吳 超，胡強(qiáng)圣，楊 帆，郁董凱

1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 安慶 246001；2.江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，橋梁建設(shè)日益增多，橋梁事故也時(shí)有發(fā)生，因此對橋梁狀況的健康監(jiān)測和經(jīng)常性的質(zhì)量評估顯得尤為重要。

橋梁檢測技術(shù)有多種，目前比較常用的是聲發(fā)射檢測技術(shù)(Acoustic Emission，AE)。聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動態(tài)的無損檢測，只需將聲發(fā)射探頭附著在檢測對象表面的適當(dāng)位置，就可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測整個(gè)檢測對象。當(dāng)檢測對象受到荷載作用時(shí)，它能及時(shí)檢測到材料內(nèi)部發(fā)生的變化[1-2]，具有其他無損檢測技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對聲發(fā)射檢測技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，其中李冬生等分析了鋼絞線在拉伸過程中AE信號的相關(guān)特性，并對四川省峨邊大渡河拱橋的吊桿進(jìn)行了檢測[4-5]；Yoon等利用AE傳感器和應(yīng)變片，監(jiān)測了首爾 Dang-san鐵路橋在動荷載作用下疲勞裂紋的發(fā)展[6]。本文通過對試驗(yàn)梁加載至破壞的聲發(fā)射試驗(yàn)并采集聲發(fā)射信號，利用相關(guān)的聲發(fā)射分析方法對構(gòu)件的損傷演化過程進(jìn)行分析，并定性或定量地評估損傷程度，以實(shí)現(xiàn)鋼筋砼構(gòu)件損傷狀態(tài)的AE信號識別。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)梁的制作

試驗(yàn)試件在工地加工成型，尺寸為150 mm×250 mm×1 200 mm，按照適筋梁配筋，其中受力筋HRB335，箍筋HPB300，如圖1所示。在試件上澆筑C50商品混凝土，在養(yǎng)護(hù)至混凝土強(qiáng)度符合張拉要求后，張拉鋼絞線并錨固。

圖1 試件配筋示意圖(mm)Fig 1 Schematic diagram of specimen reinforcement(mm)

1.2 聲發(fā)射儀器及參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)的AE儀器為聲華科技SAEU2 S-4通道USB系統(tǒng)，頻率范圍1 kHz～400 kHz，如圖2所示。其16位A/D轉(zhuǎn)換器，可以同時(shí)采集波形和AE參數(shù)。試驗(yàn)中撞擊定義時(shí)間THDT通常采用峰值定義時(shí)間TPDT的2～3倍，而撞擊閉鎖時(shí)間THLT比撞擊定義時(shí)間THDT要大20%左右。

根據(jù)測試對象和實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場條件進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試后，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖2 聲發(fā)射儀器Fig 2 Acoustic emission instrument

表1 聲發(fā)射檢測參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting of AE detection parameters

1.3 加載方式

采用油壓千斤頂為加載儀器，其額定起重量為50 t，試驗(yàn)裝置如圖3所示。加載前為了減少噪音的影響，在幾個(gè)接觸點(diǎn)均加上隔音材料，同時(shí)也排除了加載過程中其他加載噪音對聲發(fā)射信號的干擾。加載時(shí)需預(yù)加載2次，第一次是為了減少試驗(yàn)裝置之間的間隙，第二次是為了消除鋼筋與混凝土之間的原有缺陷。荷載采用分級加載方式，直至試件喪失承載力。各級加載力如表2所示。收集所有加載過程中的AE信號，得到圖4所示的各級荷載的AE信號圖( 由于第一級荷載較小，基本上沒有AE現(xiàn)象，故圖中沒有畫出第一級荷載的AE信號)。

2 聲發(fā)射信號的參數(shù)分析

分析圖4每一級荷載過程中AE信號的上升時(shí)間與幅值的相關(guān)性，得出如下結(jié)論：

圖3 試驗(yàn)裝置布置圖Fig 3 Layout drawing of test device

表2 各級加載力Table 2 Loading force at all levels

(1)試件在初始損傷階段，即加載至第2、3級荷載(圖4a、圖4b)時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)非常少，甚至沒有，這是由于預(yù)應(yīng)力的存在，加載初期的荷載由鋼絞線承擔(dān)了；同時(shí)該階段聲發(fā)射數(shù)據(jù)信號的幅值基本為70 dB以下的低幅值信號，且持續(xù)時(shí)間在500 μs以下，數(shù)據(jù)沒有呈現(xiàn)離散性。

(2)試件在梁微裂縫形成階段，即加載至第4、5級荷載(圖4c、圖4d)時(shí)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)分散，但是分散性的程度還較小；隨著幅值超過70 dB的AE信號的增加，集中在80～100 dB范圍內(nèi)的AE信號逐漸出現(xiàn)，但是信號還非常少；此時(shí)出現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間在500 μs以上的AE信號，這是細(xì)微損傷的擴(kuò)展階段，也是微裂紋萌生階段，加載初期的損傷在更高一級荷載的作用下，較小的損傷在應(yīng)力集中的作用下匯聚成裂紋，混凝土之間的骨料出現(xiàn)開裂；這一階段結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷累積還處于較低的狀態(tài)，其對構(gòu)件承載力影響較小，結(jié)構(gòu)外觀完好。

