門進杰，朱 樂，李 歡，王曉丹

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安710055）

聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）檢測技術(shù)是一種重要的動態(tài)無損檢測方法，通過材料內(nèi)部由于局部應(yīng)變能的快速釋放而產(chǎn)生的瞬時彈性波來判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷程度，在壓力容器評價、管線泄漏探查、結(jié)構(gòu)性能評估等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-2]．

在土木工程領(lǐng)域，聲發(fā)射檢測的主要目的，是通過對AE波形或AE參數(shù)的分析，得到材料或構(gòu)件的受力特征，進而評估結(jié)構(gòu)的受力性能．目前，針對聲發(fā)射參數(shù)與混凝土材料損傷變量之間的耦合關(guān)系已有不少的研究．Sadowska等[3]通過試驗研究，給出了混凝土強度與聲發(fā)射參數(shù)之間的關(guān)系．Ohtsu等[4]提出了聲發(fā)射速率過程理論，建立了聲發(fā)射參數(shù)與混凝土應(yīng)力水平之間的關(guān)系．李旭和李宏男等[5]利用能量平衡原理，建立了聲發(fā)射參數(shù)與斷裂力學(xué)參數(shù)的耦合關(guān)系．江煜和許飛云等[6]利用聲發(fā)射層析成像，通過波速變化慢度圖來定位結(jié)構(gòu)的損傷位置．

然而，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于鋼筋的存在，改變了混凝土的受力性能，且對AE波的傳播會產(chǎn)生一定的影響．因此，素混凝土材料和構(gòu)件的 AE檢測方法是否適用于鋼筋混凝土構(gòu)件，尚需大量的試驗驗證．本文主要通過試驗研究，在對鋼筋混凝土梁聲發(fā)射檢測參數(shù)設(shè)置研究的基礎(chǔ)上，對AE參數(shù)進行分析和計算，擬揭示利用AE參數(shù)評估鋼筋混凝土梁主要受力特征參數(shù)（開裂荷載和屈服荷載）的規(guī)律和方法．

1 鋼筋混凝土梁聲發(fā)射檢測參數(shù)的確定

檢測參數(shù)的合理確定是聲發(fā)射檢測結(jié)果正確與否的關(guān)鍵．目前，針對金屬等材料聲發(fā)射檢測參數(shù)設(shè)置的研究較為成熟，而對混凝土材料，特別是鋼筋混凝土材料聲發(fā)射檢測參數(shù)的研究較少[7]．聲發(fā)射的檢測參數(shù)主要有檢測門檻（閾值）、相關(guān)的時間參數(shù)和聲發(fā)射波的波速等．

1.1 聲發(fā)射檢測門檻的確定

門檻值是聲發(fā)射信號參數(shù)的檢測閾值．確定門檻值主要是為了濾掉檢測現(xiàn)場的噪聲．文獻[8]表明，一般無損檢測的門檻值是35 ～55dB，試驗條件和材料不同時門檻值也會不同．本文采用預(yù)加載試驗的方法來確定鋼筋混凝土梁檢測門檻值的大?。?/p>

1.1.1 預(yù)加載試驗的前期準備

在鋼筋混凝土梁試件安裝就位后（正式加載試驗概況見后文），在梁的前后表面同一位置處各取一個測點，并粘貼聲發(fā)射傳感器，如圖1所示．

圖1 傳感器布置照片（預(yù)加載試驗）Fig.1 Photo of AE sensor location （for pre-test）

首先把門檻值設(shè)置為一較小值，如20 dB，然后在不加載的情況下分析聲發(fā)射信號．此時，仍能接收到很多平穩(wěn)的信號．這些信號在每單位時間產(chǎn)生的能量近似相等，兩個傳感器收到的信號幅值也基本一樣．由此可知，門檻值為20 dB時會收集到噪聲信號．故將其提高到25 dB和30 dB，結(jié)果相同，故還需再提高．當門檻值為35 dB時，不但沒有撞擊事件出現(xiàn)，同時信號的能量也為 0，說明此時未加載也未接收到噪聲信號．

