基于压电陶瓷的应力测量和混凝土构件的损伤识别研究

摘要

伴随着我国经济的飞速发展，我国正进行着大规模的基础设施建设，各种大型复杂结构不断出现，但由于工程结构材料的老化、使用环境等因素的影响、缺乏正常的维护，大量的民用和工业建筑以及各种基础工程设施在其生命周期内不可避免地存在着损伤的累积和性能退化，在地震和强台风等极端荷载作用下可能失效进而引发突发性灾难。因此，对土木工程结构的强动力荷载作用后的性能进行监测和评估成为土木工程领域的研究热点之一。此外，土木工程结构在不同的荷载作用下的应力的测量一直是土木工程领域所关心的重要问题之一，可靠的应力测量手段的研究和开发对土木工程研究以及结构性能评估均具有重要意义。
　　 压电陶瓷(Lead Zirconate Titanate，PZT)材料由于其具有响应速度快、频响范围宽、线性关系好、容易剪裁加工成型且价格低廉，以及所特有的可以同时作为传感和作动特性的优点，成为一种智能材料在土木工程领域有着良好的应用前景。本文基于压电陶瓷开发了动力和准静力荷载作用下混凝土结构应力测量技术以及混凝土构件的损伤监测方法。
　　 本文的主要内容如下：
　　 1.在简要论述土木工程结构健康监测的目的和意义的基础上回顾了健康监测中的损伤诊断方法，详细地介绍了智能材料和结构系统，并重点论述了基于压电陶瓷的健康监测研究的进展。
　　 2.在介绍压电材料的基本特性和本构理论的基础上，阐述了基于压电陶瓷应力传感器的构造方法、测量原理、测量电路以及测量设备，为传感器的制作与标定试验做准备。
　　 3.开发了适用于混凝土结构的基于压电陶瓷的应力传感器，详细介绍了其制作方法。为了对传感器用于动力荷载作用下的应力测量性能进行研究，设计制作了一台小型落锤冲击试验机，对压电陶瓷应力传感器的灵敏度进行了标定。同时，尝试使用机械式千斤顶对自制压电陶瓷应力传感器用于准静应力测量进行了标定，表明自制的压电应力传感器用于动应力以及准静力应力测量的可行性。
　　 4.开展了基于小波包能量分析的在钢筋混凝土柱和剪力墙构件损伤主动识别研究。在介绍小波包分析法的相关理论的基础上，运用自制的基于压电陶瓷的智能骨料，对钢筋混凝土柱和剪力墙构件中进行了基于波动法的主动监测，结果表明基于压电陶瓷的智能骨料可以对混凝土结构的损伤进行有效监测。