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在服役期内，由于自然灾害、各种使用荷载、环境、疲劳效应、腐蚀、材料老化、人为等因素的存在，土木工程结构不可避免地会出现损伤的累积和抗力的衰减。这就迫使土木工程工作者们在结构累积损伤影响结构重要构件之前，通过建立合理、有效的健康监测技术，及时做出损伤诊断，进而对结构进行维修和加固，以防累积损伤的出现降低结构的安全性、适用性和耐久性。或者更严重地，导致结构的整体破坏，造成严重的人员伤亡和经济损失。近年来，压电陶瓷(Lead Zirconate Titanate，PZT)以其特有的正、逆压电效应而成为结构健康监测和损伤识别领域广泛研究和应用的智能材料之一。但是，现有的基于压电陶瓷的结构损伤识别方法，特别是基于压电阻抗技术的结构损伤识别方法主要是针对频域的，不利于应用于实时、在线的结构健康监测中，且损伤识别精度极易受到测量噪音的干扰。因此，本文在国家自然科学基金(No. 51278215, 51578260)以及国家重点研发计划(2016YFC0802002)的资助下，开展了基于压电陶瓷电压响应和时域统计矩的结构损伤识别研究。
本文综合理论分析、数值模拟及试验验证等手段，开展的相关研究工作和取得的成果主要包括以下几个方面：
(1)针对压电陶瓷的正压电效应和高敏感特性，理论推导了其应用于结构的动态应变响应测试的可行性，且证明了压电陶瓷的电压输出响应与结构被测部位的应变成正比关系。通过谱元法这一精确的动力学分析方法构建了梁结构的谱元法模型，同时结合具有抗噪声干扰能力的时域统计矩，提出了四阶电压统计矩这一损伤指标。然后根据损伤指标和遗传算法对谱元法模型进行优化，实现了结构的损伤单元定位和损伤程度的同时识别。数值和试验结果表明，四阶电压统计矩指标不仅具有很好的损伤定位和定量识别能力，还有很好的抗噪声能力。
(2)利用压电陶瓷的被动传感理论，针对四阶电压统计矩这一损伤指标，进一步提出了基于电压统计矩灵敏度分析的结构损伤识别方法。首先推导了梁结构在刚度损伤和附加质量块时的谱单元刚度矩阵；然后对四阶电压统计矩的灵敏度进行了分析并建立了迭代算法；然后以一个简支钢梁为例，对结构上的刚度损伤和附加质量块进行了定位和定量识别，并分析了测量噪声对该方法识别效果的影响。
(3)利用基于Laplace变换的谱元法，以铁木辛柯梁为研究对象，结合压电阻抗技术，构建了钢梁结构在完整及带裂纹情况下的压电梁模型。针对压电陶瓷的正、逆压电效应及结构的振动分析，推导了压电片的电压输出响应的理论公式。以四阶电压统计矩为损伤指标，结合差分优化算法，研究了钢梁结构的损伤识别两步法。通过一简支钢梁的电压输出试验数据，验证了压电片两端的输出电压理论推导的正确性。最后，利用试验数据首先对损伤单元进行了定位识别，分析了损伤指标与损伤程度及位置的关系，并在损伤识别方法的第二阶段识别得到了裂纹在损伤单元内的具体位置以及裂纹深度。
(4)利用压电阻抗技术和电压统计矩对钢筋混凝土梁进行了损伤识别研究。首先将钢筋混凝土材料看作是正交各项异性的，推导了钢筋混凝土材料的等效模量计算公式，并基于谱元法和压电阻抗技术构建了钢筋混凝土梁的压电梁模型。针对压电陶瓷的正、逆压电效应及结构的振动分析，推导了钢筋混凝土梁上压电片的电压输出响应的理论公式。通过一简支钢筋混凝土梁的电压输出试验数据，验证了压电片两端的输出电压理论推导的正确性。最后，利用试验数据先对损伤单元进行了定位识别，分析了损伤指标与损伤程度及位置的关系。
本文综合理论分析、数值模拟及试验验证等手段，开展的相关研究工作和取得的成果主要包括以下几个方面：
(1)针对压电陶瓷的正压电效应和高敏感特性，理论推导了其应用于结构的动态应变响应测试的可行性，且证明了压电陶瓷的电压输出响应与结构被测部位的应变成正比关系。通过谱元法这一精确的动力学分析方法构建了梁结构的谱元法模型，同时结合具有抗噪声干扰能力的时域统计矩，提出了四阶电压统计矩这一损伤指标。然后根据损伤指标和遗传算法对谱元法模型进行优化，实现了结构的损伤单元定位和损伤程度的同时识别。数值和试验结果表明，四阶电压统计矩指标不仅具有很好的损伤定位和定量识别能力，还有很好的抗噪声能力。
(2)利用压电陶瓷的被动传感理论，针对四阶电压统计矩这一损伤指标，进一步提出了基于电压统计矩灵敏度分析的结构损伤识别方法。首先推导了梁结构在刚度损伤和附加质量块时的谱单元刚度矩阵；然后对四阶电压统计矩的灵敏度进行了分析并建立了迭代算法；然后以一个简支钢梁为例，对结构上的刚度损伤和附加质量块进行了定位和定量识别，并分析了测量噪声对该方法识别效果的影响。
(3)利用基于Laplace变换的谱元法，以铁木辛柯梁为研究对象，结合压电阻抗技术，构建了钢梁结构在完整及带裂纹情况下的压电梁模型。针对压电陶瓷的正、逆压电效应及结构的振动分析，推导了压电片的电压输出响应的理论公式。以四阶电压统计矩为损伤指标，结合差分优化算法，研究了钢梁结构的损伤识别两步法。通过一简支钢梁的电压输出试验数据，验证了压电片两端的输出电压理论推导的正确性。最后，利用试验数据首先对损伤单元进行了定位识别，分析了损伤指标与损伤程度及位置的关系，并在损伤识别方法的第二阶段识别得到了裂纹在损伤单元内的具体位置以及裂纹深度。
(4)利用压电阻抗技术和电压统计矩对钢筋混凝土梁进行了损伤识别研究。首先将钢筋混凝土材料看作是正交各项异性的，推导了钢筋混凝土材料的等效模量计算公式，并基于谱元法和压电阻抗技术构建了钢筋混凝土梁的压电梁模型。针对压电陶瓷的正、逆压电效应及结构的振动分析，推导了钢筋混凝土梁上压电片的电压输出响应的理论公式。通过一简支钢筋混凝土梁的电压输出试验数据，验证了压电片两端的输出电压理论推导的正确性。最后，利用试验数据先对损伤单元进行了定位识别，分析了损伤指标与损伤程度及位置的关系。