1.1.2 預(yù)加載和鋼筋混凝土梁檢測門檻取值

由前述分析可知，本文鋼筋混凝土梁檢測門檻的最低取值為35 dB．考慮到試驗加載過程中可能出現(xiàn)的不確定噪聲，將該值提高到40 dB．進行預(yù)加載．一次施加2%的Fu(Fu為預(yù)估的最大荷載值)，并對聲發(fā)射信號進行分析．此時只采集到極少數(shù)的聲發(fā)射信號，且沒有聲發(fā)射事件出現(xiàn)．因此，以40 dB作為門檻值是合理的．

綜上所述，本文建議采用35～45 dB作為類似鋼筋混凝土梁的聲發(fā)射檢測門檻值．

1.2 聲發(fā)射時間參數(shù)的確定

1.2.1 時間參數(shù)簡介

聲發(fā)射的時間參數(shù)主要包括：峰值定義時間（PDT）、撞擊定義時間（HDT）和撞擊閉鎖時間（HLT）．峰值定義時間是為正確確定撞擊信號的上升時間而設(shè)置的最大峰值等待時間，應(yīng)盡量短一些，然而若選擇的間隔太短，則會把高速、低幅度的前驅(qū)波誤認為主波分析處理，所以確定該參數(shù)時要謹慎．撞擊定義時間是為了正確確定撞擊事件終點而設(shè)置的撞擊信號等待時間．若過長會把幾個撞擊誤認為只有一個撞擊；若過短則會把一個撞擊誤認為幾個撞擊．一般為了能真實的識別并描述 AE信號，常常使撞擊定義時間設(shè)置為峰值定義時間的2倍[7]．撞擊閉鎖時間是為了避免采集到反射波或遲到波而設(shè)置的關(guān)閉測量電路的時間間隔．為了使噪聲干擾得以有效消除，該時間間隔必須足夠長．

1.2.2 時間參數(shù)的確定方法

文獻[8]給出了不同類型材料時間參數(shù)的取值范圍，以供技術(shù)人員參考，見表1．

表1 時間參數(shù)的取值范圍Tab.1 Range of time parameters

從表1中可以看出，AE信號在不同材料中的傳播特性有很大差別．對于鋼筋混凝土構(gòu)件，由于影響其聲發(fā)射特性的因素眾多，例如，混凝土的組成、配合比、強度以及鋼筋的存在等，因此，很有必要通過試驗確定其聲發(fā)射檢測時間參數(shù)的具體取值．

(1) 斷鉛試驗概況

采用斷鉛試驗確定適用于鋼筋混凝土梁構(gòu)件的時間參數(shù)．斷鉛采用0.5 mm的HB筆芯．傳感器測點的布置與門檻值測定試驗中的相同（圖1）．2個測點之間的距離為120 mm．為了能接收到斷鉛信號，往往會初始假定時間參數(shù)，初始選取PDT＝50 μs，HDT＝200 μs，HLT＝300 μs．斷鉛試驗時，將鉛筆芯放置在1號傳感器所在梁的表面，連續(xù)做20次斷芯，注意必須保持每次斷芯的角度相同，鉛芯每次伸長量均為2.5 mm．如此，2號傳感器共接受到 20次斷芯脈沖信號，其中的上升時間見表 2所示．

表2 上升時間的測試結(jié)果/μsTab.2 Test result of rise time / μs

從表2可以看出，由斷鉛試驗得到的聲發(fā)射信號上升時間均處于32.4～34.2 μs之間，均值為 33.23 μs，變異系數(shù)為0.015，離散性較小，表明本次斷鉛試驗結(jié)果較為理想，可作為時間參數(shù)的確定依據(jù)．

(2) 時間參數(shù)的確定

對表2中得到的上升時間均值適當放大作為峰值定義時間，本次試驗峰值定義時間取為50 μs．由上述時間參數(shù)的定義可知，撞擊定義時間為峰值定義時間的2倍，故可取為100 μs；而撞擊閉鎖時間一般均比撞擊鑒別時間大一些，所以取250 μs作為撞擊閉鎖時間值．由斷鉛試驗確定的時間參數(shù)，峰值定義時間50 μs，撞擊定義時間100 μs撞擊閉鎖時間 250 μs．

因此，在進行與本文類似試件的既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的聲發(fā)射檢測時，可以參考上表來確定相應(yīng)的時間參數(shù)．

