压电阻抗法及用于土木工程结构健康监测中的研究

宋霞萍

（浙江乔兴建设工程有限公司，浙江 湖州 313000）

在科学技术和工业不断发展的今天，机械、建筑、军事、航空航天、核反应堆等工程结构，在服役期内的安全性和可靠性越来越受到人们的重视；正确评价服役期内结构的性能和状态，是保证结构安全可靠工作的基本前提；当今社会所关心的焦点就是定期监测这些结构的安全性以及评估工程结构在地震、火灾等重自然灾害后的损伤程度；目前我国土木工程事故频繁发生，造成了多方面的损失。越来越多的重点工程结构中开始采用一定的实时监测手段和损伤识别技术来诊断和评估结构的服役期内的安全状态，避免事故发生。大型结构的迅速发展以及重大工程事故的频发需要提高防灾减灾的意识，对结构健康监测和损伤识别提出了客观上的要求。

一、压电阻抗法基本原理

在结构诊断上，最常用的就是阻抗法，它采用的是压电材料机电耦合效应。其原理是：结构在某种状态时，其机械阻抗是恒定的。结构的状态一旦生变化，其机械阻抗也就会发生一定的改变。所以，可以借助测量结构的机械阻抗值来考察该结构是否出现问题，达到对结构健康状态监测的目的。

间接测量结构的机械阻抗的方法就是通过测量贴在结构表面的压电片的电阻抗。对那些粘贴在结构表面的压电片施加一定量的交流电场，产生机械振动的那些压电片，就会带动本体结构产生振动。本体结构的机械振动又将反作用于压电片，机械振动就能够使压电片产生电响应，自然就会表现为电阻抗的一些变化，结构损伤状态的信息就包含在压电材料电阻抗的信号中。通过与结构在无缺陷时的电阻抗信号进行比较，可以诊断结构的损伤情况。因此，可以说本体的结构损伤能够引起导纳信号的改变。在此之后，又有许多学者对不同边界条件下的导纳表达式进行了推导。

二、压电阻抗法在土木工程结构健康监测中的研究进展

压电阻抗技术运用于结构健康监测方面，是利用基于全局的振动来检测结构局部损伤的新技术。压电阻抗法是近年来才发展起来的结构损伤检测的一种新方法。1993年新提出的智能结构的压电阻抗分析法，从理论层面上分析了压电材料与结构系统构成的单自由度弹簧一质量一阻尼系统(SMD)模型，得出了压电材料动态机械阻抗与结构机械阻抗的关系，并借助悬臂梁的实验对其进行了验证;压电材料与结构耦合电阻抗的理论推导出压电材料驱动的忽略横向变形的一维SMD系统的耦合电导纳表达式，分析了结构机械阻抗变化对粘贴在主体结构表面的压电材料电导纳的影响;Sun根据耦合电阻抗提取自由的柔性梁的固有频率，得到的试验结果与理论值非常接近;随后，Rogers，Ayre等人利用简单的结构对压电材料电阻抗与结构机械阻抗的关系进行了试验研究，证实了它的可行性。Chaud最早将压电阻抗法使用在航空结构的损伤检测，Castanien提出交叉耦合电导纳概念，并利用统计方法分析耦合电导纳的变化识别了飞机机身的损伤；Giurgiutin用压电阻抗法对以陈旧的航空结构进行了评估，显示出其在航空领域损伤检测的广阔前景;Lalande，Kohetal等分别研究了复合材料修复层和复合粘结智能结构的损伤识别情况，Raju和Saffi将其成果分别应用到复合材料加固的混凝土，证实它的可行性;对于机械领域，如何有效地识别出其初始微小损伤成为公认焦点，Lalande利用高频阻抗法诊断出齿轮传动装置的不足，在机械构件的损伤检测方面是一大进步。