圖4 上升時(shí)間與幅值隨加載周期的變化關(guān)系Fig 4 Relationship between rise time and amplitude with loading period

(3)試件在帶裂縫工作階段，即加載至第6級荷載(圖4e)時(shí)，AE信號幅值點(diǎn)的離散性顯著增加，說明此時(shí)是結(jié)構(gòu)損傷累積的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)(出現(xiàn)第一條宏觀裂縫，圖5a)；持續(xù)時(shí)間在500 μs以上的AE信號顯著增加，同時(shí)在80～100 dB范圍內(nèi)的高幅值信號也有了顯著增加，前幾個(gè)階段集聚的能量在此階段得到釋放。

試件在第7級荷載(圖4f)時(shí)，AE信號幅值的離散性逐漸呈下降趨勢，同時(shí)微裂縫匯集成較為明顯的宏觀裂縫；試件梁的跨中出現(xiàn)了細(xì)小的裂縫，裂縫貫穿于試件的側(cè)面，并且進(jìn)一步擴(kuò)展。此時(shí)鋼筋混凝土梁仍處于安全階段。

(4) 試件梁的失效破壞階段，即第8級荷載(圖5b)至破壞(圖4g～圖4i)時(shí)，AE信號數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯增加，到第10級荷載達(dá)到了峰值；幅值在80～100 dB的信號顯著增加，持續(xù)時(shí)間在1 000 μs以上的信號也明顯增加，說明此時(shí)試件梁開始

進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段，試件梁出現(xiàn)較大的貫通截面裂縫，試件承載力迅速下降。

a 第6加載階段

b 第8加載階段 圖5 宏觀裂縫發(fā)展圖Fig 5 Diagram of macroscopic fracture development

3 聲發(fā)射幅值分析

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高幅值A(chǔ)E信號的增多可能是裂縫匯聚發(fā)展的征兆，所以應(yīng)進(jìn)一步分析AE信號幅值的變化規(guī)律。下面將信號幅值分為(0，60]dB、(60，70]dB、(70，80]dB、(80，+∞)dB 4個(gè)區(qū)間，得到各幅值區(qū)間信號的百分比，如圖6所示。

圖6 幅值信號百分比曲線Fig 6 Percentage curve of amplitude signal

由圖6可知，試件加載至失穩(wěn)破壞的過程中，AE信號幅值基本集中在(0，60]dB和(60，70]dB兩個(gè)區(qū)間，且兩個(gè)區(qū)間的信號數(shù)量很接近，都約在45%左右；而(70，80]dB和(80，+∞)dB的AE信號占信號總量的百分比有較大的波動，但總體呈現(xiàn)出增加的趨勢。

在整個(gè)加載過程中，(60，70]dB區(qū)間的信號與試件裂縫的發(fā)展有關(guān)，因?yàn)檎麄€(gè)加載過程中都伴隨著損傷的出現(xiàn)，這些損傷不斷地集聚成新的微裂縫，可以認(rèn)為混凝土梁損傷發(fā)展至微裂縫的過程中產(chǎn)生較多的低幅值A(chǔ)E信號。而在加載前期產(chǎn)生的高幅值信號是由于鋼絞線受力導(dǎo)致的，當(dāng)加載到第8級荷載試件即將進(jìn)入破壞階段時(shí)，高幅值信號呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的上升趨勢，說明在荷載持續(xù)遞增的情況下，試件的裂縫快速地向截面深處發(fā)展，直至貫通整個(gè)截面。

由上分析可知，高幅值A(chǔ)E信號[(80，+∞)dB]數(shù)量較少，構(gòu)成構(gòu)件的宏觀裂縫；而中高幅值[(70～80]dB]信號數(shù)量比較多，代表了混凝土的微觀裂縫。

4 基于ISA強(qiáng)度準(zhǔn)則的預(yù)應(yīng)力砼梁損傷分析

根據(jù)加載過程中采集到的AE信號，可以用信號強(qiáng)度分析(ISA)技術(shù)檢測試件梁的損傷，并對試件梁的承載力進(jìn)行安全評估。信號強(qiáng)度分析技術(shù)有2個(gè)重要的評估指標(biāo)，分別為歷史指標(biāo)H和嚴(yán)重程度指數(shù)S。在預(yù)應(yīng)力砼梁損傷分析中，可以通過采集損傷破壞的獨(dú)立通道AE事件來統(tǒng)計(jì)這兩個(gè)指標(biāo)。

歷史指標(biāo)H使用如下公式計(jì)算[7-11]：

(1)

式中：H為歷史指標(biāo)；N為撞擊數(shù)量；Si為第i個(gè)撞擊的信號強(qiáng)度，mV；K為檢測對象的經(jīng)驗(yàn)衍生常數(shù)，對于混凝土材料，K可按表3取值。

