基于聲發(fā)射技術(shù)的混凝土梁損傷演化研究

曹玉祥 安璐 李志強(qiáng) 容禹

摘 要：材料中局部區(qū)域能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象就稱(chēng)為聲發(fā)射（Acoustic Emission簡(jiǎn)稱(chēng)“AE”）。大量的聲發(fā)射信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生在工程結(jié)構(gòu)的混凝土材料拉伸損傷過(guò)程中。本文通過(guò)對(duì)聲發(fā)射（AE）信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究混凝土材料的損傷演變規(guī)律;發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射（AE）技術(shù)可以比傳統(tǒng)百分表、應(yīng)變儀技術(shù)能夠超前檢測(cè)出混凝土材料之細(xì)微變形及應(yīng)變能的變化。因此將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于抗震防災(zāi)及工程結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，可以在抗震防災(zāi)及工程結(jié)構(gòu)安全可靠度領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)在大數(shù)據(jù)框架下逐年提高大量房屋、橋梁、邊坡、地下工程等類(lèi)似工程結(jié)構(gòu)使用壽命，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)收益。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射;混凝土材料;抗震防災(zāi)工程結(jié)構(gòu);安全可靠度

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）01-0082-02

0 引言

聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱(chēng)“AE”）技術(shù)是一種能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部損傷與擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。由于聲發(fā)射是材料不均勻變形或裂縫開(kāi)裂及擴(kuò)展過(guò)程的伴生現(xiàn)象，伴隨著混凝土性能的退化過(guò)程，混凝土材料中的孔隙、微裂縫和裂縫將隨之而發(fā)展。所以，我們?cè)O(shè)想在損傷力學(xué)和聲發(fā)射速率過(guò)程理論的基礎(chǔ)上，構(gòu)建單軸受壓狀態(tài)下混凝土材料的聲發(fā)射特征參數(shù)與損傷演化間關(guān)系的關(guān)系描述方法，得到實(shí)現(xiàn)運(yùn)用測(cè)量得到的聲發(fā)射特征參數(shù)、能夠最終量化評(píng)估混凝土損傷大小的監(jiān)測(cè)方法。[1]本研究小組，對(duì)某實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的混凝土梁試樣進(jìn)行單軸壓力下的聲發(fā)射試驗(yàn)，得出混凝土的實(shí)際損傷量;進(jìn)行了混凝土芯樣的承載損傷發(fā)展評(píng)價(jià);并應(yīng)用Kaiser效應(yīng)和Felicity效應(yīng)的理論加以分析。本次試驗(yàn)的結(jié)果，充分證明了聲發(fā)射技術(shù)，具有對(duì)混凝土損傷狀態(tài)及發(fā)展過(guò)程評(píng)估之有效性和準(zhǔn)確性。本技術(shù)因此將應(yīng)用于目前國(guó)際上先進(jìn)的工程結(jié)構(gòu)使用壽命健康檢測(cè)體系中，適時(shí)動(dòng)態(tài)檢監(jiān)測(cè)重要工程結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，對(duì)于貴州省抗震防災(zāi)及工程結(jié)構(gòu)安全可靠度領(lǐng)域中重要工程結(jié)構(gòu)的整體安全產(chǎn)生系統(tǒng)性保障效應(yīng)，如圖1所示。

1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)對(duì)普通鋼筋混凝土梁與增加新型碳纖維復(fù)合材料的梁的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，分析新型碳纖維復(fù)合材料對(duì)鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度提高情況;使用聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱(chēng)“AE”）技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料混凝土梁的內(nèi)部損傷與擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)狀況，如圖2所示[2]。

2 實(shí)驗(yàn)進(jìn)程與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）試件設(shè)計(jì)原理：鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁正截面強(qiáng)度靜載試驗(yàn)。

（2）在相同的條件下制作截面尺寸、配筋、混凝土強(qiáng)度均相同的四根簡(jiǎn)支梁，取其中的兩根梁在梁底粘貼碳纖維板，然后加載并記錄每根梁的開(kāi)裂荷載、破壞荷載、撓度[3]。