1.3 聲發(fā)射波波速的測定

聲發(fā)射波的波速是確定裂縫開裂點的重要依據(jù)，因此，在評估鋼筋混凝土梁試件的裂縫位置之前，需要測定波在鋼筋混凝土中的傳播速度．研究表明，聲發(fā)射波在鋼筋混凝土試件內(nèi)部的傳播機理較為復(fù)雜，還會產(chǎn)生反射、折射等現(xiàn)象；此外，試件的組成、強度和配筋等均會對波速產(chǎn)生影響．本文仍采用斷鉛試驗的方法測定聲發(fā)射波的波速．

測定波速時的斷鉛試驗的傳感器測點布置與門檻值測定試驗中的相同（圖 1）．具體的試驗步驟為：(a) 在其中的1個測點處連續(xù)斷鉛20次，斷鉛要求與前文相同．(b) 記錄初波信號（P波）分別到達兩測點的時間．(c) 根據(jù)兩個測點之間的距離（即梁寬120 mm），以及信號到達兩傳感器的時間差即可計算出 AE信號在試件內(nèi)的傳播速度．按上述步驟測得的聲發(fā)射波在鋼筋混凝土梁中的傳播速度見表3．

表3 波速測試結(jié)果Tab.4 Test result of AE wave velocity

從表3可以看出，由斷鉛試驗得到的波速最小值為4 332.1 m/s，最大值為4 687.5 m/s，均值為4 515.8 m/s，變異系數(shù)為0.025，離散性較小，表明本次試驗測得的波速結(jié)果較為理想，可作為計算裂縫位置的依據(jù)．

需要說明的是，聲發(fā)射波在不同材料中的波速值不同，其在同一材料或試件的不同損傷階段的波速值也是不同的．為了便于聲發(fā)射檢測試驗的進行，往往假定斷鉛試驗求得的平均波速值就是聲發(fā)射信號在鋼筋混凝土梁中的傳播速度．

2 試驗概況

2.1 試件設(shè)計

本次試驗所用試件是鋼筋混凝土簡支梁，尺寸為2 800 mm（長）×120 mm（寬）×180 mm（高）.按照適筋梁進行配筋.混凝土的強度等級為C20，受拉縱筋為214，受壓縱筋為28，箍筋為 6@100，試件的配筋見圖2．

圖2 鋼筋混凝土梁配筋圖Fig. 2 Reinforcement of RC beam

2.2 試驗加載和測試

試驗采用的設(shè)備和裝置如圖3所示．試驗設(shè)備包括試驗臺座、千斤頂、分配梁等．千斤頂施加的豎向荷載通過兩端支撐于三分點處的分配梁傳遞給試件；荷載大小通過荷載傳感器測試．在試件跨中布置位移計、在試件兩端布置千分表以測試其跨中位移．此外，在跨中截面的2根受拉縱筋和2根受壓縱筋上分別布置兩個應(yīng)變片，以測試其縱筋應(yīng)變；在跨中混凝土表面沿高度方向布置5個混凝土應(yīng)變片．上述荷載、應(yīng)變和撓度均通過TDS602動態(tài)采集儀進行采集和記錄．

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Experiment equipments

試驗時，采用手動油壓千斤頂進行分級加載，在試件屈服前每級加載 5 kN，屈服后每級加載 3 kN．每級加載完成后，保持2 min，以方便描繪裂縫和進行聲發(fā)射信號的初步分析．

2.3 試驗現(xiàn)象和主要結(jié)果分析

2.3.1 試驗現(xiàn)象

當加載到約5 kN左右（開裂荷載）時，在梁側(cè)面出現(xiàn)第一條豎向裂縫；之后隨著荷載的增大，梁側(cè)面陸續(xù)出現(xiàn)多條裂縫，且裂縫寬度不斷變大，同時沿著梁高方向向上發(fā)展，有向跨中加載點處靠攏的趨勢．到了加載后期，梁的撓度明顯加大，裂縫不斷增多，且在梁的頂面也出現(xiàn)裂縫．直到加載到約40 kN（極限荷載）時，跨中裂縫上下貫通，梁頂面的混凝土發(fā)生剝落，此時梁被壓壞，失去承載能力．梁的最終破壞形式如圖4所示．

