压电智能骨料激励应力波在混凝土中传播规律*

郑合营侯爽

（1.大连理工大学土木工程学院2.华南理工大学亚热带建筑科学重点实验室）

压电智能骨料激励应力波在混凝土中传播规律*

郑合营1侯爽2

（1.大连理工大学土木工程学院2.华南理工大学亚热带建筑科学重点实验室）

由于压电智能骨料（SA）的敏感元件PZT具有正逆压电效应，因此其在混凝土损伤监测中既可用作传感器又可用作驱动器。本文通过试验方法研究了应力波在混凝土中的传播规律。在素混凝土构件内部沿长度方向在截面中心位置等间距布置了8个SA，分别采取敲击和对SA施加交变电压2种方法在混凝土中产生应力波。研究表明，应力波在混凝土中传播过程中呈线性衰减，SA激励应力波的有效传播距离不小于3.5 m。

压电智能骨料；应力波；调制脉冲；混凝土结构

0 引言

近年来，建筑业已成为我国国民经济快速增长不可或缺的重要力量，而混凝土材料以其优越的性能被广泛用于各类工程结构的建设，其结构类型已开始向大型化、复杂化的方向发展。诸如高层建筑、地下大空间结构以及大跨度桥梁等大型混凝土结构不断涌现。然而，在混凝土结构施工和正常使用过程中，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应等因素的耦合作用，不可避免会产生裂缝等潜在损伤，而这些损伤会在一定程度上导致结构可靠性降低，甚至造成工程事故，危害国家及人民生命财产安全。因此，有必要对混凝土结构采取适当的监测措施，以消除可能出现的安全隐患[1]。目前，针对混凝土结构的检测技术已有很多[2]，如光纤传感器监测法[3]、超声检测法[4]、射线法[5]及声射法[6]等。

压电陶瓷材料（PZT）是近年来逐渐受到重视的智能材料之一，它具有集传感与驱动功能于一体的优越性，且具有响应速度快、造价低廉、易于加工、结构简单、能耗低、线性好、可靠性好等特点，为土木工程结构健康监测提供了新的方法，具有巨大的应用潜力[7-10]。相关研究表明：混凝土材料出现裂缝后应力波传播的能量显著衰减[11-12]。本试验采用的压电智能骨料（smart aggregate，SA）[13]由上下两块厚度为12 mm花岗岩和中间一片厚度为0.3 mm的PZT片组成，尺寸为25 mm×25 mm×25 mm，可将其等效为一个粒径为25 mm的石子。试验中将SA埋入素混凝土试块内部，分别通过外部敲击和SA自激励2种方式在混凝土中产生应力波，通过SA对应力波的传播过程进行监测，进而研究应力波在混凝土中的传播特性。

1 试验概况

试验试件为素混凝土试块，尺寸如图1所示，构件长为1600 mm，横截面尺寸为400 mm×400 mm。沿长度方向在试块截面中部布置8个压电智能骨料，间隔200 mm，记为SA1~SA8。试件制作过程中，用细铁丝将SA绑扎在两边的木模具上，以固定其位置，如图2所示。在模中浇筑混凝土，并振捣密实，混凝土等级为C30，骨料最大粒径30 mm。试件养护成型后，经检测除SA8外，其余各SA工作正常。

2 外部敲击试验

通过敲击试块左端截面中心位置研究应力波在混凝土中的传播及衰减规律。利用SA监测敲击引起的应力波过程。敲击瞬间在敲击点产生应力波并在试块中传播，图3为一次敲击后各SA监测到的信号，其首波部分如图4所示。选取SA1做参照，对比应力波波峰到达各SA的时间及其与SA1的距离（见图5）可确定应力波的波速为3500 m/s。敲击时由于惯性效应在敲击点附近会产生较强的侧向约束，引起SA1处监测的首波幅值远大于其余SA。因此，研究应力

波衰减时去掉SA1的结果，而取SA2至SA7的幅值进行对比。本文取5次撞击的归一化的结果，如图6所示。由图6可知应力波在混凝土的传播呈线性衰减规律，1 m的距离内应力波幅值衰减34%。

图1 试验尺寸及SA布置图

图2 SA布置及试块照片

图3 敲击试验信号

图4 首波局部放大图像

图5 撞击瞬间各SA的应力峰值所用时间（相对SA1）

图6 应力波幅值衰减规律及其拟合拟线

3 SA自激励应力波传播试验

为研究SA自激励应力波在混凝土中的传播规律，试验通过SA阵列监测应力传播过程。对激励SA施加高斯调制脉冲，如式(1)所示。

其中，i表示虚数单位；ω=2π f，f为中心频率；τ表示脉冲宽度。本试验中SA1作为激励SA，激励中心频率取30 kHz，脉冲宽度取20 kHz，激励信号如图7所示。