（3）實(shí)驗(yàn)原理、理論計(jì)算。

未加碳纖維板梁開(kāi)裂荷載：其中，Pcr=4.2kn;未加碳纖維板梁極限彎矩估算。

對(duì)于適筋梁：Pu=12.7KN;實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)梁為倒置，加載采用反力鋼梁及拉桿，從下向上分級(jí)加載，在標(biāo)準(zhǔn)荷載以前共分5級(jí)荷載。第一級(jí)荷載值，即是在試件上的試驗(yàn)設(shè)備重量及自重等;第二級(jí)～第五級(jí)荷載值，是根據(jù)梁的設(shè)計(jì)強(qiáng)度而確定的[4]。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，密切觀(guān)察試件破壞特征并確定破壞荷載值，特別是當(dāng)試件接近破壞時(shí)。

（1）受壓區(qū)混凝土破損;

（2）縱向受拉鋼筋屈服;

（3）混凝土的最大裂縫寬度達(dá)到1.5mm，在構(gòu)件縱向受拉鋼筋處。

2.2 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備及材料與試樣

（1）實(shí)驗(yàn)采用的加載設(shè)備，拉桿、千斤頂測(cè)力計(jì)、反力鋼梁、分配梁。（2）數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（DH3818-2）。（3）百分表、表架。（4）刻度放大鏡。（5）聲發(fā)射儀器：Disp型數(shù)字化聲發(fā)射系統(tǒng)，美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）;傳感器型號(hào)為SR40-RIC，前置放大器增益為40dB，帶通頻率為10KHZ～2.5MHZ。（6）CMOS相機(jī)：MER-500-7UM-L型，中國(guó)大恒（集團(tuán)）有限公司[5]。

實(shí)驗(yàn)梁尺寸及配筋：混凝土抗壓設(shè)計(jì)值：C20，按澆制實(shí)件由壓力機(jī)測(cè)得：

f=20.5（MPa）

鋼筋強(qiáng)度：實(shí)驗(yàn)使用的受拉主筋Rg=235MPa（實(shí)際屈服強(qiáng)度）。

箍筋Rg=180MPa。

2.3 結(jié)果分析

從以上對(duì)于該實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的混凝土梁?jiǎn)屋S受壓狀態(tài)下聲發(fā)射現(xiàn)象分析，得到了量化的混凝土損傷結(jié)果;在此基礎(chǔ)上，分析混凝土芯樣的受力損傷破壞發(fā)展數(shù)據(jù)情況，并配合聲發(fā)射技術(shù)的Kaiser效應(yīng)和Felicity效應(yīng)理論加以驗(yàn)證。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：對(duì)于工程結(jié)構(gòu)中的混凝土損傷評(píng)估，聲發(fā)射技術(shù)是一種簡(jiǎn)便、快捷的動(dòng)態(tài)方法;通過(guò)定量識(shí)別混凝土損傷大小，而了解混凝土內(nèi)部裂縫形成與開(kāi)展的過(guò)程，可以不需要知曉混凝土未損傷狀態(tài)時(shí)的物理參數(shù)。對(duì)于工程資料不全、工程資料缺失的工程結(jié)構(gòu)，評(píng)估其混凝土結(jié)構(gòu)損傷狀況以及評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)曾經(jīng)承受的最大應(yīng)力，可以使用聲發(fā)射技術(shù)來(lái)有效進(jìn)行，如圖3，圖4所示[6]。

3 結(jié)論

聲發(fā)射（AE）技術(shù)，檢測(cè)混凝土材料之細(xì)微變形及應(yīng)變能的變化，可以比傳統(tǒng)百分表、應(yīng)變儀技術(shù)能夠超前更加超前、更加精細(xì)。同時(shí)，聲發(fā)射（AE）技術(shù)可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不受材料加工形狀及表面結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于混凝土損傷狀態(tài)評(píng)估，是比較簡(jiǎn)便快捷的動(dòng)態(tài)實(shí)用監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法，如圖5，圖6所示[7]。

參考文獻(xiàn)

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