关于压电智能材料在土木工程的应用
前言：智能材料还没有统一的定义。

不过，现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异。

大体来说，智能材料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。

具体来说，智能材料需具备以下内涵：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等；(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏,及时和恰当；
(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。

智能材料的发展为土木工程结构长期实时健康监测提供了新的研究方向。

这些智能材料具有传感，或者传感与驱动的双重功能，能够与工程结构融合在一起组成智能健康监测系统其中基于压电陶瓷(PZT)电-机耦合特性的阻抗技术以其对结构初始损伤敏感、对外界环境影响的免疫力强，使用成本低、适宜在线监测的特点得到越来越多的关注。

PZT质量轻，对本体结构影响很小，可以粘贴在已有结构的表面或埋入新结构的内部对结构进行监测，是“主动”的健康监测方法。

一、智能材料的土木工程现状
为了能够更好的解决评估结构的力度和安全性以及持久性这些问题，智能的土木结构渐渐开始逐渐被重视和应用。

这种结构可以对建筑物进行监测和预测，不仅能够降低维修的费用，同时还能加强评估的能力。

现如今的监测技术对土木工程不能进行有效的监督，这就导致了对损坏情况不能进行正确的评估，这些方法都有着致命的弱点，也就是将预测的点从外面向内部来延伸，这样会渗入不同的数据信息，从而产生错误和混淆。

倘若如此，就会失去监测的意义，效率也会下降，甚至还会因此完全错误的结果。

而智能材料则恰到好处的解决了这个麻烦，它在土木结构中安装了传感器，构成一个网络，同时还有效的监控土木结构的性能，这便是这种材料的有效应用。

例如在现代的高层建筑、桥梁、发电站等工程中，这种结构已经被广泛应用。

近年来，这种多功能的传感器被应用于公共建筑中，也就是说我国的智能大厦出现了迅速的增长趋势。

尤其是在发达国家，应用智能材料较多的是桥梁监测，主要是用于检测桥梁的安全性能，美国80年代中后期，在土木工程上安装的传感器用于监测工程的质量，例如在弗罗里达州的阳光天桥上为了监控结构性能，安装了数百个传感器。

而英国在80年代的中后期，为了深入研究和改善土木工程，也安装了桥梁的监视器设备。

在中国，香港的青马大桥、虎门桥、江阴长江大桥也是一样，安装了这种监视器设备。

二、简述PZT的压电效应
作为一种压电器件，PZT具有压电效应，其基本原理是：当它产生机械变形时，有
产生电势的能力。

对PZT施加压力，会导致其两个表面出现极性相反的电荷，且电荷量
与所施加的力成正比。

这就是这压电效应，对PZT两表面施加电压，会导致起产生机械
变形，这就是逆压电效应。

结构发生损伤时能够引起机械阻抗发生变化，但结构的机械阻抗难以通过直接测试
得到。

利用压电材料的E/M耦合特性，可以将测试结构机械阻抗转化为测试预支相关的
压电材料的电阻抗。

给粘贴在结构上的压电材料施加交流电场时，压电材料产生机械振动，并且带动本体结构也产生振动，本体结构又传递到压电材料上，机械振动能够使压
电材料产生电响应，表行为电阻抗的变化，在压电材料电阻抗的信号中就包括结构损伤
状态的信息。

