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1、参考文献 I 林豹f 广荣射巍作用下吸气蔼动建度丹$ 计算研究通风障尘1 9 9 2 N 0 2 1 5 幻师奇盛赛他* ，# 曩口D 技术厦其应用，2 0 0 5 年第6 期1 4 一1 7 3 赵军- 靖F L U E N T # t j i 铆域中应用制降与空月2 0 0 3 年第1 期1 51 8 作者介绍 i 女1 9 8 1 7 月2 1 日，H 建女手* 克 向* 自空# 十 、j 主谎j 玺硅碹卑壬毒砖 ( 沈阳建筑大学土木王程学院、1 1 0 1 6 8 辽宁地质王程勘奁施工集圜n 豳1 1 0 0 3 2 ) 摘要 随着土未工程结构的日益大型化，复杂化已有建乳结构的老龄化-
2、 使得对其迸行宴时在袅 健康监测越来超重要。随着信息技术，新材辩技术和计算机技术向土木I 程领域的强力渗透使得智能材 料应用干谖领域成为各国学者的研究热点。智能材科中常用于土木工程结构的功能材料主要有形状记忆合 垒( s M A ) 、压电材料( P z T 和P V D F ) ，电流壹藏( E R F ) 榷流变液 M R F ) 鞋致伸缩材料等。这些 琦蓖材抖軎有优缺点，而压电材# 以其柱特的优点在土木工程结构十褥到7 广连曲应用丰支简要舟鳝压 电智能材料的力学特性啦及在土木工程结相中的一些应用及相关研究。指出T 在研究与直用过程中存在的 一些阿是，展望T 夸后的发展前景并提出7 一些建
3、议性意见 美量词 压电土木智能材料 随着世界经济的发展，大型土木工程结构和基础设施，如桥桀、超商层建筑，太跨空间结构，大型水 坝、棱电站、海洋采油平台以及输油，供水，供气等管阿系统其服役期一般都长达数十年甚至上百年。 由于环境载荷作用，疲劳效应、庸蚀效应和材料老化等不利因索的影响，结构将不可避免地产生损伤积 累、抗力衰硪甚至导致突发事故已建成使用的许多结构和设施急需采用有效的手段监测，评定其安全 状况、修复和控制损伤智能材料结构在一定程度上满足了这方面的要求。智能材料是指对环境具有可感 知、可响应，并具有功能发现能力的新材料u J 。 智能材料结构是将驱动件和传感元件紧密融合在结构中同时也将控
4、制电路、逻辑电路、信号处理、 功率放大器等集成在结构中，通过机械、热、光、化学、电，磁等激励和控制，使智能材料结构不仅具有 承受荷载的能力。还具有识别、分析、处理及控稿等多种功能，井能进行散据的传辖和多种参数的检涮 而且还能动作从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增值、自衰减等能力。但 土木工程结构和基础设施体积太、跨度长、分布面积大、使用期限长t 传统的传感设备组成的长期监测系 统性能稳定性和耐九性都不能很好的满足工程的实际需要。近年来发展起来的高性能、大规模分布式智能 传感元件为土木工程智能监测系统的发展提供了基础o 。压电陶瓷材料以其成本低、响应快、结构简单、 可靠性
5、好等优点而得以在结构损伤诊断和健康监谢中广泛应用本文简要介绍了压电智能材料的力学特性 及其在土术工程结椅健康监测与损伤诊断中的应用 I 压电智能材料 1 1 压电效应 1 8 8 0 年法国 居里兄弟发现了“压电效应”- 即当压电材辩受到机械变形时有产生电势的能力；对 伪 它施加电压时，有改变压电元件尺寸的能力。 压电元件既能当智能结构中的驱动元件，又能作为传感元件。它具有压电效应，对压电元件施加机械 变形时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生电的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相 反的束缚电荷，而且电荷密度与外力成比例，这种现象称为正压电效应，正压电效应反映了压电材料具有 将机械
