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摘要：为了解建筑结构在正常使用过程中的实际运行状态，可以对结构进行实时的健康监测。国内外有关的健康监测方法有很多，其中，基于压电陶瓷的结构健康监测技术以其灵敏度高、响应快、对裂缝损伤敏感等优点，被大量采用。
关键词：建筑结构，健康监测，压电陶瓷
1.前言
在中国房地产蓬勃发展的今天，钢筋混凝土结构作为应用最普遍的一种结构形式，几乎被所有住宅类房企应用。而住宅类房屋建筑设计使用年限一般为50年，在其漫长的服役过程中，由于受环境因素（载荷作用、疲劳、腐蚀和材料老化等）、自然因素（地震、洪水、飓风等）以及人为因素（恐怖袭击）的影响，不可避免的发生材料老化及损伤，从而降低结构的可靠性，因此其安全问题一直受到广泛的关注。
结构健康监测技术通过获取结构的相关信息，及时发现结构的损伤，结合一定的损伤识别方法可以对结构的状态做出评估与安全预警，成为保障结构安全性能的有效手段之一。其中，基于压电陶瓷的结构健康监测技术以其灵敏度高、响应快、对损伤敏感等优点，而被广泛应用于混凝土结构的健康监测的研究中。
2、结构健康检测技术
结构健康监测简称SHM（Structural Health Monitoring），是指通过对包括结构响应在内的、利用现场的无损传感技术的结构系统特性的分析，达到检测结构损伤或退化的目的。
与传统的无损检测技术相比较，结构健康监测技术最主要的特点为自动、实时、在线监测。须具有监测、诊断、评估三部分功能才可一个构成完整的结构健康监测系统，具体细化可以分为以下几部分：（1）通讯系统。将采集并處理后的数据通过数据流或打包等形式传输到监控中心。一般分为有线和无线两种通信方式。（2）数据采集子系统。通常布置于待测结构附近，控制和采集传感系统的各种数据并对信号初步的处理（如信号调理、数模转换（A/D）等）。（3）传感器子系统。该部分是健康监测系统的最基本的组成部分。通过各种类型的传感器对结构应力、应变、温度、位移等多物理量进行感知，并以光、电、声等物理形式输出，传递给数据采集子系统。（4）监控中心和报警设备。健康监测系统的核心是监控中心，所以布置位置经常选择为比较安全的室内。它通常包含着安全预警子系统、损伤识别子系统、数据库管理子系统等。其主要功能是将获取的所有结构信息进行全面分析，利用损伤识别系统对结构的损伤进行识别、定位和程度判定之后最终对结构的健康状态做出安全评估，当结构处于异常状态时，及时发出声光电等报警信息。同时也担任着大量监测信息和分析结果等所有数据的存储与查询等管理任务。
结构健康监测系统的构成图如1所示。
总的来说，结构健康监测技术是一种以最小人工干预、自动实时、在线的完成数据的采集、处理与分析并最终对结构的健康状态做出评估以及安全预警的技术。
其工作流程一般为：（1）器采用最优化布置方案将传感布置于被测结构相对应位置上；（2）通过各类型的传感器来获取结构的各种物理量（如应力、应变、位移、温度、几何特征等）；（3）通过数据采集系统、通信系统将数据传输给监控中心；（4）利用上位机软件对数据的处理与分析，提取损伤因子，按相应的损伤识别方法评估结构的健康状态；（5）最后将结果及时地向管理者或决策者进行汇报，同时能够对出现的危险情况做出预警。
图1 结构健康监测系统的构成图
其工作流程图如图2所示。
图2 结构健康监测系统工作流程图
结果健康监测技术是一个综合性技术，它融合了土木建筑结构、计算机技术、材料科学、信号处理等多个学科的知识。
3、压电陶瓷技术的原理及在结构健康监测中的应用
3.1、压电基本原理
