基于AE全波形信號的鋼筋混凝土動態(tài)破壞監(jiān)測研究

摘要： 全波形聲發(fā)射信號分析是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢測的一種有效方法。分析了動態(tài)彎曲破壞下，鋼筋混凝土梁不同破壞階段全波形聲發(fā)射信號的頻譜特性。結(jié)果表明，在鋼筋混凝土梁破壞的各個階段，全波形聲發(fā)射信號的頻譜特性呈現(xiàn)規(guī)律性變化。隨著破壞嚴(yán)重，鋼筋混凝土的破壞機理呈現(xiàn)多樣化，聲發(fā)射信號功率譜密度的峰值頻率也顯著增加。

Abstract： Full waveform analysis of AE signal is an effective tool for damage evaluation of RF concrete structure. In this paper， the frequency spectrum of AE waveform signal is analyzed for the RF concrete beam subject to dynamic loading. The result is shown that the frequency spectrum of AE waveform signal perform regularly. With the increase of damage status， the failure mechanism becomes more complex and the peak frequency of PSD will increase observably.

關(guān)鍵詞： 動態(tài)破壞；鋼筋混凝土；聲發(fā)射；功率譜密度

Key words： dynamic failure；RF concrete；acoustic emission；power spectral density（PSD）

中圖分類號：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）08-0138-02

0 引言

聲發(fā)射（Acoustic emission，簡稱AE）是材料由于內(nèi)力或外力的作用下，形成裂紋而發(fā)生的瞬間能量釋放而形成彈性波的現(xiàn)象[1]。材料形成裂紋往往會造成材料內(nèi)部的損傷。因此，聲發(fā)射現(xiàn)象往往是對材料或結(jié)構(gòu)損傷過程的記錄。因此，聲發(fā)射是結(jié)構(gòu)損傷檢測和評估的一種有效工具。聲發(fā)射現(xiàn)象常被用于混凝土損傷檢測中。常見的方法包括AE速率理論[2]、NDIS-2421標(biāo)準(zhǔn)[3]、b值理論[4，5]、聲發(fā)射分形特性[6]等。

混凝土是一種內(nèi)部復(fù)雜的復(fù)合材料，內(nèi)部裂紋形成的機理復(fù)雜，破壞的方式不同，聲發(fā)射信號的波形特性也有所不同。因此，聲發(fā)射信號的波形信息也被用于混凝土的損傷檢測中[7]。地震作用是鋼筋混凝土破壞的主要原因之一，相比于靜態(tài)荷載，地震荷載是一種動態(tài)荷載。本文通過鋼筋混凝土梁的動態(tài)彎曲破壞試驗，分析了動態(tài)加載情況下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的全波形聲發(fā)射特性。

1 試驗分析

本文以鋼筋混凝土動態(tài)彎曲破壞試驗為例，分析鋼筋混凝土梁在動態(tài)荷載作用下的聲發(fā)射全波形信號特性。梁尺寸和配筋如圖1所示，混凝土強度為C30，縱筋用HRB335鋼筋，直徑為18mm；箍筋用HPB235鋼筋，直徑為6.5mm，間距為200mm，通長布置。縱筋配筋率分別為1.4%，箍筋配筋率為0.22%。為兩點動態(tài)加載，加載速率為30mm/s。聲發(fā)射傳感器布置如圖1所示，聲發(fā)射信號的采樣頻率為100MHz。

混凝土梁的荷載撓度曲線如圖2所示?；炷亮菏軓澠茐娜^程可分為三個階段，如圖2所示：在第Ⅰ階段，從荷載撓度曲線上來看，荷載撓度呈線性關(guān)系，梁的工作情況與勻質(zhì)彈性梁相似。由于混凝土的極限拉應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋的極限拉應(yīng)變，在此階段隨著梁撓度的增大，聲發(fā)射源以梁底部的混凝土微裂紋逐漸形成和拓展為主。在第Ⅱ階段，在梁底部的宏觀裂紋開始形成并逐漸加劇，受拉區(qū)尚未開裂的混凝土只承受很小的拉力，拉力主要由鋼筋承擔(dān)，在此階段的聲發(fā)射源以混凝土達(dá)到極限拉應(yīng)變引起的宏觀開裂為主。在第Ⅲ階段，受拉鋼筋屈服，裂縫寬度沿梁高向上延伸，隨著中和軸的不斷上移，受壓區(qū)高度進(jìn)一步減小，最后受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限抗壓強度而破壞。這一階段混凝土的拉伸斷裂已經(jīng)完成，聲發(fā)射源主要以鋼筋與混凝土界面的失穩(wěn)為主。鋼筋混凝土梁在彎曲破壞三個階段的聲發(fā)射源的形成機理有所不同，故聲發(fā)射信號的波形特性也有所差異。

由AE傳感器得到的10kHz-100kHz范圍內(nèi)的聲發(fā)射波形信號如圖3所示。截取聲發(fā)射信號中能量較高的幾段波形信號，分別用字母？髿-？鬄標(biāo)出。其中？髿段信號為Ⅰ階段的聲發(fā)射信號。？鬀段為Ⅱ階段的聲發(fā)射信號，？鬁、？鬂、？鬄為Ⅲ階段的聲發(fā)射能量較高的部分信號。

分別分析？髿-？鬄段信號的功率譜密度圖，如圖4所示?？梢钥闯?，？髿段信號的頻譜圖的峰值點主要集中在20kHz-40kHz的頻率范圍內(nèi)，在第？鬀段信號的頻譜圖中，幅值較大的頻率點主要為40kHz和51.17kHz。在？鬁段信號，幅值較大的頻率點包括40kHz、51.17kHz和52.27kHz。在？鬂段信號，幅值較大的頻率點除了40kHz、52.27kHz外，還包括54kHz，且66.8kHz和70kHz。而到了？鬄段信號，頻譜圖內(nèi)的峰值點則主要集中在48kHz-72kHz的范圍內(nèi)。整個破壞過程中，聲發(fā)射信號頻譜圖的峰值點頻率有逐漸增大的趨勢。隨著破壞的嚴(yán)重，聲發(fā)射波形的峰值頻率點有逐漸升高的趨勢。因此，可以通過對聲發(fā)射信號進(jìn)行頻譜分析，可進(jìn)一步判斷鋼筋混凝土梁的破壞程度。

2 結(jié)論

本文以鋼筋混凝土動態(tài)彎曲破壞試驗為例，分析鋼筋混凝土梁在動態(tài)加載的各階段全波形聲發(fā)射信號的頻譜特性。結(jié)果表明，隨著不同的破壞階段，聲發(fā)射信號的頻譜特性呈現(xiàn)規(guī)律變化，隨著鋼筋混凝土梁從彈性階段到彈塑性階段、屈服階段，聲發(fā)射信號的形成機理不同，聲發(fā)射信號功率譜密度的峰值頻率有逐漸增大的趨勢。因此，可根據(jù)聲發(fā)射信號的頻譜特性，來進(jìn)一步判斷鋼筋混凝土梁的破壞階段。

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