通过与结构在无缺陷时压电材料的电阻抗信号进行比较，可以诊断结构内
部的损伤情况。

三、PZT在土木工程中的应用
压电陶瓷传感器以其成本低、响应快、结构简单、可靠性好等优点而得以广泛应用，并且能实现对结构状态的在线监测。

近年来，国内外研究提出的基于压电传感器的损伤
诊断方法主要分为以下二种：机械阻抗法和动力参数分析方法。

这里只介绍前者。

机械阻抗法是一种进行实时诊断的健康监测技术，特别是对局部初始损伤很敏感。

常用的压电材料是PZT薄片，通过侧量带阻抗的变化来判断结构中的损伤状态。

这种方
法最初由Sun等人提出，并在复合桁架结构中得到验证。

Ayres等人应用压电陶瓷贴片对钢桥模型节点连接状态进行研究，整个实验结构重
达500多磅，可以认为是经典的承重式土木工程结构。

将3个传感器分别贴于关键部位，以检测出由于节点松动而造成的局部损伤以及其对结构的影响。

结果证实，应用他们提
出的实时机械阻抗法可以有效地在损伤初始阶段发现损伤。

四、智能材料的工程应用分析
（一）智能材料的分类。

智能材料主要分为两大类，一类是受到外界的刺激强度，
例如力、声、光热等具有感知功能的材料，也就是所谓的感知材料。

这类材料主要有光
导纤维、压电材料等各种各样的传感类材料。

另外一种则是可以在外部条件发生变化的
时候做出相应的材料，也就是所谓的驱动材料，例如形状记忆合金、电流变体等等。

（二）工程应用的分析。

智能材料按照功能特性来划分的话分为传感器、控制器、
驱动器和系统集合四个部分。

这种材料的系统在安全检测、根基等多方面获得了显着的
效果，在研究土木结构工程的应用中也凸显了优越的性能。

大型混凝土结构的安全检测是研究的重点，现如今，在钢筋混凝土中置入光导纤维
并用于通讯，监测替代传统的导线，这样实现了建筑的自动化等等。

在土木结构工程中
置入传感器，能够判断出根基是否被破坏。

如果将碳纤维材料置入水泥的熔浆之中，如
果纤维的剂量和设备工艺要调节，那么电阻变硬的特性会随着压力的变化而变化，也就
是所谓的回应力敏感，内部结构如果损坏或者接近损坏便会自动报警，这便是混凝土结
构中的自我诊断的性能。

这种性能可以在水坝、桥梁这些重要工程中进行结构的检测和伤害的评估。

桥梁是
承受负荷的一种结构，也就是说，在研究的时候，要将负荷和强度一起，并且还需要通
过检测器来指导维修，这样可以减少诊断维护和维修费用。

桥梁的承受能力主要是看桥
面和拱璧之间有几个传感器，这样在桥梁使用的时候就会发生变化，从而造成光敏管的
变化，从而获得承受能力的信息。

总而言之，智能材料在土木工程中有着重要的应用，起着举足轻重的作用，这是材
料科学以及计算机科学发展重要阶段的材料革命，因此高科技材料在土木工程领域的研
究发展有着重要的意义和非常深远的影响，我们需要吸收西方国家的现金技术，提高我
国对智能材料的应用，建立健全的管理机制，从而更好的发展。

五、智能材料在土木工程上的局限性
目前来说智能材料在大型工程和重要水利水电设施中的应用比较广泛，因此这些建
筑的标准要求比较高，投入的资金也比较充足。

但是在普通民用建筑上来说智能材料并
没有得到普及，很重要的一个原因就是智能材料的成本比较高，所以不能达到广泛推广。

另一方面由于智能材料涉及的领域比较尖端对于工程建设人员的素质要求也比较高。

现
在的一些施工单位并不具备智能材料的使用和建设。

所以来说智能材料在未来一定会打
规模得到应用，但是目前的经济状况和技术基础还比较薄弱不能得到全方位的应用。

六、尾言
通过上面的分析以及压电材料的简介，我们可以看到智能材料的各种优势，和在使
用过程中体现出来的丰富的功能。

此外智能材料对于环境等变化具有很强的适应能力。

智能材料的应用使传统的土木工程机构得到了质地上的改变，从原来的死板的建筑结构
上升到一个个具有生物特征的仿生学建筑。

可以自己实施一些特定的功能。

自己进行诊
断并且做出相应。

对于土木工程所要求的的安全性和可靠性等标准来说也有很大的提升。

参考文献：
[1]智能材料，百度百科 [2]代永红，浅谈智能材料结构系统在应用在土木工程中
的研究
[3]陶艳.压电智能材料在土木工程中的应用[J].科技资讯.2007（12）.
[4] 王洪磊，杨学玲探讨智能材料在土木工程中的应用，《数字化用户》2013年第09期。