压电智能材料在土木工程结构控制中的应用

1、压电智能材料在土木工程结构控压电智能材料在土木工程结构控制中的应用制中的应用压电智能摩擦耗能器压电智能驱动器压电材料本构方程压电材料及其原理智能结构中振动控制系统智能结构中振动控制系统主要内容主要内容半主动TMD系统智能结构中振动控制系统智能结构中振动控制系统将生命体的感知、调整、控制等功能赋予传统的工程结构，使之能感知外界环境并自发地进行调整，从而自动适应各种外部作用，以实现工程结构的智能化，它具有选择功能、自我诊断功能、自我调节功能，自我恢复功能及自我修复功能。智能结构智能结构中振动控制系统智能结构中振动控制系统将生命体的感知、调整、控制等功能赋予传统的工程结构，使之能感知外界环境并自发地

2、进行调整，从而自动适应各种外部作用，以实现工程结构的智能化，它具有选择功能、自我诊断功能、自我调节功能，自我恢复功能及自我修复功能。智能结构智能结构中振动控制系统智能结构中振动控制系统智能工程结构中振动控制系统主要由传感器、信号智能工程结构中振动控制系统主要由传感器、信号处理器、控制器和作动器或耗能器四部分组成，它们处理器、控制器和作动器或耗能器四部分组成，它们分别相当于人的感官、神经、大脑和肌肉。分别相当于人的感官、神经、大脑和肌肉。仿生模型智能结构中振动控制系统智能结构中振动控制系统系统原理：系统原理：可以模拟生物界的方式感知结构内部状态和外部环境，将传感器量测到的信号，经信号处理器加工处

3、理，送入控制器，控制器再依据某种智能控制算法做出决策，通过作动器对结构施加指令或调节耗能减振系统的参数实现结构减振系统智能化的目的。因而，具有智能特性的工程结构能够根据环境激励信号和结构响应信号，自适应地实时改变结构的状态，抑制结构在地震动或强风作用下的振动，保证结构的安全。压电材料及其原理压电材料及其原理应用：应用：具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能,压已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能,在土木工程结构中可作为传感器和驱动器。Reading压电材料：因其具有频响范围宽、响应速度快、密实度大、精确度高、良好的线性行为等优点优点得到了

4、研究者们的青睐。压电材料及其原理压电材料及其原理定义定义：当对压电材料施加机械变形时，剩余极化强度：当对压电材料施加机械变形时，剩余极化强度将因材料的变形而发生变化，引起材料内部正负电荷将因材料的变形而发生变化，引起材料内部正负电荷中心发生相对移动产生电极化，从而导致材料两个表中心发生相对移动产生电极化，从而导致材料两个表面上出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与外力成正面上出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与外力成正比比正压电效应：反映了压电材料具有将机械能转变为电能的能力。检测出压电元件上电荷的变化，即可得知压电元件处的变形量，利用压电材料的正压电效应，可将其制成结构振动控制或结构健康监测中的智

5、能传感器智能传感器。正压电效应压电材料及其原理压电材料及其原理定义定义：当在压电材料两表面上通以电压，所有晶粒极当在压电材料两表面上通以电压，所有晶粒极化方向趋于电场方向，造成压电元件内部正负电荷中化方向趋于电场方向，造成压电元件内部正负电荷中心的相对位移，导致压电材料的变形，心的相对位移，导致压电材料的变形，逆压电效应：反映了压电材料具有将电能转变为机械能的能力。利用压电材料的逆压电效应，可将其制成结构振动控制中的智能驱动器智能驱动器。正压电效应压电材料本构方程压电材料本构方程v 在结构振动控制中得到运用的智能型压电传感器、压电驱动器和压电耗能阻尼器的机理即是运用了压电材料的力电耦合的特性，

6、其本构关系的表达式为Eiijjmimsd ETmmiiikkDdE 为应变；sij 为恒定电场（或零电场）时的弹性柔度系数；j 为应力；dmi 为压电应变常数；Em 和Ek为电场强度；Dm 为电位移； Tik 为零应力（或常应力）时的介电系数。i压电材料本构方程压电材料本构方程表明压电材料的应变是由其所受到的应力产生的表明压电材料的应变是由其所受到的应力产生的应变和施加给压电材料的电场导致其产生的应变应变和施加给压电材料的电场导致其产生的应变之和，反映了压电材料将电能转换为机械能的关之和，反映了压电材料将电能转换为机械能的关系。系。Eiijjm imsdE表示压电材料所受到的应力对其应变的影响

7、施加给压电材料的电场强度 Em 对压电材料应变的影响。压电材料本构方程压电材料本构方程由施加给压电材料的应力与电场强度两部分的影由施加给压电材料的应力与电场强度两部分的影响组成，它反映的是压电材料将机械能转换为电响组成，它反映的是压电材料将机械能转换为电能的关系。能的关系。表示压电材料所受到的应力对其电位移的影响施加给压电材料的电场强度 Ek 对压电材料电位移的影响。TmmiiikkDdE压电智能驱动器压电智能驱动器v 压电陶瓷是研究智能工程结构驱动装置时较为常用的一种。驱动器利用压电材料所具有的逆压电效应使其工作，致动器能直接将控制器输出的电信号转变为结构的应变或位移，具有改变智能结构形状、