6、能转变为电能的能力。检测出压电元件上的电荷变化，即可得知元件或元件埋入处结构的变形量， 因此利用正压电荷变化效应，可以将压电材料制成传感元件。反之，施加激励电场，介质将产生机械变 形，称逆压电效应。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转变成机械能的能力，利用逆压电效应，可以 将压电材料制成驱动元件，将压电元件埋人结构中，可以使结构变形或改变应力状态【3 。 1 2 压电材料 压电材料机一电耦合的本构方程反映了压电材料对电能与机械能进行相互转换的能力关系 D E T E + d T ( 1 ) S s E T + d E( 2 ) 式中，S 为产生的应变向量( 6 1 ) ，D 为产生的电位移(
7、3 1 ) ，S 6 为电场强度为零时材料的柔度 系数( 6 6 ) ，T 为应力向量( 6x1 ) ，E 为外加电场强度( 3 1 ) ，d 为压电系数( 6 3 ) ，T 为介电常 数矩阵( 3 3 ) 。 表征压电效应的主要参数包括压电常数、介电常数和弹性系数等材料，还有介质耗损、机械品质因 数、机电耦合系数及频率常数等表征压电元件的参数。 随着压电材料制备与应用技术的长足发展，压电材料的性能越来越优越，如压电陶瓷( P i e z o c e r a m i t s ) 。它与压电单晶相比具有很多优点，如制备容易，可制成任意形状和极化方向的产品，耐热、耐湿， 并且通过改变化学成分，可得
8、到适于各种目的的材料。压电材料具有以下优点“ ： ( 1 ) 具有正逆压电效应，既可作传感器又可做执行器，而且二者常集成在一起使用。 ( 2 ) 频率响应范围宽，一般在1 5 1 0 4 H z 。 ( 3 ) 具有较好的线性关系。 ( 4 ) 输入、输出均为电信号，容易实现测量和控制。 ( 5 ) 功耗低。做驱动器时其所需激励功率小。 ( 6 ) 易加工成薄片状，特别适用于柔性结构。既可以贴在结构物的表面，又可埋入结构构件中。 ( 7 ) 在柔性结构的控制中，作传感器时不需要参考点，作执行器时不需要支承点。 ( 8 ) 压电材料的制备技术日趋完善和成熟。 2 压电材料在土木工程中的应用介绍
9、智能材料的研究也为土木工程领域注入了新的活力和内容，目前的应用研究主要在3 个方面【5 ： ( 1 ) 结构的健康监测( 将智能材料集成在土木结构中，利用其构成的网络对结构的裂缝、变形、损 伤、疲劳、温度、腐蚀等状态进行实时监测) 。 ( 2 ) 结构的自增强、自适应( 裂缝的主动控制、裂缝自愈合、温度自调节、变形控制等) 。 ( 3 ) 结构的减振控制。 本文从土木工程健康监测的角度，评述压电智能材料的研究应用状况及发展趋势。 传统的检测手段( 如人工目测法) 和无损检测技术( 如超声波技术、声发射技术、X 一射线技术等) 均属于结构局部损伤检测方法，难以预报结构整体的性能退化，无法实现“结
10、构损伤诊断和健康监测”【6 。 结构损伤诊断和健康监测技术是基于智能结构的思想发展起来的现场监测技术，近年来出现的一批新型智 能传感元件，如光导纤维、疲劳寿命丝( 箔) 、压电材料、碳纤维与半导体材料等，为结构损伤诊断与健 康监测注入了新的活力。基于压电智能材料的结构损伤诊断与健康监测，克服了传统传感器监测的不足， 不但能够灵敏地检测到损伤的产生，而且能够定位损伤并表征损伤程度。 4 2 6 压电陶瓷传感器以其成本低、响应快、结构简单、可靠性好等优点而得以广泛应用，并且能实现对结 构状态的在线监测。近年来，国内外研究提出的基于压电传感器的损伤诊断方法主要分为以下2 种：机械 阻抗法和动力参数分
11、析方法。 2 1 机械阻抗法 压电阻抗技术利用基于全局的振动对结构局部损伤进行实时检测。特别是对局部初始损伤很敏感 7 。 很多学者在此方面做出大量研究，L i a n g 等人首先从理论上分析了P Z T 与结构构成的单自由度弹簧一质 量一阻尼系统模型，推导出了P Z T 动态机械阻抗与结构机械阻抗之间的关系，并以悬臂梁为对象进行了 实验验证。接着L i a n g 和S u n 等人研究了P Z T 耦合结构机械电阻抗问题，分析了结构机械阻抗变化对 P Z T 电阻抗的影响，通过阻抗传递完全模型的测试，证明阻抗频率响应函数也可以表征系统结构的动态 特性；之后，J o h n ，R o g
