鋼筋混凝土梁聲發(fā)射檢測參數(shù)設(shè)置和受力特征試驗(yàn)研究

門進(jìn)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(jìn)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(yàn)研究，給出了混凝土強(qiáng)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(yàn)驗(yàn)證．本文主要通過試驗(yàn)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(jìn)行分析和計(jì)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(xiàn)[8]表明，一般無損檢測的門檻值是35 ～55dB，試驗(yàn)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(yàn)的方法來確定鋼筋混凝土梁檢測門檻值的大小．

1.1.1 預(yù)加載試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備

在鋼筋混凝土梁試件安裝就位后（正式加載試驗(yàn)概況見后文），在梁的前后表面同一位置處各取一個測點(diǎn)，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(yàn)）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(dāng)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(yàn)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(jìn)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(jìn)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(rèn)為主波分析處理，所以確定該參數(shù)時要謹(jǐn)慎．撞擊定義時間是為了正確確定撞擊事件終點(diǎn)而設(shè)置的撞擊信號等待時間．若過長會把幾個撞擊誤認(rèn)為只有一個撞擊；若過短則會把一個撞擊誤認(rèn)為幾個撞擊．一般為了能真實(shí)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(xiàn)[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(qiáng)度以及鋼筋的存在等，因此，很有必要通過試驗(yàn)確定其聲發(fā)射檢測時間參數(shù)的具體取值．

(1) 斷鉛試驗(yàn)概況

采用斷鉛試驗(yàn)確定適用于鋼筋混凝土梁構(gòu)件的時間參數(shù)．?dāng)嚆U采用0.5 mm的HB筆芯．傳感器測點(diǎn)的布置與門檻值測定試驗(yàn)中的相同（圖1）．2個測點(diǎn)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．?dāng)嚆U試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(dāng)放大作為峰值定義時間，本次試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(diǎn)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(jī)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(qiáng)度和配筋等均會對波速產(chǎn)生影響．本文仍采用斷鉛試驗(yàn)的方法測定聲發(fā)射波的波速．

測定波速時的斷鉛試驗(yàn)的傳感器測點(diǎn)布置與門檻值測定試驗(yàn)中的相同（圖 1）．具體的試驗(yàn)步驟為：(a) 在其中的1個測點(diǎn)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(dá)兩測點(diǎn)的時間．(c) 根據(jù)兩個測點(diǎn)之間的距離（即梁寬120 mm），以及信號到達(dá)兩傳感器的時間差即可計(jì)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(yàn)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(yàn)測得的波速結(jié)果較為理想，可作為計(jì)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(yàn)的進(jìn)行，往往假定斷鉛試驗(yàn)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(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)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(jìn)行配筋.混凝土的強(qiáng)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(yàn)加載和測試

試驗(yàn)采用的設(shè)備和裝置如圖3所示．試驗(yàn)設(shè)備包括試驗(yàn)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(diǎn)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(jì)、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(jìn)行采集和記錄．

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Experiment equipments

試驗(yàn)時，采用手動油壓千斤頂進(jìn)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(jìn)行聲發(fā)射信號的初步分析．

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象和主要結(jié)果分析

2.3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)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(diǎn)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(yàn)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(dá)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(dá)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(yàn)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(yàn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)，見圖6．

圖6 聲發(fā)射測點(diǎn)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(jìn)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(yàn)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(diǎn)的AE信號進(jìn)行分析，可建立AE參數(shù)（振幅、振鈴計(jì)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(diǎn)的結(jié)果，其他3個測點(diǎn)的規(guī)律相同．

圖7 AE參數(shù)-荷載曲線（3號測點(diǎn)）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(jì)數(shù)表示的是AE波活動性的大小．從圖7(a)可以看出，在屈服荷載之前，振鈴計(jì)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(jì)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(jì)數(shù)的變化情況來評估鋼筋混凝土梁的屈服荷載：當(dāng)振鈴計(jì)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(dá)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(qiáng)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(jìn)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(diǎn)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(biāo)的方程組．求解方程組，即可得到聲發(fā)射波源點(diǎn)的坐標(biāo)，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(diǎn)，至少需要3個測點(diǎn)數(shù)據(jù)，而在三維結(jié)構(gòu)中，至少需要4個測點(diǎn)數(shù)據(jù)．

對4個測點(diǎn)的AE信號進(jìn)行分析和計(jì)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(jì)算得到的裂縫位置與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好．分別位于2號測點(diǎn)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(jì)算得到的裂縫位置分布范圍較廣，點(diǎn)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(diǎn)的包圍區(qū)）的右半?yún)^(qū)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(diǎn)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(yàn)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(yàn)，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(yàn)，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(diǎn)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(diǎn)彎曲試驗(yàn)和聲發(fā)射測試，得到了振幅、振鈴計(jì)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(jì)數(shù)可用來評估鋼筋混凝土梁的屈服荷載，即，振鈴計(jì)數(shù)曲線上的突變點(diǎn)．利用能量曲線的突變點(diǎn)，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(jì)算得到的裂縫位置與試驗(yàn)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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