8、刚度，位置、固有频率、阻尼及其他机械特性的能力。压电陶瓷驱动器主要有薄片式与叠堆式两种。其提供的驱动力小，因而在轻质的桁架、梁、板等柔性结构中应用的较多，但其不太适合应用于复杂的土木工程结构减振系统当中。薄片式压电陶瓷驱动器压电陶瓷叠堆式压电陶瓷叠堆式驱动器驱动器压电陶瓷叠堆式驱动器，是由十几个到几百个压电陶瓷薄片以力学上串联，电学上并联的形式，用导电聚合物黏结在一起制成的，这样不但可以使压电陶瓷片做得很薄，而且可以降低驱动电压，增加驱动器的位移。此种压电驱动器有很强的储能能力，约束其变形时，可以提供相当大的驱动力。多层压电陶瓷片叠加方式压电智能驱动器reason 1压电驱动器的极限应变量普遍

9、较小，目前市场上压电材料的极限应变量一般在 0.1%左右，有一部分的极限应变量可达到0.2%，最新出现的压电单晶陶瓷材料的极限应变量也只有 0.5% 。显然，一般情况下压电驱动器不能承受实际建筑、桥梁等土建结构在地震动或强风作用下的变位，这已成为制约其在土木工程结构控制中得到实际应用的因素之一。压电智能驱动器压电智能驱动器压电智能驱动器压电智能驱动器压电智能力矩压电智能力矩控制装置控制装置压电智能压电智能轴力装置轴力装置AB智能压电智能压电驱动支撑驱动支撑D压电智能轴压电智能轴力力-力矩混合力矩混合控制装置控制装置CAxial Force ControlActive StrutBending

10、Moment ControlCombination适合用于土木结构控制当中的压电智能驱动器适合用于土木结构控制当中的压电智能驱动器压电智能驱动器压电智能驱动器压电智能力矩控制器压电智能力矩、轴力和轴力-力矩混合控制装置一般被置于框架结构或排架结构柱的底部。它们的结构形式大致相同，均由预压螺栓、力传感器、压电驱动器和刚性横梁四部分构成，压电智能驱动器压电智能驱动器压电智能驱动器工作原理示意图压电智能力矩、轴力和混合控制装置有着相同的结构形式，但是它们的工作原理却有所不同。压电智能驱动器压电智能驱动器压电智能力矩控制装置压电智能力矩控制装置的工作原理为：对位于同一力矩控制器中的压电驱动器，一边进行

11、增加电压的同时，另一边进行相同程度的减压，这样在柱的一边产生推力，另一边产生相等的拉力，形成力矩，从而在柱顶产生控制剪力。压电智能轴力控制装置压电智能轴力控制装置的工作原理为：使分别布置于相邻框架柱底部的两个轴力控制器，产生符号相反的力，在相邻框架柱中，一个承受拉力，另一个承受压力，从而在楼板处形成控制力矩。同时运用上述两种工作原理即可实现压电智能轴力-力矩混合控制装置。一般先用预压螺栓对压电驱动器施加预压力，并给压电一般先用预压螺栓对压电驱动器施加预压力，并给压电驱动器加上一定的初始电压，这样驱动装置既能够提供驱动器加上一定的初始电压，这样驱动装置既能够提供压力又能够提供拉力。压力又能够提供

12、拉力。压电智能摩擦耗能器压电智能摩擦耗能器传统的被动耗能阻尼器的减振技术相对比较成熟，如调频质量阻尼器、粘弹性阻尼器等，然而作为一种被动控制装置，它不能根据结构的用途、荷载情况和结构的响应而实时地改变结构自身的特性，因而在应用上有很大的局限性。为了克服传统被动耗能系统的缺点，将智能材料与被动耗能系统相结合，能极大地改善被动耗能阻尼器的性能压电智能摩擦耗能器压电智能摩擦耗能器根据结构减振要求，利用压电陶瓷的伸缩变形来改变摩擦片的紧固力，从而实时调整摩擦力，可以使摩擦耗能器具有智能的特性压电一摩擦耗能器的构造在耗能阻尼器基础上增加压电陶瓷垫圈复合而成的，耗能器摩擦力的调节是利用紧固螺栓的“压电陶瓷垫圈”的电致形变改变螺栓的紧固力来实现的。半主动半主动TMD系统系统Reading调谐质量阻尼器调谐质量阻尼器(TMD)：一种被动控制装置，并已应用在实际工程结构中。这种控制装置无论对风振还是地震引起的振动都有明显的减振效果。不足：不足： 受频率限制比较大，当激振为宽带激励或结构的响应是多个振型都起作用时，控制效果不明显，说明 TMD 的控制频域宽度很窄。由于实际工程结构的非线性因素、理论建模与