圖4 梁的最終破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of the beam

2.3.2 荷載－撓度曲線

試驗得到的荷載-跨中撓度曲線見圖5．可以看出，剛加載時，兩者的關(guān)系為直線，試件處于彈性階段．荷載達到約5.7 kN時，曲線的斜率開始降低，表明混凝土已經(jīng)開裂．隨著荷載的增加，曲線逐漸偏向撓度軸，表明裂縫的不斷發(fā)展對跨中截面的剛度影響很大．加載后期，撓度急劇增加，試件逐漸失去承載力，試件達到破壞狀態(tài)．

圖5 荷載-跨中撓度關(guān)系圖Fig.5 Load and midspan displacement curve

由于從試驗數(shù)據(jù)和圖5中不能明顯看出試件的屈服荷載，因此，采用幾何作圖法，結(jié)合試驗結(jié)果，得到試件的屈服荷載（Fy）約為31.5 kN，對應(yīng)的屈服撓度（fy）約為16.5 mm．

3 鋼筋混凝土梁受力特征評估

3.1 聲發(fā)射測試方案

在對鋼筋混凝土梁試件進行豎向加載的同時，利用聲發(fā)射系統(tǒng)對加載過程中的AE信號進行采集和處理.聲發(fā)射的測試區(qū)域位于試件純彎段和彎剪段的結(jié)合部，共布置4個測點，見圖6．

圖6 聲發(fā)射測點布置Fig.6 Arrangement of AE sensors

3.2 初裂荷載和屈服荷載的評估

對于鋼筋混凝土梁來說，開裂荷載（Fcr）和屈服荷載（Fy）是其受力特征的兩個重要參數(shù).本文擬通過對AE信號進行分析，探討其AE參數(shù)與上述兩個關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系．

根據(jù)試驗加載和聲發(fā)射測試的相應(yīng)時間記錄，將每個加載階段的聲發(fā)射參數(shù)提取出來，分別對每個測點的AE信號進行分析，可建立AE參數(shù)（振幅、振鈴計數(shù)、能量和上升時間等）與荷載之間的關(guān)系，如圖7所示．由于篇幅所限，本文僅給出3號測點的結(jié)果，其他3個測點的規(guī)律相同．

圖7 AE參數(shù)-荷載曲線（3號測點）Fig.7 AE parameters and load curves (for No.3 sensor)

從圖7 可以看出，在整個加載過程中，各AE參數(shù)的變化規(guī)律是不同的．AE信號的振幅隨荷載的增大沒有明顯變化，一直保持在59.5～61.5 dB之間．表明AE信號的振幅與鋼筋混凝土梁的開裂荷載和屈服荷載之間，沒有明顯的關(guān)系．這也說明，在不同加載階段，各混凝土裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展是比較均勻和均衡的．振鈴計數(shù)表示的是AE波活動性的大?。畯膱D7(a)可以看出，在屈服荷載之前，振鈴計數(shù)的變化范圍不大，處于 59～65個之間，相差比率不到10 %；而在屈服荷載之后，振鈴計數(shù)有一個明顯的上升段，從55個增大到70個，增大比率為27 %，表明混凝土裂縫的發(fā)展和變化在試件屈服之后顯著增大．因此，本文建議可以利用振鈴計數(shù)的變化情況來評估鋼筋混凝土梁的屈服荷載：當振鈴計數(shù)的變化率由一個相對穩(wěn)定的較小值突然增大時，相應(yīng)的荷載很有可能就是其屈服荷載．上升時間是AE波從第一次超過閾值到第一次達到峰值振幅所需的時間，可用于對結(jié)構(gòu)破壞類型分類[1]．從圖 7(b)可以看出，在開裂荷載與屈服荷載之間，AE波的上升時間變化不大，分析原因，該階段主要是體現(xiàn)為彎曲破壞特征；而在屈服荷載之后，上升時間明顯增大，分析原因，鋼筋混凝土梁在屈服之后，受剪破壞的特征逐漸增大．能量可以反映 AE源事件的強度大小[1]，雖然它不是真正物理意義上的能量值，但從圖 7(b）可以看出，可以用該參數(shù)表征鋼筋混凝土梁的開裂荷載和屈服荷載．即，在試件初裂時，能量顯著降低，能量曲線有突變；而在試件進入屈服階段時，能量又顯著增加，能量曲線也有突變；中間階段，由于裂縫發(fā)展比較平穩(wěn)，故能量曲線也變化不大．

