如今,在结构振动控制方面智能压电系统已经取得相当多的研究成果.欧进萍等^[8-9]人发明了一种由压电陶瓷微位移阻尼器和T形摩擦阻尼器组成的新型压电摩擦阻尼器,如图1所示,提出了其基本结构是由叠层压电陶瓷驱动器与Pall摩擦耗能器复合而成的,分析了耗能效果是如何受压电摩擦耗能器形状参数的影响,并且给出了其可调紧固力的计算方法.

图1 阻尼器结构布置图
Fig.1 Structure of piezoelectric friction damper

展猛^[10-11]等人利用压电陶瓷驱动器具有响应快、耗能小而出力大的优点,将摩擦耗能器与压电陶瓷驱动器结合,研发了可实时调节压力的新型压电摩擦型阻尼器,如图2所示.利用压电陶瓷电-力压电性能与传统的摩擦阻尼器结合,采用智能算法,可以用来研发新型智能半主动阻尼装置,该类型智能装置体型小巧、质量轻、便于集成,输入能量小而出力大、耗能稳定,具有良好的工程适用性.通过合理构造保证了压电驱动器只能轴向受压,通过小箱侧壁狭长的孔槽保证了导线的自由活动; 同时,改新型压电阻尼器的是单轴式压电摩擦阻尼器,具有构造简单,占用空间小,更便于安装与拆卸的特点,并且可以形成复位型压电摩擦阻尼器通过在活塞机构两侧的平衡拉杆和作动拉杆上安装弹簧的方式,在绳索式连接中单轴式压电摩擦阻尼器也可发挥作用,使得阻尼器的连接安装方式丰富多样.通过钢结构输电塔的振动台测试该新型压电摩擦阻尼器的测试结果表明:钢结构输电塔的地震反应在新型压电摩擦阻尼器的作用下得到了明显的改善,对结构的减振控制通过阻尼器的摩擦力的实时变化来实现.

图2 新型压电摩擦阻尼器
Fig.2 A new type of piezoelectric friction damper

此外,瞿伟廉^[12]等人对设置有压电摩擦阻尼器的钢结构输电塔进行半主动风振控制研究,控制效果良好; 杜永峰^[13]提出了一种适用于高层建筑结构的减震控制的万向型压电摩擦阻尼器,并进行深入研究万向型压电摩擦阻尼器适用的控制算法; 杨飏^[14]等在欧进萍等人提出的在阻尼器中的可调正压力的基础上提出了全新的粘滞型的摩擦阻尼力模型和限位型的摩擦阻尼力模型,并成功制造了压电-T型摩擦阻尼器其最大出力是450 N; 香港理工大学的徐幼麟^[15]等设计了一种多摩擦面的压电摩擦阻尼器,这种半主动压电摩擦阻尼器通过振动台试验和仿真分析表明,其具有良好减震效果,主楼和裙楼的刚度突变问题得到有效解决.

充分利用压电陶瓷波动检测技术将压电陶瓷片以某种特定形式封装在结构中以此来发挥驱动器和传感器的功能,机械振动通过给驱动器施加特定刺激而产生,在结构中机械能的传播是以波的形式,在不同传播介质中,应力波波形会发生畸变、传播路径和能量也会发生的改变,以至于传感器终端信号产生一定变化,结构内部的缺陷情况是通过信号变化来判断.

(1)智能压电系统的主动健康监测

基于智能压电系统主动健康监测,在结构外表面布置压电陶瓷片或者在构件内部预埋入压电陶瓷片封装成的智能骨料,利用压电材料的机电耦合效应,使其既能发挥驱动器的作用又能作为传感器,接收监测信号,监测系统的原理如图3所示.

图3 智能压电系统主动健康监测原理图
Fig.3 Schematic diagram of active health monitoring of intelligent piezoelectric system

孙威等^[16] 对应力波在混凝土结构内部的衰减特性通过预埋压电陶瓷的方式进行了试验研究.Gu 等^[17]通过预埋智能骨料在混凝土试块中监测早期混凝土的强度变化,强度拟合曲线与实际测量曲线一致.许斌^[18]教授通过外贴压电陶瓷片和嵌入式智能骨料并基于信号的小波能量对钢管混凝土中钢管壁和核心混凝土的界面剥离进行了有效识别,并对相应指标定量缺陷大小下定义.周宏^[19]等对混凝土结构的损伤监测的方法是在静力荷载作用下的混凝土结构和在不同工程状况下智能骨料传感器的信号采集.赵晓燕等^[20]实现检测混凝土裂缝是在波动法原理的基础上,利用自行研制封装的压电陶瓷.通过国内外学者研究表明:在基于PZT的钢结构和钢管混凝土构件的缺陷检测中,可根据检测需要灵活布置压电陶瓷片,既可将压电智能骨料埋设在混凝土内部,也可在构件表面黏贴压电陶瓷片,均可实现工程技术的需求.

(2)智能压电系统的被动健康监测

被动健康监测对结构在静力、动力、冲击荷载下的健康状况进行判断的原理是通过对一个传感器的最终发出信号的分析,比较传感器结构在不同条件下的某些参数的差异性.当被动健康监测时,自感传感器的形成是因为压电陶瓷片只具有传感功能,成功的检测到缺陷是依靠传感器响应发生变化.结构在荷载作用下反应结构自身情况的参数如其应力和应变的变化、位移及加速度等通过分析内部信号获得.Li等^[21]对模拟动态信号进行峰值分析并根据结果判断交通量,并准确做出了识别其用PZT制作为传感器.Song等^[22]对构件内部预设的损伤还有所施加的外力成功识别是采用将PZT预埋入钢筋混凝土试验梁内的“智能骨料”技术.杨晓明^[23]在线监测在往复施加下的地震荷载应力应变等参量的变化是选用PZT布置于框架结构外侧的方式.华中科技大学的王丹生等^[24]在进行了对裂纹钢梁损伤的识别和定位的实验研究后发现结构损伤程度以及裂纹位置可以被定性识别通过压电陶瓷导纳幅值谱和反谐振频率损伤前后的变化.浙江大学的蔡金标等^[25]利用切割机进行裂缝深度的手动模拟,还对不同裂缝深度处的电导纳信号进行测量.实验结果表明,裂纹损伤发展影响电导纳谱曲线,裂纹深度的变动趋势与频谱的变动趋势相似.