在目前科研等相关方面，基于压电材料的技术已经被广泛的应用于各行各业，遍布于生活的各个角落，自压电材料于1880年在国外问世以来，经过了世界各国的学者的大量研究，其技术已相当成熟。
利用压电陶瓷的基本属性-正、逆压电效应，使其大量的应用在土木工程领域的健康监测中，（如图3所示），关于压电陶瓷的信号处理技术、损伤诊断技术在国内外学者的研究下也取得了丰硕的成果。
（a）正压电效应 （b）逆压电效应
图3正逆压电效应原理示意图
3.2、压电陶瓷技术在健康监测中的应用
在混凝土结构的健康监测领域中，将压电陶瓷以不同形式布置于混凝土结构中，将会使传统的混凝土结构具有自感知、自驱动的能力从而构成以压电材料为组成部分的压电-混凝土结构。
压电陶瓷（简称PZT）与混凝土结构结合的方式一般可概括为以下两种：
（1）粘贴式
将压电陶瓷片使用胶结材料而粘贴于结构的表面，这种方式称为粘贴式。其特点是操作简单、不破坏结构，该方法适合对已有建筑的监测，目前在实验室已经被大量的使用；但是由于在实际工程中将其暴露于结构外部的原因导致其极易受到外界因素的影响而破损。
当前，金属结构的健康监测和基于Lamb波或声发射技术的混凝土复合材料板当中多应用此种方式。如seth等将压电陶瓷片贴于复合材料结构表面，通过压电陶瓷激发Lamb波对复合材料的脱层、贯穿孔洞以及横向层裂缝进行了监测。阎石等将PZT片粘贴于经CFRP加固混凝土结构表面，通过发射扫频波对CFRP加固混凝土结构的剥离损伤进行识别。
（2）嵌入式
这种方式是通过一定的形式将压电传感器埋入到待测结构中，目前在混凝土结构中应用的比较多。
其优点是由于将压电陶瓷片埋入混凝土结构内部，在混凝土的保护下减少了外界环境对压电陶瓷的影响，增加了传感器的服役时间和可靠性。其缺点是不如粘贴式操作方便，需在结构建设前进行布置，而且由于传感器不能回收，适合于长期的结构健康监测。 目前，作为主要形式之一，嵌入式是将压电陶瓷片以“智能骨料”的形式（如图4）埋入混凝土结构之中，用来监测混凝土裂缝，钢筋脱粘等。如Song等人将压电陶瓷智能骨料埋入钢筋混凝土桥的T型梁中，对结构内部的裂缝进行监测。沈阳建筑大学的阎石、孙威等也将自制的“智能骨料”运用到混凝土结构的健康监测当中。
图4 智能骨料
此外，压电陶片除了以“智能骨料”的形式埋入结构之中外，Dong将不同类型的压电陶瓷颗粒和水泥灰浆均匀混合制作了新型的0-3型水泥基压电复合材料。张东[13]等将多个压电陶瓷片的同极两两相连，然后等间距埋放在水泥灰浆内，最终形成2-2型压电复合材料。
目前，国内外利用压电陶瓷对混凝土结构进行健康监测的技术主要分为两大类，分别为主动监测技术和被动监测技术。
其中根据损伤诊断方法的不同，主动监测技术又分为波动分析法和机械阻抗法。
3.3、基于压电陶瓷的混凝土结构主动监测技术
（1）波动分析法（Wave-based method）
波动分析法的基本原理，是把压电陶瓷经过加工，制作成驱动器与传感器。其中利用的原理正是压电陶瓷的正逆压电效应。
在制作完成之后，驱动器用来进行信号的发射，传感器用来进行信号的接收，将驱动器与传感器布置于待测结构的两端，从而建立驱动器-传感器的激励-传感通道，实现对构件区间的扫描，通过分析信号的差异来实现对结构损伤的识别与诊断，具体原理图如图5所示。
图5 波动分析法工作原理图
由于压电陶瓷的兼驱动与传感于一体的双重特性，使得结构中的任何一个压电陶瓷既可以做传感器，又可以做驱动器。根据所发射应力波的不同又可将波动法分为：纵波、表面波、板波、声发射等监测技术。
（2）机械阻抗法（Electro-mechanical impedence method）
机械阻抗法的基本原理，是通过对比结构损伤前和损伤后的机械阻抗值来判断结构是否发生损伤。一般用于监测结构的局部微小损伤。