3.3 裂縫位置的評估

聲發(fā)射測試時，若聲發(fā)射源X0(x0, y0, z0)在t0時刻產(chǎn)生的事件，被傳感器Xi(xi, yi, zi,)接受到的時間為ti，則兩點之間的距離di可用式(1)表示：

利用AE波的傳遞時間差，di還可以表示為

式中，Vp是P波的波速．

利用上述兩式即可組成聲發(fā)射波源坐標的方程組．求解方程組，即可得到聲發(fā)射波源點的坐標，即為裂縫開裂位置．在平面結(jié)構(gòu)中，若要確定一個裂縫開裂點，至少需要3個測點數(shù)據(jù)，而在三維結(jié)構(gòu)中，至少需要4個測點數(shù)據(jù)．

對4個測點的AE信號進行分析和計算，得到試件在初裂和屈服時的裂縫位置分布見圖 8（圖中的縱、橫向刻度單位分別為5 cm和6 cm）．

從圖8(a)可以看出，對于兩條初始裂縫，基于AE參數(shù)計算得到的裂縫位置與試驗結(jié)果吻合較好．分別位于2號測點右側(cè)約10 cm和22 cm處．對于屈服荷載時的裂縫分布，從圖8(b)可以看出，基于AE參數(shù)計算得到的裂縫位置分布范圍較廣，點較密集的區(qū)域可以看作是主要裂縫的形成區(qū)．對于測試區(qū)域（4個測點的包圍區(qū)）的右半?yún)^(qū)，計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好，均有3條較明顯的裂縫，且位置誤差不超過1 cm．對于測試區(qū)域的左半?yún)^(qū)，計算結(jié)果與試驗結(jié)果略有差別，雖然均有3條相對明顯的裂縫，但裂縫位置誤差相對較大，約為 4 cm．分析原因，可能是受測點數(shù)量和布置形式的影響而產(chǎn)生．

圖8 裂縫位置對比圖Fig.8 Comparison of the crack locations

4 結(jié)論

通過試驗研究，給出了鋼筋混凝土梁聲發(fā)射檢測參數(shù)的設(shè)置方法，揭示了利用AE參數(shù)表征鋼筋混凝土梁主要受力特征的規(guī)律和方法，主要結(jié)論：

(1) 通過預(yù)加載試驗，得到了適用于鋼筋混凝土梁的門檻值確定方法，建議采用35～45 dB作為類似構(gòu)件聲發(fā)射檢測的門檻值．

(2) 通過斷鉛試驗，闡述了確定時間參數(shù)（PDT、HDT、HLT）和測定聲發(fā)射波速的要點和步驟．給出了適用于鋼筋混凝土梁的相應(yīng)時間參數(shù)的確定值和波速的測定值．

(3) 通過鋼筋混凝土梁四點彎曲試驗和聲發(fā)射測試，得到了振幅、振鈴計數(shù)、能量和上升時間等AE參數(shù)隨荷載的變化關(guān)系，以及試件在初裂和屈服時的裂縫位置情況．

(4) 振幅雖然與開裂荷載、屈服荷載之間沒有明顯關(guān)系，但可以表征試件受力過程中裂縫發(fā)展的均衡性．振鈴計數(shù)可用來評估鋼筋混凝土梁的屈服荷載，即，振鈴計數(shù)曲線上的突變點．利用能量曲線的突變點，可用來表征鋼筋混凝土梁的開裂荷載和屈服荷載．此外，在屈服荷載之后，上升時間也明顯增大．

(5) 對于初始裂縫，基于 AE參數(shù)計算得到的裂縫位置與試驗結(jié)果吻合較好；對于屈服荷載時的裂縫分布，在裂縫的數(shù)量上，兩種結(jié)果吻合較好，在裂縫位置上，誤差為1～4 cm．

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