利用压电陶瓷传感器(PZT)的结构健康监测技术近年来取得了长足发展。众多国内外的学者将基于PZT的监测技术应用于土木工程大型结构主动监测的研究中,以期望能够得到结构的实时健康状况,并对潜在的危险做出预警。钢筋混凝土结构在土木工程中被广泛使用于重要的高层建筑和大型基础设施,其安全和稳定与人们的生命财产安全密切相关,因此研究混凝土结构的主动监测具有十分重要的意义。前期研究中,以PZT型智能钢筋为传感元件的监测系统利用导向波法成功地检测了混凝土结构中钢筋的脱粘损伤,得到了智能钢筋的输出信号和脱粘尺寸间的定量关系,据此建立了脱粘的损伤指数。本文基于以上研究,借助于实验和有限元模拟两种手段进一步研究了应力波在结构中的传播方式,探讨了智能钢筋系统对混凝土的其他损伤形式的探伤机理,为相关的损伤识别系统和工程实践应用提供了基础。主要的工作内容包括以下几个方面:(1)介绍了近几年结构健康监测在土木工程领域的应用和研究现状以及PZT换能器的工作原理,并详细解释了以PZT压电陶瓷片为检测元件的导向波法的原理。通过总结前期的实验结果和数值模拟结果,提出了以PZT型智能钢筋应用于混凝土结构的健康监测还存在的问题和困难。(2)针对混凝土材料阻尼较大使得输出的应力波强度不能满足实际应用需求的问题,提出了从PZT的配置数量,配置方式和PZT的尺寸三个方面对智能钢筋系统进行优化。通过实验和模拟,主要对后两种优化方式进行了研究。在模拟中,对前期二维模拟的模型进行了改进,尤其是为保证与实验PZT面积一致所进行的PZT尺寸调整。实验结果和模拟结果都表明通过PZT的配置方式优化和采用较大尺寸的PZT片都可以使得智能钢筋系统的输出信号强度成倍地增加。(3)通过实验和数值模拟对智能钢筋的输出信号和周围保护层厚度的关系做了研究,优化了先前的三维模型。实验结果和模拟结果均显示智能钢筋的输出信号随着混凝土厚度的增加呈指数形式衰减。在该定量关系的基础上,提出了利用智能钢筋检测CA砂浆层脱空损伤的方法,借助数值模拟对无砟轨道中CA砂浆层脱空损伤的工况进行了研究,证明了该方法的可行性。(4)针对混凝土结构中常见的裂缝损伤,提出了以智能钢筋为基础的监测网络的概念。利用PZT在不同钢筋上的异位布置构成损伤监测网络,并且选择了监测混凝土裂缝的检测路径。通过实验和三维数值模拟的方法,结果显示了智能钢筋的输出信号随着单个裂缝深度的增加呈线性减小,而且随着裂缝数目的增加呈指数形式的衰减。证明利用智能钢筋网络能够检测混凝土的裂缝。