压电阻抗技术在土木工程结构健康监测中的研究和应用的历史只有十几年，目前处于不成熟阶段。Ayres等对大型土木结构损伤进行了研究，微小的损伤就能够引起导纳信号的竖向变化，能监测初始损伤。Soh等人采用EMI技术监测混凝土构件中的初始损伤及损伤的发展情况;粘贴在混凝土构件表面的压电片对远场的混凝土裂缝不敏感，对其区域附近的混凝土裂缝却很敏感。Bhalla通过研究了钢构件的初始损伤诊断，表明该方法能有效地检测到结构的初始缺陷。Giurgiutin等利用压电阻抗法检测点焊接头的疲劳损伤，从阻抗谱中提取的损伤因子随疲劳裂纹的增加而增加。Tseng认为阻抗法是一种较为有效的非参数结构损伤检测方法，在铝板上模拟三种破坏状态，PZT能感知这些损伤而不需要任何的模态参数。由于环境侵害引起的材料性能退化，Tseng还用阻抗法检测混凝土，通过有限元模型分析和实验数据对比，验证了阻抗法可用于混凝土损伤扩展的检测。Bhalla和Soh提出了等效机械阻抗概念，简化PZT与主结构的相互作用模型，接着又得出PZT驱动系统的耦合电导纳表达式。随后他们报道了通过建立结构参数同获取的结构有效驱动点阻抗关系的新的结构损伤检测方法，将该方法成功用于实际的钢筋混凝土梁的损伤识别与评估，显示其潜在的巨大应用价值。

但是，目前阻抗法还只是一种定性的检测方法。在定量损伤识别方面，Park、Lopes等采用压电阻抗法结合应力波传播方法、阻抗法结合人工神经网络分析等作了一些探索，不足之处是需要大量训练数据和计算。Tebaldi等利用遗传算法计算损伤的大小和程度，并可识别多处损伤。在解决这些问题上，严蔚和陈伟球考察压电片一粘结层一主体结构耦合系统的动力响应，考虑轴向振动的一维杆模型，引入剪滞模型以研究压电片与主体结构之间的界面特性，充分利用传递矩阵法进行分析，导出压电片电导纳的解析式。为了克服EMI技术中存在的传递矩阵法在高频分析中数值不稳定的弊端，严蔚和陈伟球又把适合高频分析的回传矩阵法引入EMI技术的理论分析中，取得很好的结果。

三、压电阻抗法在土木工程结构健康监测中的进一步展望

目前压电阻抗法的结构健康监测技术还处于建立基础理论和实验研究的阶段，随着发展的加快，将在工程领域广泛应用。根据目前整体的研究，今后主要可以从以下几个方面展开进一步的研究:

1、进一步改善研究传感器的优化设计。尽量少使用传感器而获取尽可能多的结构健康状况信息。尝试利用神经网络、遗产算法对实验数据进行综合处理，以至精确定位。

2、针对系统集成的研究。放信号大、滤波、功效可控电源、计算机等仪器在压电智能结构的实验系统中必不可少，而在实际工程结构中添加更多的辅助设备，困难较大。

3、对在线实时分析的研究。结合数值分析技术和现场测试，研制新的完整系统，由计算机进行控制处理电导纳的测量、数据采集、数据处理和判断与决策。

4、目前在粘贴压电片于主体结构表面的研究中集中较多的理论与试验，为了更好地应用，应把研究扩展到将压电片埋入结构内部，这就需要考虑压电片在厚度方向的振动和弯曲振动。

5、针对大型的土木工程结构的健康监测多数理论和试验研究往往只针对一个压电片的情况，如何通过多组数据信号的数据融合，以更好地识别结构损伤，这值得深入研究探讨。

6、土木工程结构不仅暴露在外界环境中，而且情况复杂多变，就需要进行系统的研究多种外界条件对压电阻抗技术的影响，探索新的方法。这个任务是长期的。

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[3]徐树柏.层次分析法原理[M].天津大学出版社，1988.

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