表3 歷史指數(shù)的K值Table 3 K values for Historical Index

嚴(yán)重指數(shù)S ，使用以下方程計(jì)算：

(2)

式中:S為嚴(yán)重指數(shù)，mV；J為基于材料的經(jīng)驗(yàn)衍生常數(shù)；N為撞擊數(shù)量；Sm為第m次撞擊信號的強(qiáng)度，mV。對于混凝土材料，J按表4取值。

表4 嚴(yán)重程度指標(biāo)的J值Table 4 J value of severity index

圖7為試件不同強(qiáng)度區(qū)域聲發(fā)射的特征，表5為各強(qiáng)度等級的含義。

圖7 強(qiáng)度分析圖表的例子Fig 7 Example of intensity analysis chart

基于強(qiáng)度分析準(zhǔn)則，對C50試件梁的AE信號進(jìn)行計(jì)算，得到歷史指標(biāo)H與嚴(yán)重程度指數(shù)S關(guān)系(圖8)、加載階段與歷史指標(biāo)H關(guān)系(圖9)、加載階段與試件梁應(yīng)變關(guān)系(圖10)。

a 梁1

b 梁2圖8 預(yù)應(yīng)力鋼筋砼梁C50試件梁的ISA評價(jià)分析Fig 8 ISA evaluation and analysis of prestressed reinforced concrete beam C50 specimen beam

圖9 試件各加載階段的H值Fig 9 H value of specimen at each loading stage

圖10 試件各加載階段應(yīng)變和H指標(biāo)曲線Fig 10 The strain and H index curves of the specimen at each loading stage

由圖8可知：第1、2級荷載處于A級水平，此時(shí)荷載主要有預(yù)應(yīng)力承擔(dān)，試件基本沒有損傷，但有極少的AE信號，可能是噪音；第3級荷載在B級水平，試件從薄弱的地方開始聚合并演化成裂紋，此時(shí)有效的AE事件逐漸出現(xiàn)；第4、5級荷載處于C級水平，裂紋開始匯集成裂縫并進(jìn)一步發(fā)展；第6、7級荷載處于D級水平，在這個(gè)階段，表面裂縫向截面深處發(fā)展，開始出現(xiàn)較深的宏觀裂縫(第7級荷載出現(xiàn)第一條裂縫，并貫穿保護(hù)層)；第8、9、10級荷載處于E級水平，此階段宏觀裂縫逐漸增加，到第10級荷載時(shí)出現(xiàn)貫穿截面的裂縫，此時(shí)構(gòu)件進(jìn)入破壞失效階段。

由圖9、圖10可以看出：在荷載開始階段，由于試件中張拉的預(yù)應(yīng)力使試件下部混凝土處于受壓狀態(tài)，H指數(shù)和應(yīng)變均較小，試件損傷較小；隨著外部荷載的遞增，AE信號的H指數(shù)顯著提升，試件承載力逐步下降，更多的裂縫貫穿截面，試件逐漸進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段；當(dāng)加載到第6級荷載附近時(shí)H指數(shù)急劇增長，微觀裂縫開始發(fā)展成為宏觀裂縫，而后較小的裂縫都會產(chǎn)生聲發(fā)射活動。

從圖10還可以看出：預(yù)應(yīng)力鋼筋砼梁的鋼筋應(yīng)變與H指數(shù)變化趨勢非常接近，均是在第6級荷載發(fā)生突變，即宏觀裂縫出現(xiàn)后曲線進(jìn)入快速上升階段。因此，H指數(shù)可以很好地演化試件的損傷，可以將H指標(biāo)的快速上升視為試件從微觀裂紋向宏觀裂紋拓展的直接表現(xiàn)，由H值呈現(xiàn)上升的趨勢可以推斷有較大的損傷出現(xiàn)(也即出現(xiàn)宏觀的裂縫)。

5 結(jié)論

根據(jù)梁各階段的損傷破壞規(guī)律，利用相關(guān)方法對分級加載至破壞的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁進(jìn)行AE檢測與信號分析，得出如下結(jié)論：

(1)試件梁加載過程中的AE信號與其損傷的發(fā)展過程有很好的相關(guān)性。根據(jù)鋼筋混凝土梁各階段的損傷特性，通過對其上升時(shí)間與幅值分布圖的分析，得出梁損傷的4個(gè)階段，即微損傷階段、微裂縫形成階段、帶裂縫工作階段和破壞失效階段。

(2)在聲發(fā)射分析中，不同幅值區(qū)間的信號代表不同損傷的類型。微裂縫的發(fā)展產(chǎn)生大量低幅值信號，而宏觀裂紋的拓展產(chǎn)生少量的高幅值信號，高幅值信號能較好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)重要損傷的特性。

(3)采用ISA信號強(qiáng)度分析準(zhǔn)則能定性評價(jià)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的損傷狀況，其中H指數(shù)能較好地跟蹤結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性損傷的出現(xiàn)，H指數(shù)的上升直接反映了微裂紋向宏觀裂紋的發(fā)展情況。