3.4、基于压电陶瓷的混凝土结构被动监测技术
被动监测主要是指利用压电陶瓷的高阻抗特性，对结构的动力响应进行测量。目前的应用主要有结构振动状态监测、基于声发射技术的结构监测和冲击荷载监测等。
结合现有的压电陶瓷在混凝土健康监测技术应用中不同方法的特点，本文针对不同的方法开发配套的健康监测系统。主要包括基于压电陶瓷主动监测技术的波动分析法开发的主动监测模块，实现对混凝土结构裂缝的监测；利用压电陶瓷制作的力传感器和加速度传感器，对结构的压力与振动状态的进行监测。
4、基于虚拟仪器技术的压电混凝土结构健康监测系统开发
4.1、虚拟仪器技术介绍
虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI），其概念最早是在1986年由美国国家仪器公司（National Instruments，简称NI）提出的。
一般认为，虚拟仪器是在PC机的基础上，通过增加一系列硬件或软件最终形成以软件为主，硬件为辅的、具有良好人机交互界面的可重构型测试仪器系统。
其核心是，以计算机作为该仪器系统的硬件支撑，并充分享用计算机的硬件资源和丰富功能，利用软件把传统仪器的功能和控制面板软件化，最终形成一台无论从外观还是功能上都和传统仪器相似的新型仪器。
虚拟仪器技术的目标就是最终替代传统仪器，实现真正的“软件就是仪器”。
虚拟仪器主要由测控功能硬件、计算机硬件和应用软件三大部分组成，其基本体系结构如图6所示。
虚拟仪器的测控功能硬件主要是指各种I/O接口设备，此部分的主要功能是实现数据采集、信号输出以及模/数或数/模转换等功能。根据总线方式的不同分为GPIB/VXI/PXI等总线方式接口仪器、并行/串式接口仪器、NI CompactRIO/NI PXI等嵌入式硬件仪器等标准体系结构。
计算机硬件作為虚拟仪器系统的软件搭载平台，可以利用计算机实现对系统软硬件资源管理，同时也可充分利用计算机显示、存储、计算等智能资源。
应用软件在虚拟仪器系统的作用可称之为大脑，其软件体系结构按功能可分为I/O接口软件、仪器驱动程序、应用软件开发环境。I/O接口软件、仪器驱动程序主要用于支持不同硬件设备之间的通信与驱动。
通过虚拟仪器的应用软件用户可以利用图形化的编程软件和计算机硬件资源实现对复杂应用的原型开发。
图6 虚拟仪器的基本体系结构
4.2、压电混凝土结构健康监测系统软件设计
监测系统的软件部分是采用模块化设计，其主要优点是便于后期根据实际需要进行系统扩展。按各功能模块的作用不同具体分为主动监测模块、被动监测模块以及加速度监测模块。
5.结语
在房地产开发项目的全寿命周期中，房屋建筑不可避免的会受到各种来自外部环境或内部缺陷对结构安全造成一定隐患。近期全球地震灾害频发，极端环境因素对建筑结构造成的影响更不容忽视。而往往在灾难过后，人们才能通过破坏的构件发现其内在缺陷，在建筑正常运行期内很多结构健康问题是无法观测识别的。基于压电陶瓷及虚拟仪器技术的结构健康监测系统，则在一定程度上为此类问题提供了一条解决的路径。虽然目前此技术仍不完善，距离大量投入市场使用仍有一定距离，不过在未来的持续探索中，终将有着极大的发展前景。
参考文献：
[1]谢强，薛松涛.土木工程结构健康监测的研究现状与进展[J]. 中国科学基金，2001，（5）：285-288.
[2]张传忠，压电材料的发展及应用[J].压电与声光，1993.15（3）： 64-70.
[3]俞洁.智能悬臂梁压电片布置与振动主动控制技术的研究：[硕士学位论文].海河大学，2006.
[4]孙慷，张福学.压电学（上）[M].北京：国防工业大学出版社，1986.
[5]张福学.现代压电学（上）[M].北京：科学出版社，2001.
