通過檢測應(yīng)力波的變化來判斷鋼管與混凝土之間的界面剝離狀況，試驗(yàn)結(jié)果表明這種方法的有效性。而蔡萍等[6]也進(jìn)行過類似地試驗(yàn)，通過在鋼管內(nèi)壁粘貼各種干擾材料(環(huán)氧樹脂、亞克力等)來模擬鋼管和混凝土之間的界面剝離，同時(shí)以干擾材料的厚度的不同來模擬剝離損傷程度的不同，結(jié)果均表明剝離損傷程度越大，接收到的應(yīng)力波信號越小。

三、壓電材料的不足之處

目前基于壓電材料的健康監(jiān)測無論是基于波動法還是阻抗法，均需要一個(gè)初始狀態(tài)作為參照物去評價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷。倘若結(jié)構(gòu)從最初就存在一個(gè)裂縫，這種損傷是無法被檢測到的。同時(shí)，由于壓電材料的特性，使得其必定需要通過導(dǎo)線來與驅(qū)動裝置和收集裝置相連接，這會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)走線繁瑣，安裝起來麻煩。因此，壓電材料真正意義上應(yīng)用到實(shí)際工程檢測中，還有很長的路要走。