图7 (a)激励信号

图7 激励信号波形及频频

试验布置如图8所示，激励信号由任意波形函数发生器激发，幅值为±5 V，经功率放大器放大后为±45 V，数据采集设备选用NI USB 6366模块，通过Labview软件编程采集并存储信号数据，信号采样速率为1 MHz，试验噪声水平为0.15 mV。

图8 SA自激励应力波传播试验测试图

图9为1.5 ms内各SA分别监测到的应力波过程。接收信号的波形与发射信号波形显著不同，表现为多波形的叠加，且SA接收信号的峰值并未随距离增加而衰减。这是由于应力波在混凝土内部及边界的折射和反射引起的。不同位置应力波的叠加模式不同，例如SA4和SA5接收信号的峰值最大，而SA2、SA6和SA7接收信号峰值接近。各SA信

号在混凝土试件中的传播时间可达1 ms以上，由此可计算得到应力波在混凝土中传播的有效距离不小于3.5 m。

图9 压电智能骨料激励应力波

4 结论

本文通过试验方法研究了SA激励的应力波在混凝土中的传播规律。在素混凝土构件内部布置了8个SA，分别采取敲击和对SA施加交变电压2种方法在混凝土中产生应力波。研究结果表明：

1)应力波在混凝土中传播时应力波幅值呈线性关系衰减，1 m的距离内衰减约34%；

2)应力波在混凝土中传播的波速为3500 m/s；

3)压电智能骨料激励应力波在混凝土中的有效传播距离在3.5 m以上。

[1]李宏男,李东生.土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断述评[J].地震工程与工程振动,2002,22(3):82-90.

[2]吴新璇.混凝土无损检测技术手册[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]毛江鸿,崔磊,金伟良,等.基于分布式光纤传感的混凝土裂缝识别与监测试验研究[J].传感技术学报,2014,27(9): 1298-1304.

[4]CECS 21:2000超声法检测混凝土缺陷技术规程[S].

[5]程和森,王守家,曹更新,等.中子法无损检测水力发电站转轮室钢衬混凝土脱空缺陷[J].同位素,2003,16(3-4): 138-142.

[6]纪洪广.混凝土材料声发射性能研究与应用[M].北京:煤炭工业出版社,2003.

[7]周智,欧进萍.土木工程智能健康监测与诊断系统[J].传感器技术,2001,20(11):1-4.

[8]Yan S,Zhang H.Numerical analysis and control for cantilever flexible beams using PZT patches[C].San Diego: 2008.

[9]孙明清,李卓球,候作富.压电材料在土木工程结构健康检测中的应用[J].混凝土,2003(3):22-24.

[10]李宏男,赵晓燕.压电智能传感结构在土木工程中的研究和应用[J].地震工程与工程振动,2004,24(6):165-172.

[11]Gu H,Song G,Dhonde H,et al.Concrete early-age strengthmonitoringusingembeddedpiezoelectric transducers[J].Smart Materials and Structures,2006,15(2): 1837-1845.

[12]Song G,Gu H,Mo Y L,et al.Concrete structural health monitoring using embedded piezoceramic transducers[J]. SmartMaterialsand Structures,2007,16(4):959-968.

[13]SongG,GuH,MoYL.Smartaggregates: multi-functional sensors for concrete structures—a tutorial and a review[J].Smart Materials and Structures, 2008,17(3):847-854.The Stress Wave Propagation Characteristic of Piezoelectric Smart Aggregate Excitation for Concrete Structures

Zheng Heying1Hou Shuang2
(1.School of Civil Engineering,Dalian University of Technology 2.School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology)

Smart Aggregate can serve as both a sensor and an actuator in the monitoring of concrete damage because its sensitive element PZT has both the positive and the inverse piezoelectric effects.This paper studied the propagation pattern of stress wave inside the concrete material.In the center position of cross-section along the length direction 8 SAs were deployed equidistantly inside a plain concrete structure.Stress wave was generated inside the concrete by both punching and applying alternating voltage on SAs separately.The study indicated that the propagation pattern of stress wave display linear decline the distance during transmitting and that the effective transmission length is not less than 3.5 m.

Smart Aggregate;Stress Wave;Modulated Pulses;Concrete Structure

国家重点基础研究发展计划（973计划2015CB057704）

郑合营，男，1989年生，硕士研究生，主要研究方向：混凝土结构健康主动监测。

侯爽（通讯作者），男，1977年生，博士，副教授，主要研究方向：钢筋混凝土结构地震损伤监测。E-mail:cthous@scut.edu.cn