[6]阎石，马禄哲.CFRP加固混凝土结构剥离损伤识别试验研究[J]. 土木工程与管理学报，2011，28（3）：69-74.
关键词：建筑结构，健康监测，压电陶瓷
1.前言
在中国房地产蓬勃发展的今天，钢筋混凝土结构作为应用最普遍的一种结构形式，几乎被所有住宅类房企应用。而住宅类房屋建筑设计使用年限一般为50年，在其漫长的服役过程中，由于受环境因素（载荷作用、疲劳、腐蚀和材料老化等）、自然因素（地震、洪水、飓风等）以及人为因素（恐怖袭击）的影响，不可避免的发生材料老化及损伤，从而降低结构的可靠性，因此其安全问题一直受到广泛的关注。
结构健康监测技术通过获取结构的相关信息，及时发现结构的损伤，结合一定的损伤识别方法可以对结构的状态做出评估与安全预警，成为保障结构安全性能的有效手段之一。其中，基于压电陶瓷的结构健康监测技术以其灵敏度高、响应快、对损伤敏感等优点，而被广泛应用于混凝土结构的健康监测的研究中。
2、结构健康检测技术
结构健康监测简称SHM（Structural Health Monitoring），是指通过对包括结构响应在内的、利用现场的无损传感技术的结构系统特性的分析，达到检测结构损伤或退化的目的。
与传统的无损检测技术相比较，结构健康监测技术最主要的特点为自动、实时、在线监测。须具有监测、诊断、评估三部分功能才可一个构成完整的结构健康监测系统，具体细化可以分为以下几部分：（1）通讯系统。将采集并處理后的数据通过数据流或打包等形式传输到监控中心。一般分为有线和无线两种通信方式。（2）数据采集子系统。通常布置于待测结构附近，控制和采集传感系统的各种数据并对信号初步的处理（如信号调理、数模转换（A/D）等）。（3）传感器子系统。该部分是健康监测系统的最基本的组成部分。通过各种类型的传感器对结构应力、应变、温度、位移等多物理量进行感知，并以光、电、声等物理形式输出，传递给数据采集子系统。（4）监控中心和报警设备。健康监测系统的核心是监控中心，所以布置位置经常选择为比较安全的室内。它通常包含着安全预警子系统、损伤识别子系统、数据库管理子系统等。其主要功能是将获取的所有结构信息进行全面分析，利用损伤识别系统对结构的损伤进行识别、定位和程度判定之后最终对结构的健康状态做出安全评估，当结构处于异常状态时，及时发出声光电等报警信息。同时也担任着大量监测信息和分析结果等所有数据的存储与查询等管理任务。
结构健康监测系统的构成图如1所示。
总的来说，结构健康监测技术是一种以最小人工干预、自动实时、在线的完成数据的采集、处理与分析并最终对结构的健康状态做出评估以及安全预警的技术。
其工作流程一般为：（1）器采用最优化布置方案将传感布置于被测结构相对应位置上；（2）通过各类型的传感器来获取结构的各种物理量（如应力、应变、位移、温度、几何特征等）；（3）通过数据采集系统、通信系统将数据传输给监控中心；（4）利用上位机软件对数据的处理与分析，提取损伤因子，按相应的损伤识别方法评估结构的健康状态；（5）最后将结果及时地向管理者或决策者进行汇报，同时能够对出现的危险情况做出预警。
图1 结构健康监测系统的构成图
其工作流程图如图2所示。
图2 结构健康监测系统工作流程图
结果健康监测技术是一个综合性技术，它融合了土木建筑结构、计算机技术、材料科学、信号处理等多个学科的知识。
3、压电陶瓷技术的原理及在结构健康监测中的应用
3.1、压电基本原理
在目前科研等相关方面，基于压电材料的技术已经被广泛的应用于各行各业，遍布于生活的各个角落，自压电材料于1880年在国外问世以来，经过了世界各国的学者的大量研究，其技术已相当成熟。