12、e r s 和C h a u d h r y 等人利用一些简单的结构为对象对P Z T 电阻抗与结构机械阻抗的 关系进行了实验研究，证实了这种利用分析P Z T 阻抗变化来检测结构损伤的方法是可行的。E s t b a n 应用 应力波技术在理论研究得出压电阻抗传感器能感应到的范围与结构和所采用的材料密度密切相关的结 论引。 我国在智能材料结构方面的研究起步比较晚，在阻抗法结构健康监测技术方面的研究更是刚刚开始。 在2 0 世纪9 0 年代后期，西安交通大学、南京航空航天大学智能材料与结构研究所、重庆大学、东北大学 等一些高等院校与研究所也相继开展了用于结构健康监测的压电阻抗技术方面的研究工作
13、，对简单结构的 裂纹、螺栓松动等健康状况进行了监测和诊断，取得了初步的研究成果。 2 2 动力参数分析方法 4 通过贴于结构上的压电驱动器产生激励，由压电传感器接收信号，将所得到的结构模态参数( 振型， 模态频率，阻尼，刚度等) 或响应曲线( 频域响应，时域响应，频响函数等) 同未损伤状态结构参数相比 较，进行检测。 W a n g 等人研究开发出检测钢筋混凝土健康状态的植入式压电陶瓷传感器网络系统。 S a a f i 等人提出了对混凝土结构进行主动监测的健康监测系统，该系统由贴于结构表面或植入结构内 部的压电陶瓷换能器阵列组成。 3 研究展望 压电材料是目前智能结构系统研究中应用最多的一种
14、传感和驱动材料，应用前景广阔，研究成果丰 富。但压电智能结构还未实现工程实用化，理论仿真多试验验证少。目前的研究对象以简单的板梁结构较 多，对复杂结构的研究还相当欠缺，在实际工程中应用的报道更少。因而，在进行理论研究的同时，还应 加强实验研究和工程实用方面的探索，主要包括： ( 1 ) 压电材料驱动力较小，虽然国外已用压电堆技术来弥补这一缺点，但对于大型土木工程结构来 说，其直接应用尚存在不少问题，如理论分析比较复杂，结构与控制系统的集成技术较难实现，经济高效 的压电驱动器的制备技术与设计方法比较困难等。 ( 2 ) 信号信息测量精度与动态范围。 ( 3 ) 加强传感器的优化布设研究。 ( 4
15、 ) 进行压电智能结构的可靠性和稳定性研究。 参考文献 1 刘勇，魏泳涛智能材料在土木工程中的应用西南交通大学学报 J 。2 0 0 2 ；3 7 ( 1 ) ：1 0 5 1 0 9 I - z 3 欧进萍，关新春土木工程智能结构体系的研究与发展 J 地震工程与工程振动。1 9 9 9 ；1 9 ( 2 ) ：2 1 - 2 8 3 3 陶宝棋熊克等智能材料结构 M 北京：国防工业出版社1 9 9 7 4 2 7 1 4 3 $ 男晓燕E 电智能传感结构在 I E 中“ R 月 J 震I E 与I 释擐动2 0 0 4 ；2 4 ( 6 ) 1 6 5 一i7 2 钓亲周d 任伟新R 敏丰I
16、 程结柯掼伤谚目研究进口 丰I 程学报2 0 0 33 6 ( s ) ，1 0 5 1 1 0 6 3 $ 月车井丰I 结构安全性评怙、n 靡监目& 诊断* W j 1 8 目I 动- 2 0 0 2 2 2 ( 3 ) 一8 2 4 9 0 7 P a r kG ，c n c yH H 1 埘F s i b i l i t yo f 吲呀i m p e d a n c e b a M dd a m a g e n Ib rp i p e l i n eS 【U C t U E e S 门 b r l h q u a k eE a g i n e e r i n ga n dS Tr “u r a lD y n a m i c s 2
