华中科技大学硕士学位论文结构损伤检测PZT阻抗法的理论与试验研究姓名：徐茂华申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：朱宏平20051025华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 土木工程结构在遭受自然灾害或达到一定服役期后，构件的刚度与强度特性与设计时相比发生了变化，这些变化累积到一定程度将导致结构发生破坏，甚至出现安全事故，因此，如何有效、便捷地检测这些变化，及时对结构健康状况作出诊断显得尤为重要。论文在国家自然科学基金(No.50378041)的资助下进行了基于压电阻抗的结构损伤检测的理论与试验研究。 论文首先概述了传统结构损伤检测方法的研究状况，并指出它们的不足和难以解决的问题，介绍了基于压电阻抗的结构损伤检测新方法，论述了该方法的国内外研究进展， 并与几种主要的传统损伤检测方法作了对比。 然后介绍了 PZT 阻抗法用于结构损伤检测的基本理论， 包括智能材料与结构的概念、 特点和 PZT 在智能结构中的应用；压电振动的相关基本理论，PZT 与结构耦合电阻抗的推导。最后运用两个试验验证了PZT 阻抗法应用于结构损伤检测的有效性，即四种不同支撑条件下钢梁的损伤检测试验和龄期内的混凝土立方块强度跟踪试验。 试验结果表明： 运用 PZT 电导纳频谱曲线的变化规律能够很好地检测出钢梁损伤的出现，运用损伤健康指数可以定性地评价三种损伤工况下钢梁的损伤程度， 同时 PZT 电导纳频谱曲线图的变化能够明显反映钢梁质量和支撑条件的变化；混凝土立方块龄期内强度（弹性模量）的变化规律与 PZT 电导纳频谱曲线的变化规律相类似，并与传统试验结论相吻合。 作为一种新的损伤检测方法，压电阻抗法还处于发展阶段，离大规模的工程实际应用尚有一定距离，今后还需对压电阻抗法在更复杂结构损伤的类型、尺寸、位置确定等方面作更深入的研究， 同时对于 PZT 电导纳与龄期内混凝土强度的严格关系有待进一步研究。 关键词：关键词：损伤检测 PZT 阻抗法 裂纹钢梁 智能材料结构 混凝土强度 I华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract The characteristics of stiffness and strength in components change a lot compared with those at the design state. When the structure suffer the natural catastrophe or sustain for a long time, the damage will occur in the structure, evenly result in safe emergency because of the accumulation of damage, thereby, studying the method which can succeed in detecting the change of structural parameters efficiently and conveniently, furthermore evaluate the health condition of structures in time would be very important. Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.50378041) the thesis has studied theoretically and experimentally the piezo-electricity (PZT) impedance method in structural damage detection. Firstly, in this thesis the traditional methods to detect structure damage are discussed, the merits and the defect are pointed out. The new method using the PZT impedance method to detect the structural damage is also introduced, emphasis has been paid on the comparison of the PZT impedance method and the other main traditional methods. Then, the basic theory of the application of the PZT impedance method in structural damage identification is analyzed which includes the notion and feature of the intelligent material, the application of PZT in the intelligent structure, the basic theory of piezo-electricity vibration and the deduction the relation between PZT and the structure coupling electrical impedance. Finally, the effectiveness of the proposed PZT impedance method used in the structural damage detection has been verified by two kinds of experiments, i.e., the damage detection of steel beams with four various support conditions in three damage states and the age strength tracing of a concrete cubic block. The experimental results reveal that analyzing the varying rules of piezo-electricity admittance spectrum curves can judge whether the steel beam damages or not, and the damage magnitudes of the steel beam in three damage states are quantitatively identified by using a damage condition factor. It can be also found from the experiment that the various strength regulation (Youngs modulus) of the concrete cubic block in age can traced by the spectrum curve of the PZT piezo-electricity admittance, which is coincidence with the conclusion by traditional method. As a new damage detection method, the PZT impedance method is developing, and much endeavor needs to be done for its application in practice. Thus, further research is required concerning the utilization of the PZT impedance method in the type, dimension, II华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 position localization of the complicated structure, meanwhile the further research regarding the strict relation between PZT piezo-electricity admittance and the age strength of concrete is needed. Keywords: damage detection PZT impedance method cracked steel beam smart material and structure strength of concrete III华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪绪 论论 1.1 课题背景课题背景 地震、洪水、台风等严重自然灾害的频繁发生使得人们对土木工程结构的安全性感到普遍的担忧，载荷状况的变化、环境和使用年限的影响也使结构的安全性大为减弱，还有一些人为的爆炸等破坏性行为，如美国世贸大厦倒塌及对周围建筑物的影响更加剧人们对土木结构安全性的忧虑。因此，对工程结构进行损伤检测和健康状况评估显得非常迫切。目前发达国家非常重视这一问题，投入了大量的人力、物力和财力用于该领域的研究，以桥梁为例：据美国交通部的统计，每年约有 200, 000 座桥梁会发生性能退化或失效，政府每年以 70 亿美元的投入用于这些桥梁的检测和评估；而加拿大则每年有这样的桥梁 30, 000 座。近些年随着经济的发展，我国大力投资基础设施建设， 各类土木工程结构应运而生， 由于自然灾害的影响或施工质量达不到要求，结构存在一定安全隐患，另外，我国在五六十年代修建的多数重大工程结构目前正逐步进入设计寿命的服役中期或后期，在其使用期间，由于环境荷载的作用、疲劳效应以及腐蚀和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤累积和抗力衰减，甚至产生突发事故。 因此，及时而又准确地对这些结构进行损伤检测和健康状态评估，能有效地保证土木工程结构的安全性，具有十分重要的社会和经济价值。 1.2 土木结构的损伤检测方法现状土木结构的损伤检测方法现状 目前，很多的结构损伤检测方法应用到各种土木工程结构或它们的构件中，这些损伤检测方法整体上可以分为两类：即静态检测方法和动态检测方法1。其中静态检测方法有经典的静态应变（或位移）测试法、目测法和局部无损检测方法，如液体渗透法、射线检测法、涡流检测法、磁粉检测法、超声波检测法、声发射检测法、雷达波检测法、红外检测法等。动态检测方法主要是基于结构振动的损伤识别方法。 1.2.1 静态检测法静态检测法 静态应变（或位移）测试法通过对结构施加静荷载和进行应变测试，依据测试数据和结构刚度参数变化来识别结构的损伤2，Hajela 和 Soerio,Sanayei 和31华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Saletnik,Bannan 和 Hjelmstad等对于静态参数识别法做了大量工作，但由于实验条件相对较高，故一直不太为人重视。目测法主要靠人工通过肉眼或借助一些简单的工具，如放大镜来检查结构的表面缺陷，难以发现隐蔽的结构损伤，还需要一定的经验和知识，过程虽简单，但局限性很多。而最早应用