利用压电陶瓷的基本属性-正、逆压电效应，使其大量的应用在土木工程领域的健康监测中，（如图3所示），关于压电陶瓷的信号处理技术、损伤诊断技术在国内外学者的研究下也取得了丰硕的成果。
（a）正压电效应 （b）逆压电效应
图3正逆压电效应原理示意图
3.2、压电陶瓷技术在健康监测中的应用
在混凝土结构的健康监测领域中，将压电陶瓷以不同形式布置于混凝土结构中，将会使传统的混凝土结构具有自感知、自驱动的能力从而构成以压电材料为组成部分的压电-混凝土结构。
压电陶瓷（简称PZT）与混凝土结构结合的方式一般可概括为以下两种：
（1）粘贴式
将压电陶瓷片使用胶结材料而粘贴于结构的表面，这种方式称为粘贴式。其特点是操作简单、不破坏结构，该方法适合对已有建筑的监测，目前在实验室已经被大量的使用；但是由于在实际工程中将其暴露于结构外部的原因导致其极易受到外界因素的影响而破损。
当前，金属结构的健康监测和基于Lamb波或声发射技术的混凝土复合材料板当中多应用此种方式。如seth等将压电陶瓷片贴于复合材料结构表面，通过压电陶瓷激发Lamb波对复合材料的脱层、贯穿孔洞以及横向层裂缝进行了监测。阎石等将PZT片粘贴于经CFRP加固混凝土结构表面，通过发射扫频波对CFRP加固混凝土结构的剥离损伤进行识别。
（2）嵌入式
这种方式是通过一定的形式将压电传感器埋入到待测结构中，目前在混凝土结构中应用的比较多。
其优点是由于将压电陶瓷片埋入混凝土结构内部，在混凝土的保护下减少了外界环境对压电陶瓷的影响，增加了传感器的服役时间和可靠性。其缺点是不如粘贴式操作方便，需在结构建设前进行布置，而且由于传感器不能回收，适合于长期的结构健康监测。 目前，作为主要形式之一，嵌入式是将压电陶瓷片以“智能骨料”的形式（如图4）埋入混凝土结构之中，用来监测混凝土裂缝，钢筋脱粘等。如Song等人将压电陶瓷智能骨料埋入钢筋混凝土桥的T型梁中，对结构内部的裂缝进行监测。沈阳建筑大学的阎石、孙威等也将自制的“智能骨料”运用到混凝土结构的健康监测当中。
图4 智能骨料
此外，压电陶片除了以“智能骨料”的形式埋入结构之中外，Dong将不同类型的压电陶瓷颗粒和水泥灰浆均匀混合制作了新型的0-3型水泥基压电复合材料。张东[13]等将多个压电陶瓷片的同极两两相连，然后等间距埋放在水泥灰浆内，最终形成2-2型压电复合材料。
目前，国内外利用压电陶瓷对混凝土结构进行健康监测的技术主要分为两大类，分别为主动监测技术和被动监测技术。
其中根据损伤诊断方法的不同，主动监测技术又分为波动分析法和机械阻抗法。
3.3、基于压电陶瓷的混凝土结构主动监测技术
（1）波动分析法（Wave-based method）
波动分析法的基本原理，是把压电陶瓷经过加工，制作成驱动器与传感器。其中利用的原理正是压电陶瓷的正逆压电效应。
在制作完成之后，驱动器用来进行信号的发射，传感器用来进行信号的接收，将驱动器与传感器布置于待测结构的两端，从而建立驱动器-传感器的激励-传感通道，实现对构件区间的扫描，通过分析信号的差异来实现对结构损伤的识别与诊断，具体原理图如图5所示。
图5 波动分析法工作原理图
由于压电陶瓷的兼驱动与传感于一体的双重特性，使得结构中的任何一个压电陶瓷既可以做传感器，又可以做驱动器。根据所发射应力波的不同又可将波动法分为：纵波、表面波、板波、声发射等监测技术。
（2）机械阻抗法（Electro-mechanical impedence method）
机械阻抗法的基本原理，是通过对比结构损伤前和损伤后的机械阻抗值来判断结构是否发生损伤。一般用于监测结构的局部微小损伤。
3.4、基于压电陶瓷的混凝土结构被动监测技术
被动监测主要是指利用压电陶瓷的高阻抗特性，对结构的动力响应进行测量。目前的应用主要有结构振动状态监测、基于声发射技术的结构监测和冲击荷载监测等。
