在实际工程中,众多大型复杂的混凝土结构除承受静力荷载外,还长期承受来自多向的动态复杂荷载作用。在这种应力状态下,混凝土构件或结构容易出现性能的退化,甚至导致无明显预兆的突然失效或破坏,造成严重的损失。虽然国内外关于混凝土疲劳性能的试验和理论研究已有很多,但目前仍缺少直接、有效的混凝土动态复杂应力状态的监测手段和相应的疲劳损伤演化分析方法。为此,本文开展了以下的研究工作:(1)开发了一种可以埋入混凝土中,适应多轴动态复杂应力环境下的三向正应力压电传感器,也称为压电智能骨料。分别利用有限元分析和标定试验获得了传感器的交叉灵敏度矩阵,通过观察矩阵元素发现,传感器不同监测方向之间的交叉干扰可以忽略不计,每个监测面相当于独立工作,同时他们具有一致的灵敏度。在试验中,传感器响应快,与外荷载保持良好的线性关系,性能稳定。(2)利用细观有限元模型证实了混凝土在单轴受压破坏过程中内部微裂缝从萌生到逐渐增多再到延伸贯通的破坏机理。提取了骨料中心截面在整个过程的竖向和横向应力,利用不同应力时刻的应力分布数据与初始应力时刻数据的相关系数定量的得到应力分布的变化程度。结果显示,竖向和横向的相关系数会随着混凝土内部损伤的增加而下降,损伤发展的越快,相关系数下降的越快。考虑到混凝土在静力受压和疲劳受压破坏机理的相似性(都是由于内部不断累积的微裂缝导致最后的破坏,而且最后破坏形态也相似),将这种损伤分析方法应用到了之后的传感器的疲劳损伤监测试验。(3)将设计的传感器埋入到混凝土试件中进行单轴等幅疲劳试验。试验结果显示,可利用传感器的输出电压与外荷载建立联系,从而获取实际结构承受的复杂应力过程,有利于对结构健康状态进行评估。传感器竖向峰值电压数据的分布在疲劳过程中的变化反映了混凝土内部的应力重分布现象。分析发现,竖向峰值电压的相关系数随循环次数比呈现三阶段的下降规律,这为实际混凝土结构疲劳损伤监测提供了新角度和新方法。在单轴疲劳过程中,传感器横向峰值电压的相关系数虽然也在持续下降,但无三阶段的规律。还需多轴疲劳试验来研究传感器对混凝土多轴疲劳损伤的监测效果。