钢筋混凝土建筑结构的压电智能骨料与分布式地震损伤监测研究

针对钢筋混凝土建筑结构地震局部损伤监测问题，提出了基于压电智能骨料阵列的分布式地震损伤监测方法。该方法在地震过程中采用被动监测方式获取结构各关键位置的应力时程，而在地震结束后采用基于波动法的主动监测模式确定结构损伤位置和程度。为此，本项目需要研制基于压电陶瓷材料的压电智能骨料，研究压电智能骨料在地震作用下的动态应力监测性能，研究压电智能骨料产生的应力波在钢筋混凝土介质中的传播规律及其在损伤位置处的衰减规律，确定压电智能骨料的最优激励模式。根据结构地震反应特点以及应力波有效传播规距离和路径优化设计压电智能骨料阵列位置，建立基于压电智能骨料阵列的结构地震损伤识别准则，通过典型结构模型的振动台试验证该监测方法的有效性。

针对钢筋混凝土建筑结构地震局部损伤监测问题，首先提出了一种监测地震作用下动态压应力的压电智能骨料(Smart aggregate, SA)，该压电智能骨料采用一对大理石块通过环氧树脂与d33型PZT片耦合而成，通过有限元方法求得了轴向压应力作用下该压电智能骨料中的应力分布，给出该压电智能骨料灵敏度系数的理论计算方法，通过动态加载试验标定了该压电智能骨料的灵敏度系数，该灵敏度系数与理论值接近，表明本项目进行的有限元分析可靠准确，研究了其量程及初始应力对其灵敏度影响，试验表明该压电智能骨料在0~40MPa间的动态应力作用下，灵敏度基本保持不变，在0~24MPa下的初始应力对其灵敏度影响可忽略不计，该压电智能骨料的制作工艺保证了其性能具有良好的一致性；压电智能骨料应力测量需要电荷电压转换，商用电荷放大器低频频响较差，且最大输入电荷量较小，在压电智能骨料处于较高应力水平时存在过载现象，本项目针对地震损伤过程的特点，研制了专门的电荷电压转换器，通过实验标定表明，使用电荷电压转换器，压电智能骨料监测应力的低频下限可达0.05Hz，可监测最大40MPa的动态应力，因此该压电智能骨料可实现地震作用下混凝土受压损伤全过程的应力监测；在压应力压电智能骨料研究基础上，本项目进一步提出了一种可进行剪应力监测的压电智能骨料，其结构及制作工艺与压应力压电智能骨料基本相同，不同之处在于采用了d15型PZT片作为敏感元件，本项目通过理论分析及标定试验，证明了该压电智能骨料可进行混凝土剪切破坏全过程监测；本项目将所研发的压电智能骨料应用于一栋6层的底层内框结构的混凝土构件倒塌过程监测，试验表明，在实际工况下，该压电智能骨料工作性能良好，具有极高精度，可监测幅值为0.01MPa的应力过程，同时亦可准确监测混凝土压溃的应力过程；采用本项目提出的压电智能骨料，进行了应力波在混凝土中传播机制研究，采用扫频发射模式，研究了不同频率应力波在混凝土中传播的规律，研究表明压电智能骨料一致性良好，发射端与接收端可互换使用，在现场环境下，基于波动法的有效监测距离可达16m。综上所述，基于压电智能骨料的混凝土地震损伤过程监测是可行且有效的。