结合现有的压电陶瓷在混凝土健康监测技术应用中不同方法的特点，本文针对不同的方法开发配套的健康监测系统。主要包括基于压电陶瓷主动监测技术的波动分析法开发的主动监测模块，实现对混凝土结构裂缝的监测；利用压电陶瓷制作的力传感器和加速度传感器，对结构的压力与振动状态的进行监测。
4、基于虚拟仪器技术的压电混凝土结构健康监测系统开发
4.1、虚拟仪器技术介绍
虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI），其概念最早是在1986年由美国国家仪器公司（National Instruments，简称NI）提出的。
一般认为，虚拟仪器是在PC机的基础上，通过增加一系列硬件或软件最终形成以软件为主，硬件为辅的、具有良好人机交互界面的可重构型测试仪器系统。
其核心是，以计算机作为该仪器系统的硬件支撑，并充分享用计算机的硬件资源和丰富功能，利用软件把传统仪器的功能和控制面板软件化，最终形成一台无论从外观还是功能上都和传统仪器相似的新型仪器。
虚拟仪器技术的目标就是最终替代传统仪器，实现真正的“软件就是仪器”。
虚拟仪器主要由测控功能硬件、计算机硬件和应用软件三大部分组成，其基本体系结构如图6所示。
虚拟仪器的测控功能硬件主要是指各种I/O接口设备，此部分的主要功能是实现数据采集、信号输出以及模/数或数/模转换等功能。根据总线方式的不同分为GPIB/VXI/PXI等总线方式接口仪器、并行/串式接口仪器、NI CompactRIO/NI PXI等嵌入式硬件仪器等标准体系结构。
计算机硬件作為虚拟仪器系统的软件搭载平台，可以利用计算机实现对系统软硬件资源管理，同时也可充分利用计算机显示、存储、计算等智能资源。
应用软件在虚拟仪器系统的作用可称之为大脑，其软件体系结构按功能可分为I/O接口软件、仪器驱动程序、应用软件开发环境。I/O接口软件、仪器驱动程序主要用于支持不同硬件设备之间的通信与驱动。
通过虚拟仪器的应用软件用户可以利用图形化的编程软件和计算机硬件资源实现对复杂应用的原型开发。
图6 虚拟仪器的基本体系结构
4.2、压电混凝土结构健康监测系统软件设计
监测系统的软件部分是采用模块化设计，其主要优点是便于后期根据实际需要进行系统扩展。按各功能模块的作用不同具体分为主动监测模块、被动监测模块以及加速度监测模块。
5.结语
在房地产开发项目的全寿命周期中，房屋建筑不可避免的会受到各种来自外部环境或内部缺陷对结构安全造成一定隐患。近期全球地震灾害频发，极端环境因素对建筑结构造成的影响更不容忽视。而往往在灾难过后，人们才能通过破坏的构件发现其内在缺陷，在建筑正常运行期内很多结构健康问题是无法观测识别的。基于压电陶瓷及虚拟仪器技术的结构健康监测系统，则在一定程度上为此类问题提供了一条解决的路径。虽然目前此技术仍不完善，距离大量投入市场使用仍有一定距离，不过在未来的持续探索中，终将有着极大的发展前景。
参考文献：
[1]谢强，薛松涛.土木工程结构健康监测的研究现状与进展[J]. 中国科学基金，2001，（5）：285-288.
[2]张传忠，压电材料的发展及应用[J].压电与声光，1993.15（3）： 64-70.
[3]俞洁.智能悬臂梁压电片布置与振动主动控制技术的研究：[硕士学位论文].海河大学，2006.
[4]孙慷，张福学.压电学（上）[M].北京：国防工业大学出版社，1986.
[5]张福学.现代压电学（上）[M].北京：科学出版社，2001.
[6]阎石，马禄哲.CFRP加固混凝土结构剥离损伤识别试验研究[J]. 土木工程与管理学报，2011，28（3）：69-74.